74222

Фотоприемники. Оптроны

Лекция

Физика

Оптроны В качестве фотоприемников могут использоваться различные вакуумные газоразрядные и полупроводниковые фотоэлектрические приборы у которых выходным параметром является изменяющийся во времени импеданс ZФD. Различают оптроны с внешней оптической и внутренней электрической связью с внешней электрической и внутренней оптической связью. Такие оптроны могут использоваться для преобразования электрических сигналов: усиления генерирования переключения формирования и т. В электронных схемах регенеративные оптроны могут выполнять функции...

Русский

2014-12-30

681 KB

5 чел.

Лекция 14 Фотоприемники. Оптроны

В качестве фотоприемников могут использоваться различные вакуумные, газоразрядные и полупроводниковые фотоэлектрические приборы, у которых выходным параметром является изменяющийся во времени импеданс ZФD. Наиболее важной категорией являются полупроводниковые фотоприемники.

Принцип действия полупроводниковых фотоприемников основан на использовании внутреннего фотоэффекта в твердых телах. Он заключается во внутреннем освобождении носителей заряда под действием света. При этом поглощаемые полупроводником кванты излучения освобождают носители с примесных уровней или из валентной зоны (рис.1.15). Соответственно различают

    

собственную(I) и примесную(2) фотопроводимости. Очевидно, что для каждого из этих видов проводимости характерна  некоторая минимальная энергия кванта E = , определяющая длинноволновую границу λгр   в соответствии с формулой .

        (6.1)

 где E2-E1 - энергетический зазор при переходе валентная зона -зона проводимости или примесный уровень – зона проводимости. В оптоэлектронике большое значение имеют такие характеристики фотоприемников, как спектральная чувствительность; быстродействие и отношение сигнал/шум.

Поскольку оптоэлектронные генераторы в основном работают в ближней ИК области и имеют узкие спектры излучения» для фотоприемников вид кривой спектральной чувствительности не имеет существенного значения. Важно, чтобы чувствительность прибора Sc была максимальной на данной рабочей длине волны.

Для спектрального диапазона в оптоэлектронике (видимая и близкая инфракрасная области) фотоприемники изготовляются на основе материалов A11BV1(InS,InSe,InxCd1-x,Se ,CdS, CdSe, CdTe, CdSx, CdSexTe1-x )

Фотоприемники на основе материалов A11B1V— хорошо согласуются по спектральным характеристикам с электролюминофорами. Область спектральной чувствительности фотоприемников типа CdS и его аналогов ( CdTe, CdSe) и твердых растворов на их основе перекрывает всю видимую часть спектра от 400 до 900 нм. Интегральная чувствительность на этих материалах достаточно высока и составляет 0,1...10 А/лм*В,

В результате сопротивление при освещенностях 102 … 103 лк изменяется в пределах 107 ...108 

Уровень допустимой инерционности для стандартных приборов характеризуется значением времени переключения: для стандартных приборов τ= I0-5... 10-8 с; быстродействующих 10-8 …10-10 с; перспективных разработок 10-10 …10-12- с.

На время переключения существенно влияет сопротивление нагрузки: с его увеличением определяющими становятся процессы перезарядки паразитных емкостей. В то же время уменьшение входных сопротивлений усилителей не позволяет реализовать минимально возможное отношение сигнал/шум. В частности, для достижения порога чувствительности типичных кремниевых фотодиодов необходимы усилители с входным сопротивлением ~ 107 Ом и при этом постоянная времени не может быть менее 10-4...10-5 с.

6.2 Фотопроводимость. Спектральная чувствительность.

Фотопроводимость, обусловленная освещением полупроводник», определяется равенством

   ,   (6.2)

где β - квантовый выход;

 η - коэффициент поглощения света;

I - интенсивность светового потока;

 Un,Up--подвижность электронов и дырок соответственно;

 τn,τp - время жизни электронов и дырок соответственно.

Из равенства (6.2) следует, что достаточно высокую светочувствительность имеют полупроводники с высокими значениями подвижности и времени жизни носителей заряда.

Следует отметить, что в оптоэлектронике примесная проводимость проявляется значительно слабее, чем собственная. Причинанизкая концентрация примесных атомов по сравнению с концентрацией атомов основного материала.Поэтому λгр  определяется шириной запрещенной зоны полупроводника. В области левее λгр( ~ 0,4 мкм для Si и Ge) большинство полупроводников имеет квантовый выход (число генерируемых электронно-дырочных пар при поглощении одного кванта энергии) порядка единицы.

Спектры собственной фоточувствительности S0 однотипны для большинства полупроводников (рис.6.2).

    

  Рисунок 6.2 –Спектральная чувствительность фотодиодов

6.3 Классификация фотоприемников.

Рассмотрим основные разновидности полупроводниковых фотоприемных приборов:

-фоторезисторы(ФР),

-фотодиоды: р-п диоды, -p-i-n. структуры, -приборы с барьером Шоттки,

гетерофотодиоды, лавинные фотодиоды.

-фототранзисторы,

-фототиристоры,

- матричные фотоприемники:  ПЗС –фотоприемники, КМОП-фотоприемники.

12.1 Принцип действия элементарного оптрона. Характеристики

Для преобразования электрических и оптических сигналов необходимо иметь: источник света, яркость свечения которого управляется электрическим сигналом, и фотоприемник с импедансом, изменяющимся в зависимости от освещенности.

Спектральные характеристики источников света и фотоприемников должны быть согласованы.

На рис.I.I показаны элементы оптронной пары, управляемый источник света λ (а) и фотодвухполюсник  Zфр(б) . Для источника света управляющими сигналами являются напряжение  U.  и ток  I.  , а выходным - яркость высвечивания  Ввых . У фотоприемника или фотодвухполюсника входным сигналом является падающий световой поток Ввх , а выходным - напряжение  Uвых  или ток iвых

 

Сочетание этих элементов позволяет осуществить между ними как оптическую, так и электрическую связь. Выходной сигнал источника света является входным для фотодвухполюсника, который в свою очередь может управлять яркостью высвечивания источника света.

Характеристики оптронной пары определяют параметры и возможности оптоэлектронных цепей в целом. Элементарный оптрон является структурным элементом цепей оптоэлектроники. Различают оптроны с внешней оптической и внутренней электрической связью, с внешней электрической и внутренней оптической связью.

На рис.1.2 показан элементарный оптрон с внешней оптической и внутренней электрической связями и соответствующая передаточная характеристика. Режим его работы можно описать уравнениями U0 = const , Ввх=var.

Входным управляющим сигналом здесь является световой поток или мощность излучения.  С изменением Ввх изменяется импеданс

  

фотодвухполюсника ZФD , что приводит к изменение тока и перераспределению напряжения на элементах оптрона. Если яркость высвечивания пропорциональна протекающему току, то всякому изменению Ввх будет соответствовать новое значение Ввых,  . При одинаковом спектральном составе входного и выходного излучений наблюдается монохроматическое усиление светового потока. Если Ввх и Ввых. различного спектрального состава, излучение преобразуется. В этом случае при Ввх < Ввых,  происходит гетерохроматическое усиление. Рассматриваемый оптрон является основным структурным элементом оптоэлектронных усилителей и преобразователей изображения.

Используя полупроводниковые пленки, можно сделать каждый оптрон достаточно малым в виде элемента матрицы,  представляющей интегральную схему с распределенными параметрами. В схеме на рис.1.3

применяется внутренняя оптическая связь. Здесь режим работы соответствует условиям Uвых = var или iвх=var,Bвх=0 . Всякое изменение напряжения или тока источника света вызывает изменение его яркости высвечивания. Это влияет на импеданс фотодвухполюсника и при U0 = сonst изменяет выходной ток или напряжение.

Следовательно, оптрон с внутренней прямой оптической связью можно рассматривать как элемент переменного сопротивления, значение которого определяется входным управляющим током или напряжением. Такие оптроны могут использоваться для преобразования электрических сигналов: усиления, генерирования, переключения, формирования и т.д.

Функциональные возможности оптронов могут быть расширены при введении электрических и оптических обратных связей. Наиболее интересен оптрон, в котором приемник и излучатель электрически соединены и имеется положительная оптическая обратная связь. Такие устройства называются регенеративными оптронами. На их вольт-амперных характеристиках могут быть падающие участки, которые обеспечивают возможности генерирования, усиления и переключения электрических и световых сигналов.

    

Рисунок 1.4 - Регенеративный оптрон

С помощью положительной обратной связи осуществляется частичная или полная компенсация потерь энергии сигнала (регенерация). Функциональная схема регенеративного оптрона содержит замкнутое кольцо преобразования сигнала (рис.1.4). В электронных схемах регенеративные оптроны могут выполнять функции бистабильных элементов. Это позволяет создавать на их основе различные функциональные элементы: триггеры, блокинг- генераторы и т.д.

Обратная оптическая связь независимо от знака предполагает наличие электрической связи между элементами. В соответствии с этим оптроны на рис.1.5,а называются оптронами с электрической связью. При положительной обратной связи оптрон имеет два входа (см.рис.1.5,а): оптический и электрический. Конструктивно он выполнен так, что часть выходного светового потока попадает вновь на фотоприемник, включенный последовательно с источником света λ . Это приводит к уменьшению импеданса ZФD   , возрастанию яркости высвечивания источника, дальнейшему уменьшению ZФD и т.д.

  

Данный процесс будет носить нарастающий характер до тех пор, пока изменение ZФD не будет существенно сказываться на значении тока или напряжения, подводимого к источнику света. Для этого достаточно выполнения условия - ZФDmin << Zис при iвх = iвхmax  , Ввых = Ввых max 

На практике такой режим работы называется состоянием "включено". Оно соответствует неравенствам

ZФDmin << Zис, Ввых = Ввыхmax →0, iвх = iвхmax →0

Переход оптрона из состояния "выключено" в состояние "включено происходит скачком и сопровождается  лавинообразным изменением тока и яркости в соответствующих цепях (рис.1.5,б).

Характеристики данного оптрона напоминают характеристики электромагнитного реле или триггера. Наличие двух выходов существенно расширяет области применения оптрона и разнообразие возможных схемных решений.

В оптронах с отрицательной обратной связью (рис.1.6) фотоприемник и источник света соединяются параллельно.

  

При такой обратной связи изменение свечения источника λ влияет на импеданс  двухполюсника, что приводит к уменьшению величины ∆Ввых

Этот оптрон может выполнять функции нелинейного сопротивления с регулируемыми характеристиками. Многообразие возможных характеристик оптрона определяется параметрами фотоприемников.

12.2 Разновидности оптронов. Технология и конструкции

Основные схемотехнические возможности оптронов определяются главным образом характеристиками фотоприемника. Его особенности определяют следующие разновидности оптронов (рис.1.27)(по характеристикам фотоприемника): транзисторные; диодные; резисторные; тиристорные; с составным транзистором.

     60

По функциональному признаку различают следующие виды оптронов:

информационные; управляющие, линейные, энергетические.

Эта терминология распространяется и на оптронные интегральные микросхемы.

Информационные оптроны - приборы, предназначенные для высокоскоростной передачи цифровой информации по гальванически развязанной цепи. Эта группа находит массовое применение и включает в себя диодные и транзисторные оптроны и переключательные ОЭИМС.

Управляющие оптроны предназначены для бесконтактного управления сильноточными высоковольтными цепями. Типичными представителями этой группы являются тиристорные и транзисторные оптроны, оптореле и отчасти резисторные оптроны.

Линейные оптроны применяются для неискаженной передачи аналоговых сигналов по гальванически развязанной цепи. Это диодные и резисторные оптроны, в некоторых случаях транзисторные.

Энергетические оптроны представляют собой диодные оптроны, выступающие в качестве изолированных вторичных источников питания.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

33908. Средняя арифметическая и ее свойства 15.55 KB
  Средняя арифметическая и ее свойства. В статистической практике из всех видов средних чаще всего используется средняя арифметическая. Средняя арифметическая обладает некоторыми свойствами которые определяют ее широкое применение в экономических расчетах и в практике статистического исследования. Средняя арифметическая постоянной величины равна этой постоянной.
33909. Средняя хронологическая 12.86 KB
  Средняя величина- обобщающая характеристика варьирующего признака ед.статистической совокупности. Сущность средней заключается в том, что в ней взаимопогашаются отклонения значений признака отдельных ед.совокупности, обусловленных действиями случайных факторов, и учитываются изменения, возможные действия основных факторов.
33910. Средняя гармоническая 13.87 KB
  Средняя гармоническая. гармонической взвешенной имеет вид: Средняя гармоническая простая имеет вид :.
33911. Исходное соотношение средней 12.95 KB
  Наиболее распространенной формой статистических показателей используемой в социально – экономических явлениях является средняя величина представляющая собой обобщенную количественную характеристику признака в статистической совокупности в конкретных условиях места и времени. средняя арифметическая ; 2. средняя гармоническая; 3. средняя геометрическая; 4.
33912. Средняя геометрическая 12.21 KB
  Средняя геометрическая. Для несгруппированных данных или для сгруппированных данных с равными частотами применяется средняя геометрическая простая:.
33913. Средняя квадратическая и другие степенные средние 11.35 KB
  Для несгруппированных данных: Для сгруппированных данных: Правило мажорантности старшинства состоит в том что при расчете по одним и тем же данным между числовыми значениями средних исчисляется по разным формулам всегда сохраняется неравенство: Хсред. Гармоническая =Хсред. Геометрическая =Хсред. =Хсред квадратическая.
33914. Область применения различных видов степенной средней 10.74 KB
  Средняя арифметическая величина – среднее слагаемое поэтому если есть данные по варьированному осредненному признаку известен объем статистической совокупности то применяем арифметическую среднюю. Для вариационного ряда распределения применяется средняя арифметическая взвешенная. Если имеются данные по величине признака на начало каждого периода то применяется средняя хронологическая. Квадратическая средняя используется при расчете средних темпов роста.
33915. Общее понятие о вариации, показатели величины вариации и способы их расчета 13.27 KB
  Общее понятие о вариации показатели величины вариации и способы их расчета. Показатели вариации показатели стабильности позволяют сделать вывод об однородности совокупности о надежности типичности средней. Для измерения величины вариации используется абсолютный и относительный показатель вариации. Размах вариации R=XmxXmin.
33916. Абсолютные показатели вариации 20.12 KB
  Чтобы дать представление о величине варьирующего признака недостаточно исчислить средний показатель. Кроме средней необходим показатель характеризующий вариацию признака. Вариация – это изменение значения признака у отдельных единиц совокупности.