lгр=hc/( Ec-Ev)1.23/ Eg (2.8)
Второе равенство в (2.8) справедливо, если lгр выражено в микрометрах, а ширина запрещенной зоны полупроводника Eg - в электроновольтах. Величину lгр называют длинноволновой или “красной” границей спектральной чувствительности материала.
Интенсивность протекания фотоэффекта (в той спектральной области, где он может существовать) зависит от квантового выхода, определяемого отношением числа генерированных пар электрон-дырка к числу поглощенны фотонов. Анализ экспериментальных зависимостей от показывает, что в интересной для оптронов спектральной области b=1.
Образование свободных носителей заряда под действием облучения проявляется в полупроводнике в виде двух фотоэлектрических эффектов: фотопроводимости (возрастание проводимости образца при засветке) и фотовольтаического (возникновение фото-ЭДС на р - n-переходе или другом виде потенциального барьера в полупроводнике при освещении). Оба эффекта используются в практике конструирования фотоприемников; для оптронов предпочтительным и доминирующим является использование фото-ЭДС-эффекта.
Основные параметры и характеристики фотоприемников (безотносительно к физической природе и конструкции этих приборов) можно подразделить на несколько групп , К оптическим характеристикам относятся площадь фоточувствительной поверхности, материал, размеры и конфигурация оптического окна; максимальный и минимальный уровни мощности излучения. К электрооптическим - фоточувствительность, степень однородности распределения чувствительности по фотоприемной площадке; спектральная плотность чувствительности (зависимость параметра, характеризующего чувствительность, от длины волны); собственные шумы фотоприемника и их зависимость от уровня засветки и диапазона рабочих частот; разрешающее время (быстродействие); коэффициент качества (комбинированный показатель, позволяющий сопоставлять различные фотоприемники друг с другом); показатель линейности; динамический диапазон. Как элемент электрической цепи фотоприемник характеризуется прежде всего параметрами его эквивалентной схемы, требованиями к рабочим режимам, наличием (или отсутствием) встроенного механизма усиления, видом и формой выходного сигнала. Прочие характеристики: эксплуатационные, надежностные, габаритные, технологические - ничего специфически “фотоприемното” не содержат.
В зависимости от характера выходного сигнала (напряжение, ток) говорят о вольтовой или токовой фоточувствительности приемника S, измеряемых соответственно в В/Вт или А/Вт. Линейность (или нелинейность) фотоприемника определяется значением показателя степени n в уравнении, связывающем выходной сигнал с входным: Uвых( или Iвых)~Pф. При n1 фотоприемник линеен; область значений Pф(от Pф max до Pф min), в которой это выполняется, определяет динамический диапазон линейности фотоприемника , выражаемый обычно в децибелах: =10 lg(Pф max /Pф min).
Важнейшим параметром фотоприемника, определяющим порог его чувствительности, является удельная обнаружительная способность D, измеряемая в Вт-1мГц1/2. При известном значении D порог чувствительности (минимальная фиксируемая мощность излучения) определяется как
Pф min=/D (2.9)
где А - площадь фоточувствительной площадки; - диапазон рабочих частот усилителя фотосигналов. Иными словами, параметр D играет роль коэффициента качества фотоприемника.
В применении к оптронам не все перечисленные характеристики оказываются одинаково важными. Как правило, фотоприемники в оптронах работают при облученностях, очень далеких от пороговых, поэтому использование параметров Pф min и D оказывается практически бесполезным. Конструктивно фотоприемник в оптроне обычно, “утоплен” в иммерсионную. среду, соединяющую его с излучателем, поэтому знание оптических характеристик входного окна теряет смысл (как правило, специально такого окна нет). Не очень важно знать и распределение чувствительности по фоточувствительной площадке, так как интерес представляют интегральные эффекты.
|
Рис. 2.4. Схемы измерения и семейства вольт-амперных характеристик в фотодиодном (а) и фотовентильном (б) режимах работы диода. |
Механизм работы фотоприемников, базирующихся на фотовольтаическом эффекте, рассмотрим на примере планарно-эпитаксиальных фотодиодов с р - n-переходом и с р - i - n-структурой, в которых можно выделить n+- подложку, базу n- или i-типа (слабая проводимость n-типа) и тонкий р+-слой. При работе в фотодиодном режиме (рис. 2.4,а) приложенное извне напряжение заставляет подвижные дырки и электроны уходить от р - n(р - i)-перехода; при этом картина распределения поля в кристалле оказывается резко различной для двух рассматриваемых структур.
Световое излучение, поглощаясь в базовой области диода, генерирует электронно-дырочные пары, которые диффундируют к р - n-переходу, разделяются им и вызывают появление дополнительного тока во внешней цепи. В р - i - n-диодах это разделение происходит в поле i-o6лaсти и вместо процесса диффузии имеет место дрейф носителей заряда под влиянием электрического поля. Каждая генерированная электронно-дырочная пара, прошедшая через р - n-переход, вызывает прохождение во внешней цепи заряда, равного заряду электрона. Чем больше облученность диода, тем больше фототок. Фототок протекает и при смещении диода в прямом направлении (рис. 2.4,а), однако уже при небольших напряжениях он оказывается намного меньше прямого тока, поэтому его выделение оказывается затруднительным.
Рабочей областью вольт-амперных характеристик фотодиода является III квадрант на рис. 2.4,а; соответственно этому в качестве важнейшего параметра выступает токовая чувствительность
(2.10)
Второе равенство в (2.10) получено в предположении линейной зависимости Iф=f(Pф), а третье - при условии пренебрежения темновым током (), что для кремниевых фотодиодов обычно выполняется.
Если освещать фотодиод без приложения к нему внешнего смещения, то процесс разделения генерируемых электронов и дырок будет протекать благодаря действию собственного встроенного поля р - n-перехода. При этом дырки будут перетекать в р-область и частично компенсировать встроенное поле р - n-перехода. Создается некоторое новое равновесное (для данного значения: Pф) состояние, при котором на внешних выводах диода возникает фото-ЭДС Uф. Если замкнуть освещенный фотодиод на некоторую нагрузку, то он будет отдавать в нее полезную электрическую мощность Рэ.
Характеристическими точками вольт-амперных характеристик диода, работающего в таком - фотовентильном - режиме, являются ЭДС холостого хода Uxx и ток короткого замыкания Iкз (рис. 2.4,б).
Схематически фотодиод в вентильном режиме работает как своеобразныйный вторичный источник питания, поэтому его определяющим параметром является КПД преобразования световой энергии в электрическую:
КПД=Pэ/APф=aUxxIкз/ Apф (2.11)
В фотовентильном режиме действует важный класс фотоэлектрических приборов - солнечные батареи.
3. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТОПАР И ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ
ОПТРОННОИ ТЕХНИКИ
При классификации изделий оптронной техники учитывается два момента: тип фотоприемного устройства и конструктивные особенности прибора в целом .
Выбор первого классификационного признака обусловлен тем, что практически у всех оптронов на входе помещен светодиод и функциональные возможности прибора определяются выходными характеристиками фотоприемного устройства.
В качестве второго признака принято конструктивное исполнение, которое определяет специфику применения оптрона.
Используя этот смешанный конструктивно-схемотехнический принцип классификации, логично выделить три основные группы изделий оптронной техники: оптопары (элементарные оптроны), оптоэлектронные (оптронные) интегральные микросхемы и специальные виды оптронов. К каждой из этих групп относится большое число видов приборов.
Для наиболее распространенных оптопар используются следующие сокращения:
Д - диодная, Т - транзисторная, R - резисторная, У - тиристорная, Т2 - с составным фототранзистором, ДТ - диодно-транзисторная, 2Д (2Т) - диодная (транзисторная) дифференциальная.
Система параметров изделий оптронной техники базируется на системе параметров оптопар, которая формируется из четырех групп параметров и режимов.
|
Рис 3.1. К определению импульсных параметров оптопар. |
Первая группа характеризует входную цепь оптопары (входные параметры), вторая - ее выходную цепь (выходные параметры), третья - объединяет параметры, характеризующие степень воздействия излучателя на фотоприемник и связанные с этим особенности прохождения сигнала через оптопару как элемент связи (параметры передаточной характеристики), наконец, четвертая группа объединяет параметры гальванической развязки, значения которых показывают, насколько приближается оптопара к идеальному элементу развязки. Из четырех перечисленных групп определяющими, специфически “оптронными” являются параметры передаточной характеристики и параметры гальванической развязки.
Важнейшим параметром диодной и транзисторной оптопар является коэффициент передачи тока. Определение импульсных параметров оптронов ясно из (рис. 3.1). Отсчетными уровнями при измерении параметров tнар(сп), tзд, и tвкл(выкл) обычно служат уровни 0.1 и 0.9, полное время логической задержки сигнала определяется по уровню 0,5 амплитуды импульса.
