|
| |
|
Слаботочка Книги so во  го io OS w tt,MHi! Рис. 2.12. Зависимость амплитуды импульсного тока спрямления от длительности импульса ряда образцов оптопар АОУ103  .М Ш S00 SaOiuiMA Рис. 2.13. Зависимость времен включения и выключения от амплитуды импульса входного тока для оптопар типа АОУ103 1,иА
Рис. 2.14. Температурные зависимости статических и динамических параметров тиристорных оптопар типа АОУ103 оптопары подразделяются на большое число групп в зависимости от максимального значения вы.ходного тока (в серии Т02-6 групп), выходного напряжения (до 10 ... 13 групп через каж-j дые 100 В), времени выклю- чения (по 3 ... 5 групп в каждом типе), максимально допустимых скоростей нарастания прямого напряжения (у Т02 допустимо dUsuxldt = 20 ... 100 В/мкс) ,•: и прямого тока (у Т02 до- i пустимо dlBbixldt= 20 ... ...70 А/мкс). Излучатель в силовых оптопарах воздействует на фотоприемник через воздушный зазор, поэтому величины Яразв и Сра.зв определяются исключительно параметрами корпусов, i При работе тиристорных ]\ оптопар в импульсном ре- жиме амплитуда тока спрям-. ления. по входу возрастает с у.меньшеиием длительности импульсов (рис. 2.12); увеличением амплитуды управляющего импульса можно добиться существенного (в несколько раз) снижения времени включения, правда, при этом наблюдаегся возрастание времени выключения на 20... 30% (рис,.13). Температурные зависимости параметров тири- сторных оптопар (рис. 2.+4) j необходимо знать для проектирования схем. Интересную разновидность ключевой оптопары представляет собой оптопара с однопереходный фототранзистором (рис. 2.8,е). Известно, что определяющим параметром однопереходного транзистора (ОПТ), имеющего два базовых электрода (6i и бг) и один эмиттерный (э), является коэффициент передачи rjnep, определяемый как отношение суммы напряжения срыва и падения напряжения на эмиттерном переходе к мелсбазо-вому напряжению (обычно т]пер0,3... 0,9). Совмещение в оптопаре этого прибора с излучателем приводит к тому, что положительная обратная связь, приводящая к нарастанию тока эмиттера и переходу прибора во включенное состояние, может возникнуть не только прн
Рис. 2.15. Зависимость выходных параметров от входного тока для оптопар АОТ102 в резисторном (а), диодном (б), транзисторном (б) режиме изменении напряжения на электродах, но и при определенной засветке. Эффективность воздействия излучателя на приемник характеризуется в этих приборах относительным изменением коэффициента передачи Ат]пер при подаче на вход оптопары того или иного прямого тока. Оптопара с ОПТ обладает достаточно широки.ми функциональными возможностями, так как может использоваться и в некоторых других схемах включения (по выходу). При разомкнутой эмиттерной цепи мы имеем резисторную оптопару, инерционность переклю-,чения которой составляет единицы микросекунд; при разрыве мелсбазовой цепи получается диодная оптопара (правда, величина Ki в этом случае невысока). Зависимости основных выходных параметров для резистор- ного, диодного и транзисторного режимов работы оптопары с ОПТ на примере отечественного прибора типа АОТ102 представлены на рис. 2.15 [28]. Оптрон~с ОПТ может применяться в схемах ждущих мультивибраторов, в управляющих цепях тиристоров, генераторов пилообразного напряжения, реле времени, цепях синхронизации и Т. п. В качестве фотоприемников с ключевыми характеЛ ристиками могут использоваться и некоторые другие полупроводниковые приборы негатронного типа, напри-1 мер лавинные фототранзисторы [29], однако основным прибором, характеризующим возможности и достижения данного направления, является тиристорная оптопара. 2.4. РЕЗИСТОРНЫЕ ОПТОПАРЫ Резисторные оптопары (рис. 2.8,з) принципиально отличаются от всех других видов оптопар физическими и конструктивно-технологическими особе1ностями, а также составом и значениями параметров. Поэтому все вопросы, связанные с резисторными оптопарами, вынесены в отдельный параграф. В основе принципа действия фоторезистора лежит эффект фотопроводимости, т. е. изменения сопротивления полупроводника при освещении. Как отмечалось в § 1.2, при возбуждении полупроводника светом с энергией квантов, пр евышающей ширину запрещенной зоны полупроводника (Х<Хгр), в нем генерируются избыточные носители заряда. Рассмотрим процессы в фоторезисторе на основе простой геометрической модели (тонкая пленка в форме параллелепипеда шириной d и длиной I) при следующих упрощающих предположениях [30]: свет полностью поглощается в фоторезистивной пленке; пленка освещена равномерно по площади; генерированные носители заряда равномерно распределяются по толщине пленки; поверхностной рекомбинацией и эффектами на омических контактах можно пренебречь; дрейф и рекомбинация носителей заряда в объеме определяются эффективным значением времени жизни Тэф и подвижности Цэф- При этих условиях наведенная концентрация носителей заряда (будем для конкретности рассматривать электроны) и наведенная удельная фотопроводимость определяются формулами , Пф=1УфоТэф/1?; 0ф=(7ЦэфИф. \ Сопротивление фоторезистора в засвеченном состоянии с использованием (1.3) составляет - = 1.25.10-, у (2.2) (2.3) Как видим, в выражение для Ки входит все тот же коэфф1щиент качества используемого полупроводника (ЦэфТэф), кроме того, усиление тем больше, чем больше приложенное к фоорезистору напряжение и чем меньше длина активной области. Физически это объясняется аналогичной зависимостью от указанных параметров времени дрейфа носителей через активную область: , tp==l/Vj,=lfn,E=iyn,U. (2.4) Из (2,3) следует, что с ростом U (н уменьшением /) величина Кв Должна возрастать безгранично. Но это не так: по мере возрастания внешнее поле вводит в фоторезистор объемный заряд электронов, время дрейфа приближается к времени диэлектрической релаксации где Цэф -в см-В--с-; Тэф - в с; остальные размерности указаны на стр. 26. Из (2.2) видно, что основной путь резкого уменьшения i?cB-это выбор полупроводника с высокими значениями подвижности и времени жизни носителей заряда. Если определить чувствительность фоторезистора отношением наведенной проводимости (Асв=1 ?св) к мощности засветки, то характер ее зависимости от к будет такой же, как и для зависимости токовой чувствительности фотодиодов (см. § 1.2): = = (Асв/Рфо)~. Естественно, что это положение сохраняет силу, пока лО-гр. Важным параметром фоторезистора является и его темновое сопротивление или обычно используемое отношение RfRcn- Технологические меры, направленные на снижение Rcb, ведут обычно , и к уменьшению Rt, поэто.му практически удается достигнуть /?т/-?св> 10* ... 10. При этом чем меньшее значение Res необходимо, тем меньшим получается и отношение Rt/Rcb- По абсолютной величине Rt лежит в пределах 10 ... Ю Ом (при комнатной температуре) и резко (экспоненциально) уменьшается при увеличении температуры: изменение от -1-25 до --70°С ведет к снижению Rt более чем на порядок. Нестационарные процессы в фоторезисторе обусловлены релаксацией генерированных фотоносителей при освещении и после его прекращения. Из (2.2) следует, что фоторезнсторш с малым значением Ren «автоматически» будут обладать значительной инерционностью, так как, принимая в первом приближении для описания релаксации фотопроводимости экспоненциальный закон, получаем нар(сп)(/?св)=2,3тэф. Практически значение !ap(cin)=5 ... 10 мс представляет нижнюю границу быстродействия высокочувствительных фоторезнсторов. Если оценивать /сп не по уровню 10?св, а по более близкой степени приближения к Rr, то значение этого временного параметра становится еще больше. По принципу действия фоторезистор является прибором с вну-тренни.ч усилением: каждому генерированному носителю заряда может соответствовать большое (>1) число носителей, протекающих в электрической цепи прибора. При квантовом выходе фотоэффекта Р=1 темп генерации носителей в $оторезисторе равен просто ;Уфо, а число протекающих в единицу времени во внешней цепи электронов составляет I/q=U/(qRci,) (V"-приложенное напряжение). С учетом (2.2) и (1.3) для коэффициента усиления фоторезистора это дает рел, зависимость Kr от и ослабевает. Условие, прн котором имеют место фбтотоки, ограниченные пространственным зарядом (ТОПЗ), записывается в виде iV!.эфpeл. Чем меньше длина фоторезистора и чем выше удельное сопротивление используемого в нем полупроводника (рел = ер/4я), тем при меньших напряжениях возникают ТОПЗ. Практически в широко используемых фоторезисторах на основе CdS, CdSe и их смесей линейная зависимость коэффициента усиления от напряжения сохраняется вплоть до сотен вольт и согласно (2.3) достигается значение KrW ... 10». Фоторезисторы изготавливаются рядом способов; наибольшее распространение получило использование спеченных слоев, полученных методом пульверизации суспензии порошка полупроводника с последующим прокаливанием. Кроме того, иногда используются объемные монокристаллы или тонкопленочные структуры, полученные методом вакуумного напыления. Стандартная технология изготовления фоторезисторов характеризуется значительной гибкостью и широтой с точки зрения номенклатуры используемых полупроводниковых материалов, состава и концентрации активирующих примесей, геометрии фоточувствительйой области [31]. Обычно длина этой области / соизмерима с ее шириной d, а толщина w не превышает I ... 10 мкм. Чтобы обеспечить приемлемый для стандартных условий применения уровень /?св<0,5 ... 1 кОм при типичных значениях l/dOA; рэфЮ см/В-с; А,«=0,5мкм if00. -80 - ео гн Яв/7.  0,5 о,е 0,7 e,s 0,3 Рис. 2.16. Спектральная характеристика некоторых фотопро-водящих материалов, светодиодов и лампочки накаливания И РфоЗО мВт/см необходимо иметь Тэф 1 ... 2 мс. Иными словами, фоторезисторы с достаточно высокой чувствительностью должны обладать и большой инерционностью. Это позволяет расширить круг излучателей, пригод-, ных для резисторных оптронов, по сравнению с числом излучателей, совместимых с фотоприемниками, на основе р-л-перехода. Важнейший вопрос при этом -спектральное согласование излучателя с материалом фоторезистора. Как следует из зависимости чувствительности 5 от Я (рис. 2.16), фоторезисторы на основе CdS,. CdSe и их смесей отлично согласуются с инжекционными GaP-излучателями и хорошо - с лампочкой накаливания. В случае CdSe-HgSe-фоторезистора область спектральной чувствительности может быть сдвинута вправо, поэтому кроме лампочки накаливания оказываются пригодными и GaAs-излучатели. Миниатюрные-лампочки накаливания типа СМН6, 3-20 нашли широкое применение в оптронной технике. Характерно, что-при напряжении, близком к номинальному, сила света 5,-[/з,5 а долговечность ••*). Поэтому, не- сколько снижая рабочее напряжение по сравнению с номинальным, можно одновременно получить и значительную силу света и высокую долговечность (более 10 ч). В качестве излучателя для резисторных оптопар-пригодны и электролюминесцентные порошковые конденсаторы, однако их использование ограничено из-за малой яркости и необходимости питания высоким напряжением повышенной частоты. Следует отметить принципиальную технологическую совместимость некоторых видов фоторезистивных и электролюмннесцент-ных структур, что позволяет надеяться на изготовление монолитных оптопар [32]. Газоразрядные лампы из-за высокого напряжения питания практического распространения не получили. Анализ параметров основных типов отечественных резисторных оптопар (табл. 2.8 [33]) обнаруживает значительное разнообразие этих приборов. Наиболее Широко распространенные оптопары типов ОЭП-1, ОЭП-2, ОЭП-3 представляют собой коммутаторы высоковольтных цепей (вплоть до 250 В) и пригодны для Управления электролюминесцентными индикаторами. Оптопары ОЭП-9. и особенно ОЭП-10. характеризуются очень высокими значениями Rt и удобны для коммута- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 [14] 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||