Оптоэлектроника Электроника полупроводников Волоконно-оптический световод Мультиплексоры и демультиплексоры Фотопроводимость Фотодиоды

Лабораторные работы по оптоэлектронике Передача информации по оптоволокну

ОПТРОНЫ

Схемы оптронов и их элементы.

Параметры, характеризующие работу оптронов.

Резисторные, диодные, транзисторные и тиристорные оптопары.

Оптоэлектронные микросхемы.

Оптронами называются такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются излучатели и фотоприемники, оптически и конструктивно связанные друг с другом.

Принцип действия любого оптрона основан на двойном преобразовании энергии. В излучателях энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фотоприемниках, наоборот, оптический сигнал вызывает электрический ток или напряжение. Таким образом, оптрон представляет собой прибор с электрическими входными и выходными сигналами (связь оптрона с внешней схемой электрическая). Внутри оптрона связь входа с выходом осуществляется с помощью оптических сигналов. В электрической схеме такой прибор выполняет функцию выходного элемента – фотоприемника с одновременной электрической изоляцией (гальванической развязкой) входа и выхода.

В резисторной оптопаре в качестве фотоприемника используется полупроводниковый резистор, сопротивление которого уменьшается при воздействии видимых световых и невидимых инфракрасных лучей. Уменьшение сопротивления фоторезистора происходит за счет генерации светом пар свободных носителей заряда — электронов и дырок, увеличивающих электропроводность полупроводника.

 

Рис. 1. Схема измерения характеристик резисторного оптрона.

К видимому свету наиболее чувствительны фоторезисторы, токопроводящие элементы которых представляют собой таблетки из селенида кадмия или сернистого кадмия. Тонкие слои сернистого или селенистого свинца, нанесенные на стеклянную или ситаловую подложки, более чувствительны к инфракрасному излучению. В резисторной оптопаре в качестве излучателей могут применяться сверхминиатюрные лампочки накаливания, но чаше всего – инжекционные излучательные диоды или инфракрасные диоды. Общим требованием к оптронам является согласованность излучателя и приемника по спектральным характеристикам. Фоторезистор и излучатель объединены внутри корпуса оптрона оптически прозрачной средой (клеем) с большим сопротивлением изоляции. Поэтому цепь излучателя надежно изолирована от входной цепи оптрона-фотоприемника.

Параметры оптопары зависят от температуры. Повышение температуры фоторезистора приводит к уменьшению его светового сопротивления, снижению фототока и в то же время повышает его темновой ток, снижая темновое сопротивление. Характеристики резисторной оптопары показаны на рис. 2 — 4.

Рис. 2. Входная характеристика резисторного оптрона

 

 

Рис.3. Выходная характеристика резисторного оптрона

Рис.4. Зависимость светового сопротивления от входного тока для резисторных оптронов ЭОП1, ЭОП2

Для определения зависимости светового сопротивления от входного тока необходимо иметь семейство статических выходных характеристик:

Iвых=f(Uвых) при Iвх=const

с помощью которых нетрудно определить для каждого значения входного тока световое сопротивление прибора (см. рис. 3):

и построить зависимость: .

 В диодной оптопаре в качестве фотоприемника используется фотодиод на основе кремния, а в качестве излучателя — инфракрасный излучающий диод.

 

 

Рис. 5. Схема измерения характеристик диодного оптрона в фотогенераторном режиме.

 

Максимум спектральной характеристики излучения диода приходится на длину волны около I мкм. Излучение с такой длиной волны вызывает генерацию электронно-дырочных пар носителей заряда в полупроводнике. Электроны и дырки экстрагируются электрическим полем контактной разности потенциалов перехода фотодиода и заряжают р-область положительно, а п-область отрицательно. На выводах фотодиода появляется фото-ЭДС. Такой режим работы фотодиода называется фотогенераторным, или фотовентильным, коэффициент передачи тока КI = Iвых /Iвх в диодных оптронах составляет единицы процентов.

В общем случае выходной ток фотодиода записывается:

где Ф — световой поток светоизлучательного диода, образующего входную цепь; S∑— интегральная чувствительность фотодиода.

Для фотогенераторного режима при холостом ходе на выходе оптрона выходной ток равен нулю, т.е. Iвых=0 и Uвых=[Uвых]хх=Еф

 

или

где Е – фото-ЭДС.

где ηф —коэффициент полезного действия светодиода

  (1)

Для короткого замыкания на выходе оптрона ЕФ= 0, поэтому в соотношении (1) вместо теплового тока I0 необходимо подставить значение фототока при коротком замыкании фотодиода:

Тогда коэффициент передачи по току оптрона в фотогенераторном режиме при коротком замыкании на выходе определится соотношением

  (2)

Фотогенераторный режим фотодиода описывается его вентильными вольт-амперными характеристиками, Еф=f(Iф) (рис.6). Параметрами этих характеристик является Еф.x.x— фото-ЭДС холостого хода при заданном входном токе оптрона.

Обратное включение фотодиода при напряжении, большем 0,5 В, приводит к увеличению обратного тока за счет электронов и дырок, генерированных излучением. Такой режим называется фотодиодным, и ему соответствует семейство выходных характеристик оптрона: Iвых = f(Uвых) при Iвх = const — зависимость выходного тока от выходного напряжения при определенном входном токе (рис.7). При отсутствии входного тока характеристика проходит через начало координат и определяется темновым током р-n-перехода (тепловой ток обратновключенного перехода I0).

 

Рис.6. Вентильные вольт-амперные характеристики диодного оптрона в фотогенераторном режиме

Рис.7. Выходные характеристики диодного оптрона в фотодиодном режиме

 

Под действием светового потока светодиода, через который протекает ток Iвх, на выходе оптрона появляется фототoк и характеристика смещается вверх, пропорционально входному току. Значение фототока на выходе оптрона практически линейно возрастает с увеличением светового потока излучающего диода.

Диоды излучателя и приемника изготавливаются по планарной технологии. Структуры соединяются между собой оптически прозрачным клеем, слой которого обеспечивает надежную изоляцию входной цепи оптрона от его выходной цепи.

Кроме выходных характеристик в фотогенераторном и фотодиодном режимах для описания свойств диодных оптронов применяют входные характеристики, а также передаточные характеристики в фотогенераторном и фотодиодном режимах. Передаточная характеристика в фотодиодном режиме представляет собой зависимость выходного тока от входного тока:

Iвых=f(Iвх) при U=const

и практически линейна в широком диапазоне входного тока.

Передаточная характеристика в фотогенераторном режиме нелинейна, так как фото-ЭДС при увеличении входного тока стремится к насыщению. Фото-ЭДС не превышает контактной разности потенциалов p-n-перехода и составляет 0,5...0,8 В.

 

В тиристорном оптроне в качестве фотоприемника используется кремниевый фототиристор.

Фототиристор, так же как и обычный тиристор, имеет четырехслойную р-n-p-n-структуру (рис. 8, б). Конструктивно оптопара выполнена так, что основная часть излучения входного светодиода направлена на высокоомную n-базовую область фототиристора.

 

 

Рис. 8. Схемное обозначение (а) и устройство тиристорного оптрона (б).

 

К крайним областям (р-аноду и n-катоду) прикладывается внешнее выходное напряжение плюсом к аноду. При облучении в n-базе генерируется пары носителей заряда — электронов и дырок. Электрическим полем коллекторного перехода носители заряда разделяются между n- и p-областями. Электроны остаются в n-базе, а дырки экстрагируются в р-6азу, заряжая n-базу отрицательно, p-базу положительно и снижая тем самым высоту энергетических барьеров эмиттерных переходов. Возникает инжекция носителей заряда через эмиттерные переходы в р-п-базы, где эти носители оказываются неосновными. Неосновные носители, продиффундировав к коллекторному переходу, затем экстрагируются полем перехода в базы, где становятся основными, что, в свою очередь, приводит к дальнейшему повышеню неравновесных зарядов основных носителей баз, снижению высоты энергетических барьеров эмиттерных переходов и дальнейшему увеличению инжекции. Процесс оказывается регенерационным. Регенерационное нарастание тока через структуру приводит к отпиранию тиристора. Коллекторный переход насыщается подвижными носителями заряда и оказывается смещенным так же, как и эмиттерные переходы, в прямом направлении.

Падение напряжения на фототиристоре в открытом состоянии получается малым. Фототиристор остается открытым и после прекращения действия излучения. Чтобы перевести фототиристор в высокоомное состояние, необходимо снять внешнее напряжение с его электродов.

Если тиристор включается в цепь переменного или пульсирующего напряжения, то его выключение происходит в каждый из периодов при снижении напряжения и тока через тиристор до значений, при которых не может поддерживаться включенное состояние структуры.

Рис. 9. Выходные характеристики тиристорного оптрона.

На рис.9 показано семейство выходных вольт-амперных характеристик тиристорного оптрона. Параметром семейства является входной ток излучающего диода Iвх. При отсутствии входного сигнала, что соответствует необлученному состоянию n-базы, через фототиристор протекает темновой ток Iт (ток обратновключенного коллекторного перехода). Повышение выходного напряжения до значения Uвкл переводит тиристор во включенное состояние. Напряжение включения определяется величиной излучения, т.е. входным током оптрона. При некотором значении входного тока (рис. 9 при Iвх = 30 мА) происходит спрямление характеристики, что соответствует включенному состоянию фототиристора. Этот входной ток называется током спрямления вольт-амперной характеристики Iспр.вх и является параметром тиристорного оптрона. При подаче на вход тока Iспр. вх входная характеристика становится подобной прямой ветви характеристики инжектирующего р-п- перехода.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

 

Цель работы: изучение устройства и принципа работы оптронов, измерение основных характеристик и определение параметров оптронов.

 

Приборы и принадлежности: стенд для измерения характеристик и параметров оптронов, источники постоянного тока (30 В), резисторные, диодные и тиристорные оптроны.

 

Порядок выполнения

 

На стенде по схеме, представленной на рис 1. провести измерение для определения входной и выходной характеристик резисторной оптопары.

Получив семейство статических выходных характеристик резисторной оптопары определить зависимость светового сопротивления от входного тока.

Для диодной оптопары по схеме (см. рис. 5) определить вентильные вольт-амперные характеристики в фотогенераторном режиме и выходные характеристики в фотодиодном режиме.

Провести измерения по определению передаточных характеристик диодной оптопары в фотогенераторном и фотодиодном режимах.

Для тиристорной оптопары определить выходные характеристики и ток спрямления вольт-амперной характеристики.

Вопросы для самоконтроля

 

Какова структурная схема оптрона и его принцип работы?

Какие существуют типы оптронов и их особенности?

Какие основные характеристики и параметры оптопар?

Где применяются оптроны?


Полупроводниковые детекторы оптического излучения