 |
|
Оптоелектронните елементи излъчват, преобразуват или използват електромагнитни лъчения във видимия, инфрачервен или ултравиолетов спектър
.
Оптоелектронните елементи се разделят на:
Излъчватели – преобразуват електрическата енергия в
лъчиста
Фотоприемници – преобразуват лъчистата
енергия в електрическа
Оптрони –
обединяват източник на лъчиста енергия, оптична среда и фотоприемник
Разглеждат се структурата, принципът на действие, характеристиите и параметрите на оптоелектронните елементи и основните им приложения.
След изучаване на материала
вие би трябвало да:
Свойствата на светодиодите
Видовете фотоприемници
Предимствата на оптроните
Основните приложения на оптоелектронните елементи
Принципа на действие на светодиодите
Принципа на действие на фотоприемниците Разликата между инфрачервени и индикаторни светодиоди
Влиянието на широчината на забранената зона върху дължината на вълната на излъчваната светлина
Токовете и напреженията в схеми със светодиоди
Предпоставки: полупроводници, изправителни диоди
Светодиоди К Светодиодите са ПП елементи, които преобразувеат електрическата енергия в некохерентно светлинно лъчение. Те имат един PN преход.
Структура на светодиод
Eлектрически контакти
Принципът им на действие се основава на процесите на рекомбинация, протичащи в право включен PN преход.
При
право включване започва инжекция на токоносители. 
Инжектираните електрони от n-областта
рекомбинират с дупките от pобластта. Електроните имат по-високо
енергийно ниво и при падането на нивата на дупките губят енергия.
Енергията
се излъчва под формата на квантове светлина – фотони. Явлението се нарича електролуминисценция.
Wc hc
hc 1200 hn hn
= = DW l =D
W = DW l
Wv l= 0.38 – 0.76 mm видима област
DW = 1.6 – 3.1 eV (GaP, SiC, GaAlAs, GaAsP)
Колкото по-голяма е широчината на забранената зона, толкова по-голяма е енергията на излъчения фотон и толкова по-висока е честотата на излъчената светлина (респективно по-къса дължината на вълната й).
Според спектъра на излъчената светлина светодиодите се делят на инфрачервени и индикаторни.
Индикаторните излъчват във видимия спектър (l = 380 – 760 nm)
Violet ~ 3.17eV DW на
Blue ~ 2.73eV полупроводника,
Green ~ 2.52eV за да излъчва
Yellow ~ 2.15eV тази дължина на
Orange ~ 2.08eV вълната
Red ~ 1.62eV
Специфичните свойства на диода се определят от неговата конструкция. Оптическата леща в корпуса формира пространствения ъгъл на излъчване и възпрепятства пълното вътрешното отражение на лъчите.
Емитирана светлина
Аноден проводник
Оптоелектронен чип
Рефлектор
Поради по-широката забранена
зона на материалите, светодиодите имат значително по-голям пад в права посока
от Ge и Si изправителни диоди.
VA характеристика на червен и зелен светодиод
Представлява зависимостта на
излъчения светлинен поток Φ от тока IF, протичаш през диода.
Областта на насищане при големи стойности на тока се дължи на нарастване на относителния дял на безизлъчвателната рекомбинация при загряване на прехода.
Дължина на вълната, nm
Чувствителност на човешкото око към спектъра на лъчението
Инфрачервените – в дистанционни
Фотоприемниците преобразуват лъчистата енергия в електрическа
Действието им се основава на генериране на двойка токоносители под въздействие на светлинно лъчение с подходяща дължина на вълната.
Видове – фоторезистори, фотодиоди, фототранзистори, фототиристори
Фоторезисторите са полупроводникови елементи, чието съпротивление намалява при увеличаване на осветеността върху повърхността му.
Типично приложение – светломер
VA характеристика
+ F1
CdS, CdSe
F = 0 подложка U
Фоторесизторът има линейна волтамперна характеристика.
|
Iph = kFU |
k – специфична интегрална чувствителност, mA/V.ln
|
|
|
Принципът на действие на фотодиода се основава на увеличаване на обратния ток на pn прехода при осветяването му.
Допълнителната енергия от облъчването довежда до разкъсване на ковалентни връзки, при което се генерират електрони и дупки, които увеличават обраятния ток.
Фототокът е значително по-голям от топлинния ток на прехода, поради което при облъчване даже при напрежение нула през диода тече ток. Фотодиодът се характеризира с най-голямо бързодействие от всички фотоприемници (10-9 – 10-11 s).
Фотоелемент
Полупроводниковите фотоелементи преобразуват светлинната енергия в електрическа. Те са фотодиоди, работещи във фотогенераторен режим – без външен източник на напрежение.
При облъчване се генерират двойки
токоносители. Полето на PN прехода ги разделя и те се 
натрупват
в двата края на полупроводника, създавайки фото електродвижещо напрежение. При
затваряне на веригата през нея протича ток.
Фото електродвижещо напрежение (е.д.н) = 0.5-0.55 V. к.п.д = 20% – 40-50%.
Фотоволтаичните модули се изграждат от свързването на множество индивидуални слънчеви клетки, за да се достигнат необходимите нива на напрежение и ток. Те директно преобразуват слънчевата светлина в електричество като ефективноста при преобразуването е 20% - 40-50%.
Слънчевите клетки, които се използват в калкулаторите и спътниците, често се наричат фотоволтаични клетки. Името произтича от фото в смисъл на светлина и волт – в смисъл на електричество.
Фототранзисторът има отворена база, която се облъчва. Генерираните токоносители в прехода преминават в колектора и формират колекторния ток. Неговата големина зависи от интензитета на светлинния поток.
Волтамперната характеристика на фототранзистора е като изходната характеристика на транзистор в схема ОЕ с тази разлика, че тук фототранзисторът се управлва от светлинен поток, а не от базовия ток.
Интегралната чувствителност на фототранзистора е (1+b) пъти по-голяма от тази на фотодиода.
Оптроните са полупроводникови елементи, които обхващат в една конструкция източник на светлина и фотоприемник.
Източник – инфрачервен светодиод (преобразува ел.
сигнал в светлинен)
Оптична среда – въздушна междина, световод
(предава светлинния сигнал)
Фотоприемник –
фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, фототиристор
(преобразува обратно светлинния сигнал в електрически)
Времедиаграмите
на входния и изходен електрически сигнали са идентични, независимо че входната
и изходна амплкитуда често се различават.
Източникът (предавателят) използва електрически сигнал и го преобразува в лъч модулирана светлина във видимия или инфрачервен спектър. Този лъч се разпространява през прозрачна оптична среда – най-често въздушна междина. Лъчът попада при фотоприемника, който преобразува модулираната светлина обратно в електрически сигнал.
Липса
на електрическа връзка между входа и изхода
Възможност
за галванично разделяне на електрически вериги
Висока
шумоустойчивост на оптичен канал
Еднопосочност
на потока информация и липса на обратно въздействие на фотоприемника върху
източника на излъчване 
Широка
лента на пропускане в честотен обхват (от 0 до1013 – 1014 Hz)
Възможност
на директно управление от съвременните интегрални схеми
|
Те са ПП елементи, които преобразуват ел. енергия в некохерентно светлинно лъчение.
Wv λ= 0.38 – 0.76 nm видима област ∆W = 1.6 – 3.1 eV (GaP, SiC, GaAlAs, GaAsP)
|
|
Оптрони – предимства Липса на електрическа връзка между входа и изхода Възможност за галванично разделяне на електрически вериги Висока шумоустойчивост на оптичен канал Еднопосочност на потока информация и липса на обратно въздействие на фотоприемника върху източника на излъчване Широка лента на пропускане в честотен обхват (от 0 до1013 – 1014 Hz) Възможност на директно управление от съвременните интегрални схеми
|
|
елементи
Оптоелектронните
елементи излъчват, преобразуват или използват в 
процеса на работа електромагнитни
лъчения във видимия, инфрачервения—: или ултравиолетовия спектьр.
Полупроводниковите
оптоелектронни елементи, намиращи широко при- 
ложение в електрониката, могат да
се класифицират в три основни групи:
излъчватели
(основен представител светодиод) — преобразуват елект;—' рическата енергия в
лъчиста; 
фотоприемници
— преобразуват лъчистата енергия в електрическа; 
оптрони — обединяват източник на
лъчиста енергия, оптична среда и 
фотоприемник.
Тук
ще се разгледат само някои въвеждащи понятия в оптоелектрониката, 
а по-систематични
сведения са обект на други курсове.
6,2. Светодиоди
6.2.1. Определение и принцип на действие
Светодиодите са полупроводникови елементи с един рп преход, преобразуващи електрическата енергия в енергия на некохерентно светлинно лъчение.
Принципы на действие на светодиодите се основава на процесите на рекомбинация, протичащи при свързване нарп преход в права посока.
При включването на рп прехода в права посока се осъществява дифузия на електрони от п в р областга и на дупки от р в п областта. Дифундиралите неосновни токоносители рекомбинират с основните. Това означава, че електроните преминават от по-високо енергийно ниво (зоната на проводимостта) в по-ниско (валентната зона) (фиг. 6.1).
При този процес се отделя енергия във вид на топлина и светлина. В зависимост от вида на полупроводника, при рекомбинацията преобладава единия от двата вида енергия. При светодиодите основната част от енергията се излъчва във вид на фотони. В зависимост от широчината на забранената зона на полупроводника и особеностите на рекомбинационния процес, това излъчване може да бъде в инфрачервената или във видимата част на спектъра. Зависимостта се дава с израза:
(3.1) 
където: ДИ/ е
широчината на забранената зона на полупроводника, v е честотата, а е дължината
на выжата на генерираното светлинно излъчване; с е скоростта на светлината, а е
константата на Планк. След преобразуване се получава:
hc 1200
(3.2) 
одето ДИ/е в [eV], а Х се получава в [пт].
От
(3.2) следва, че за излъчване във видимата област (Х = 0,38 — 0,76 РТ)
полупроводникът трябва да има широчина на забранената зона ДИ/ между 1,6 eV и
3,1 eV. За съвременните светодиоди се ИЗПОЛЗВаТ главно GaP, SiC, а също и някои
твърди съединения — GaAlAs, GaAsP и др. Чрез внасяне на определени примеси в
тях се постига различен цвят на светене.
Фиг. 6.1. Схематично преДставяне на процеса на рекомбинация и генерирането на фотон чрез зонната Диаграма на полупровоДника
62.2. Основни параметри и характеристики
Дължина на вълната, рт
Фиг. 6.2. Относителна чувствителност на човешкото око към светлинните лъчения
Според спектъра на електромагнитното излъчване светодиодите се делят на инфрачервени и инДикаторни. Индикаторните светодиоди изльчват във видимия спектьр (Х = 0,38 — 0,76 РТ), а инфрачервените — в инфрачервения, спектьр (Х > 0,76 РТ).
На фиг. 6.2 е показана кривата на чувствителностга на човешкото око към светлинните лъчения, а на фиг. 6.3 са показани спектрааните характеристики нА светодиоди, реализирани с различни материали. При промяна на температурата максимумы на тези характеристики се измества приблизително с 0,2 пт/0С.
На
фиг. 6.4 са показани волтамперните характеристики на индикаторни светодиоди,
изготвени от различни материали. Поради по-широката забранената зона на тези
материали, светодиодите се характеризират със значително поголям пад на
напрежение в права посока от Si и (Зе изправителни диоди. Конк
ретните стойности за
различните видове светодиоди се дават в каталозите. Там е 
оказан и температурният
коефициент на напрежението в права посока, който е в 
диапазона от —1,3 до —2,5 mV/0C.
|
|
|
|
||||
|
Фиг. 6.3. Спектрални характеристики |
Фиг. 6.4. Волтамперни характеристики |
|
|||
|
на светоДиоДи, реализирани с |
на инДикаторни светоДиоДи, |
|
|||
|
различни материали |
изготвени от различни материали |
|
|||
На фиг. 6.5 е показана зависимостта на светлинния поток от тока през диода IF за светодиоди, реализирани по различни технологии, а на фиг. 6.6 е показана зависимостга на интензитета на излъчване от тока IF за светодиод МУ 5752. Общото правило е, че увеличението на тока през диода, води до нарастване на светлинното му излъчване. При избора на конкретния ток през диода трябва да се има пред вид, че интензитет на излъчване от порядъка на 4—5 mcd е достатьчен за различаване на светенето на светодиода в ярко осветено помещение. Този интензитет се постига обикновено с токове IF от порядъка на 10—20 ТА. Често се практикува захранване с импулсен ток на светодиодите, при което се постига голям интензитет на излъчването, при малки средни стойности на възбуждащата мощност. Интензитета на излъчване на светодиодите отслабва с повишаване на температурата с около 1 % РС.
На фиг. 6.7 са представени примерните Диаграми на насоченост на три светодиода с различна конструкция на корпуса. Диаграмата на насоченост дава информация за интензитета на излъчената светлина в различни точки от пространството. Най-голямо значение за формиране на пространствения ъгъл на излъчване имат формата и вида на използваната оптическа леща, вградена в корпуса на светодиода.
Ф,
lm 10
тип 1
Фиг. 6.5. Зависимост на светлинния поток от тока през ДиоДа за различни светоДиоДи
Фиг. 6.6. Зависимост на интензитета на излъчване от тока
4, ТА
10
20 зо 40 50
а) б) в)
Фиг. 6.7. Примерни Диаграми на насоченост на светоДиоДи
с различна конструкция на корпуса
На
фиг. 6.8 е показана проста схема за включване на светодиод към зах
ранваща верига.
Източникът може да бъде с постоянна положителна стойност на напрежението (диоды
ще свети непрекъснато) или да има импулсен характер (светодиоды ще свети само
при подаване на положително напрежение). Резисторы R служи за фиксиране на тока
през диода, така, че той да излъчва с достатьчна интензивност (вж. фиг. 6.6).
На фиг. 6.9 е начертана волт-амперната характеристика на диода и е прекарана
товарната права за случай на източник на постоянно напрежение Е = 5 V и
оптимален ток през светодиода IF —- 10 тА. В случая уравнението на товарната
права е от вида:
(3.3) 
Фиг. 6.8. Схема за включване на светоДиоД към захранваща верига
4,
ТА
4 = 10 тА
Фиг.
6.9. Волт-амперна характеристика и товарна права на светоДиоД
При изчертаването б са използвани две точки. Първата е с координати (Е, 0) и съответства на случая IF = 0. Втората се намира върху волт-амперната характеристика на диода, при IF = 10 ТА. Стойностга на резистора R се определя като:
1
arctgoc
където с а е означен ъгьлът между товарната права и абсцисата. Стойностга на R може да бъде намерена и аналитично, чрез заместване на каталожната стойност на UF в уравнение (3.3).
6.2.3. Приложение на светодиодите
Инфрачервените светодиоди намират широко приложение като елементи за дистанционно управление, като излъчватели в оптроните, като предаватели на лъчиста енергия в оптични комуникационни връзки.
Индикаторните светодиоди излъчват енергия във видимата област на спектьра и се използват главно за визуално представяне на информация. Индикаторите от точков тип се използват за изграждане на информационни табла, рекламни пана и др. Известни са технологии, които позволяват вграждане на светодиоди с различен цвят на светене в един корпус, като управлението се извършва, чрез промяна на захранващото напрежение. Много често група светодиоди се корпусират един до друг и изграждат светодиодна линийка (фиг. 6.10а). Широко приложение в практиката са намерили светодиодните седемсегментни индикатори (фиг. 6.106), предназначени главно за цифрова индикация. За представяне на буквено-цифрова информация се използват матрични индикатори съдържащи 35 светодиода, разположени в 5 колони и 7 реда (фиг. 6.103). Най-често в корпуса на индикаторите се включват и схеми за управлението им, което повишава компактностга и надеждността на апаратурата.
а)
б) в)
Фиг. 6.10. а — светоДиоДна линийка; б — сеДем-сегментни инДикатори; в — матрични инДикатори
6.3. Фотоприемници
6.3.1. Принцип на действие и класификация
Фотоприемниците преобразуват лъчистата енергия в електрическа. Действието им се основава на генерирането на двойки свободни токоносители (електрон-дупка) под въздействието на светлинно лъчение с подходяща д-ьлжина на вълната. В резултат се повишава електропроводимостта (елементи от фотопроводим тип) или се поражда електродвижещо напрежение (елементи от фотоволтаичен тип).
Елементите от фотопроводим тип включват: фоторезистори, фотодиоди, фототранзистори и фототиристори. За тяхното функциониране е необходимо да се осигури подходящото им захранване с външно напрежение.
Фотоелементите са представител на приборите от фотоволтаичен тип. Поради факта, че генерират напрежение, те не се нуждаят от външно захранване.
6.32. Фоторезистори
Фоторезисторите са полупроводникови елементи, чието съпротивление намалява при увеличаване на осветеностга на неговата повърхност.
Примерната конструкция и символното означение на фоторезистор е показана на фиг. 6.11. Върху изолационна подложка се нанася слой фоточувствителен материал (най-често кадмиев сулфид CaS или кадмиев селенит CdSe), чиято спектрална чувствителност е във видимата област на лъчението. В двата края на слоя се присъединяват метални електроди, които осъществяват електрическата връзка с останалите елементи в схемата. Фоторезисторите обикновено се затварят в метален или пластмасов корпус, като над фоточувствителната част се оставя прозорче.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2
|
|
|||||||
|
|
||||||||
О
о
а) б)
Фиг. 6.11. Примерна конструкция и условно-графично означение на фоторезистор
На фиг. 6.12 е показана примерната волт-амперна характеристика на фоторезистор — Iph = Л Щ Ф = const. При липса на осветеност (Ф = О), съпротивлението на фоторезисторите е от няколко десетки килооми до стотици мегаоми, в зависимост от типа им. То се дава в каталозите като съпротивление на тьмно RD. Осветяването на фоторезистора с подходящо лъчение предизвиква разкъсване на ковалентните връзки в полупроводниковия слой, което води до повишаване на концентрацията на свободните ТОКОНОСИТеЛИ и съответно до многократно нарастване на проводимостга. Връзката между тока и напрежението върху фоторезистора се дава с израза:
(3.5) =КФЦ
където с Ф, lT е означен светлинният поток, а коефициентьт К, lJA]V.lm се нарича специфична интегрална чувствителност. Характеризира количествено свойствата на фоторезистора при облъчването му с бяла светлина (светлина съдържаща целия спектьр на видимата област). Типичните му стойности варират от 100 l.LA/V.lT до 100 mNV.lrn.
На фиг. 6.13 е показана примерната характеристика на преобразуване на фоторезистора — Rph = const. Може да се направи извода, че зависимостта на съпротивлението Rph от осветеностга Ф е нелинейна, като при високи нива на осветяване съпротивлението на фоторезистора може да намалее хиляда и повече пъти спрямо съпротивлението на тьмно.
Ф,
1т
|
Фиг. 6.12. Примерна волт-амперна |
Фиг. 6.13. Примерна характеристика |
|
характеристика на фоторезистор |
на преобразуване на фоторезистор |
Фоторезисторите се характеризират сы сравнително широка спектрална характеристика, чиито максимум се определя от вида на използвания полупроводников материал (фиг. 6.14).
Фиг. 6.14. Спектрални характеристики на различни виДове фоторезистори
Фоторезисторите са елементи със сравнително ниско бързодействие. Прекратяването на светлинното въздействие върху тях, предизвиква намаляване на фототока по експоненциален закон. Времето, за което токът през фоторезистора спада е пъти (т. е. с 63 70) от първоначалната си стойност определя времеконстантата т. Типичните б стойности са в диапазона 10-6+10-3 s.
Други параметри на фоторезисторите са максималния ток, максимално допустимото работно напрежение и максималната разсейвана мощност. Стойностите им се дават в каталозите за всеки конкретен случай.
Фоторезисторите намират широко приложение при конструиране на електронни схеми за измерване и управление. Типично приложение е реализацията на светломер (фиг. 6.15). При липса на осветяване, съпротивлението на фоторезистора е много голямо и токът през веригата е приблизително нула. При осветяване, токът започва да расте, коего се отчита от милиамперметьрът. Негова скала може да се градуира да показва директно интензитета на светлинния поток.
Фиг. 6.15. Проста схема за реализация на светломер
На
фиг. 6.16а е показано свързването на фоторезистор в схема за преобразуване на
светлинния поток в напрежение, а на фиг. 6.166 е показана товарната 
права върху
волт-амперната му характеристика. В зависимост от осветеностга, работната точка
се движи между т. А и т. В по товарната права, при което напрежението върху
фоторезистора се променя от UA до (Л.
|
Rph |
Iph,
ТА
Ф 
а) б)
Фиг. 6.16. а — свързване на фоторезистор в схема за преобразуване на светлинния поток в напрежение; б — товарна права
6.3.3. Фотодиоди
Фотодиодите спадат към групата на фотоприемниците с рп преход (фиг. 6.17). Принципът им на действие се основава на увеличаване на обратния ток нарп прехода при осветяването му. ф
Фиг.
6.18. Свързване на фотоДиоД в статичен режим
Работата на фотодиода се осигурява чрез подаване на обратно напрежение на прехода (фиг. 6.18).
На фиг. 6.19 е показана волт-амперната характеристика на фотодиод. При липса на осветеност (Ф = 0), през диода тече обратния ток на прехода К (ток на тьмно). Когато върху фотодиода попадне светлинна енергия със спектьр, съответстващ на спектралната чувствителност на елемента, се генерират двойки електрон-дупка, които повишават многократно обратния ток. Зависимостта на фототока Iph от светлинния поток Фе линейна:
(3.6) 
одето с К, mNlm е означен коефициентът на интегрална чувствителност на фотодиода. Тя се намира в границите от 5—25 mNlm.
|
ph phR |
|
|
phF
Фиг. 6.19. Волт-амперна характеристика на фотоДиоД
При фотодиодите се дефинира параметьра прагова чувствителност — определя се като минималния светлинен поток, при който във веригата се наблюдава изменение на тока, различно от фона на собствения шум.
На фиг. 6.20 са показани спектралните характеристики на Si и Ge фотодиоди. Поради по-широката забранена зона на Si, характеристиката на Ge фотодиод е в дясно от характеристиката на Si фотодиод.
На фиг. 6.21 е показано свързването на фотодиода в схема с товарно съпротивление, а на фиг.6.22 е начертана товарната права върху волт-амперните характеристики. От фигурата се вижда, че на практика фототока е независим от големината на приложеното обратно напрежение, което ни дава основание да представим фотодиода с опростената еквивалентна схема на фиг. 6.23. Схемата съдържа два източника на ток — първият представя обратния ток на рп прехода, а вторият — фототокът, чиято стойност е правопропорционална на светлинния поток.
80
60
40
20
Фиг. 6.20. Спектрални характеристики на Si и Ge фотоДиоДи
Фиг. 6.21. Свързване на фотоДиоД в схема с товарно съпротивление
Фиг.
6.22. Товарна права за схемата от фиг. 6.21 катод
анод
Фиг. 6.23. Опростена еквивалентна схема на фотоДиоД
Фотодиодите се характеризират с най-високо бързодействие от всички фотоприемници. Времената на превключване при тях са в диапазона от 10 до 10-9 s. Това ги прави много подходящи за приложение в схеми, работещи до честоти няколко стотици мегахерци.
PIN фотодиодите са конструктивен вариант на стандартните фотодиоди с рп преход. Характеризират се с подобрени честотни свойства (до няколко десетки гигахерца), повишена чувствителност, по-широка спектрална характеристика и по-нисък собствен шум.
Лавинните фотодиоди са фотоприемници с выпрешно усилване. Работят с много малки фототокове, които се усилват, чрез използване на ефекта на ударната Йонизация. За целта, на диода се подава обратно напрежение, със стойност близка до пробивното, в резултат на което токоносителите нарастват лавинно и фототокът се увеличава.
6.34. Фотоелементи
Полупроводниковите фотоелементи преобразуват светлинната енергия в електрическа. По същество те представляват фотодиоди, работещи без източник на външно напрежение и генериращи собствено електродвижещо напрежение. Този режим на работа на фотодиодите се нарича фотоелементен или фотогенераторен режим.
Свързването на фотодиода във фотогенераторен режим е показано на фиг. 6.24. В този случай към фотоелемента не се подава външно напрежение. При осветяване, в рп прехода и съседните му области се генерират токоносители, които се разделят от вътрешното електрическо поле: електроните се натрупват в п областа, а дупките — в р областта (фиг. 6.24а). В резултат между тези области выниква допълнителна разлика в потенциалите (фото-е.д.н.) и през резистора R протича ток (фиг. 6246).
Ф
ph
Фиг. 6.24. Свързване на фотоДиоДа във фотогенераторен РОСИМ а — примерна структура; б — полярност на генерираното напрежение и посока на тока
Волт-амперните характеристики на фотоелемента са разположени в четвърти квадрант (фиг. 6.25). Точките на пресичане на характеристиките с оста на напрежение съответстват на напрежението на празен ход (R = 00) при различни осветености. За силициевите фотоелементи максималната стойност на е.д.н. е 0,5—0,55 У. Точките на пресичане с оста на токовете съответстват на стоЙностите на тока на късо съединение (R = О), които зависят от площта на прехода. В том си участьк характеристиките на фотоелемента съвпадат с най-десните точки от характеристиките на фотодиодното свързване (UR = О). Уравнението на товарната права за фиг. 6.246 е:
(3.7) =
-IphR, 
което
означава, че тя минава през центьра на координатната система. Накпонът б зависи
от стойностга на товарното съпротивление R. За всяка крива от фамилията
характеристики съществува оптимална стойност на товарното ph
съпротивление, за която генерираната изходна електрическа мощност Pph = ephlph е максимална.
Фиг. 6.25. Волт-амперни характеристики на Si фотоелемент
Фотоелементите се реализират най-често от Se и Si. Спектралните им характеристики са показани на фиг. 6.26.
Фиг. 6.26. Спектрадни характеристики на фотоелементи и светлинни източници
Селеновите
елементи са близки до спектралната характеристика на човешкото око и намират
приложение за автоматично експониране във видеокамерите и 
при устройства за
фотоелектрическо управление. Силициевите елементи имат максимум на спектралната
характеристика в инфрачервената област и се използват за детекция на
инфрачервени лъчи. Независимо от това, че тяхната спект
рална характеристика е изместена
спрямо спектьра на слънчевата светлина, те се използват и като захранващ
източник за космическите апарати, калкулатори и транзисторни приемници. Това се
дължи на много по-високия к.п.д. на Si фотоелементи спрямо Se.
Коефициентьт на полезно действие на фотоелемента е отношението на максималната мощност, която може да се получи от него, към пълната мощност на лъчистия поток, падаща върху повърхността му. При облъчване с монохроматична светлина, отговаряща на максимума на чувствителността на Si фотоелементи, к.п.д. е около 40—50 70. При преобразуване на слънчевата светлина в електрическа енергия, к. п. д. на силициевите фотоелементи достига около 20 70. Типичните стойности на тока на късо съединение на Si фотоелементи при нормална слънчева осветеност е 20—25 тА/ст2 , а при оптимален товар — 15—20 тА/ст2 . Във втория случай (оптимален товар) генерираното напрежение е от порядъка на 0,35—0,4 У. С повишаване на температурата, изходната мощност на фотоелемента намалява. Това се дължи главно на намаляването на напрежението на празен ход (отрицателният температурен коефициент на напрежението в права посока, характерен за полупроводниковите диоди).
6.3.5. Фототранзистори
Както видяхме в гл. З, при включване на биполярния транзистор, съгласно фиг. 6.27а, през него протича обратен ток = (Р + 1)Кво.
в
с
а)
Фиг. 6.27. а — схема за опреДеляне на обратния ток ICE0,• б — примерна конструкция и свързване на фототранзистор в статичен режим
При маломощните и средномощните транзистори, този ток е много мальк и обикновено се пренебрегва при анализите и изчисленията на режимите на работа на транзистора. Принципы на действие на фототранзисторите се основава на увеличаване на тока през обратно свързания колекторен преход, при облъчването му със светлина (фиг. 6.276). За целта колекторният преход е открит за светлината, чрез леща или прозорче, което позволява, при облъчване, в него да се генерират свободни електрони и дупки. Това води до повишаване на• обратния ток на колекторният преход (аналогично на фотодиода), а от там и на тока вы веригата:
(3.8) 
сво) (Р +
1)Iph + = (9+1)Iph.
Следователно, при фототранзистора, фототокът на прехода база-колектор_ се увеличава до няколкостотин пъти. Това означава, че интегралната чувствителност на транзистора е ф + 1) пъти по-голяма от тази на фотодиода и може да достигне стотици милиампери на лумен. На фиг. 6.28 са показани условното графично означение и опростената еквивалентна схема на фототранзистор.
с
в
а) б)
Фиг. 6.28. Фототранзистор а — условно графично означение; б — опростената еквивалентна схема на фототранзистор
Фиг. 6.29. Волт-амперни характеристики на фототранзистор при отворена база
Волт-амперните характеристики на фототранзистора при отворена база са показани на фиг.
6.29. Те са аналогични на изходните характеристики в схема с общ емитер, но параметьрът е светлинният поток, а не токът на базата. При нулева стойност на светлинния поток, токът е равен на lCE0, който се нарича ток на тьмно. При увеличаване на осветяването многократно нараства и токът. Трябва да се отбележи, че зависимостта на фототока от осветеността е нелинейна — по-големите изменения на тока се проявяват при поголемите стойности на осветеностга.
Многократно
повишаване на интегралната чувствителност на фототранзистора може да се
постигне чрез съставен транзистор, свързан по схема Дарлингтон (фиг. 6.30).
Такъв транзистор има повишена стойност на коефициента на усилване на базовия
ток р =
с
с
в
в
а) 6)
Фиг. 6.30. Съставен фототранзистор:
а — условно графично означение; б — опростената еквивалентна схема
Фототранзисторы е по-инертен от фотодиода. Висока чувствителност и добро бързодействие се постигат при свързване на фотодиод с високочестотен транзистор, по аналогия с еквивалентната схема от фиг. 6.286.
Фототранзисторите намират приложение главно като датчици за автоматиката и като фотоприемници в оптроните. При тях базовият извод може да се свърже допълнително към външно напрежение, което повишава възможностите за управление на тока във веригата.
В практиката, освен биполярни, се използват и полеви фототранзистори.
6.3.5. Фототиристори
Фототиристорът
се отличава от обикновения тиристор по това, че слоят 
е открит за външното светлинно
лъчение (фиг. 6.31). При осветяването му концентрацията от електрони и дупки се
повишава, което довежда до отпушване на колекторния преход и превключване на
тиристора. На фиг. 4.12 са показани волт-амперната характеристика и условното
графично означение на фототиристор. Колкото по-голям е светлинният поток, при
толкова по-ниско напрежение се включва тиристоры.
Фототиристорите се използват като бързи безконтактни превключватели за големи напрежения и мощности.
Фиг.
Ф6.31. Примерна
конструкция на фототиристор
6.4. Оптрони
Оптроните са полупроводникови елементи, които съчетават в една конструкция източник на светлина и фотоприемник. Най-често за източник на светлина се използва светодиод, работещ в инфрачервената област. Той преобразува входния електрически сигнал в светлинен. Светлинният сигнал се предава до фотоприемника чрез веригата за оптична връзка. Тя представлява прозрачна среда, която може да се реализира чрез специален пластмасов световод или в най-простия вариант — чрез въздушна междина. След като достигне до фотоприемника, светлинният сигнал се преобразува отново в електрически. За правилната работа на оптроните е необходимо спектралните характеристики на излъчвателя, приемника и оптичната среда да бъдат много добре съгласувани.
В
зависимост от използвания фотоприемник оптроните се класифицират като:
фоторезисторни, фотодиодни, фототранзисторни и фототиристорни. Условното
графично означение на основните варианти на оптроните е показано на фиг. 6.32. 
г) Д) е)
ж)
Фиг. 6.32. Условно графично означение на оптрони а — с фоторезистор; б — с фотоДиоД; в — с фототранзистор; г — със съставен транзистор; д — с фотоДиоД и транзистор; е — с фототиристор; ж — с полеви фототранзистор
Оптроните са основни елементи на оптоелектронните схеми. Използуването им за предаване на информация има съществени предимства. Най-важните от тях са:
—
липса на електрическа връзка между входа и изхода; 
широка лента на пропускане в
честотния обхват от звуковите до инфрачервените и светлинните выни (от нула до
10 13—10 14 Hz); 
възможност за галванично разделяне на
електрически вериги; 
висока шумоустойчивост на оптичния канал (не се
влияе от външни електромагнитни полета); 
еднопосочност на потока информация и отсъствие
на обратно выдействие на фотоприемника върху източника на излъчване;
възможност
за директно управление от съвременните микропроцесорни интегрални схеми.
Конструктивно
излъчвателят и приемникът в оптроните се вместват в общ корпус и се заливат с
оптически прозрачна смола. Трите най-разпространени конструкции на оптрони (с
вырешен канал за подаване на светлината, с отражателен канал и с въздушен
световод) са показани на фиг. 6.33.
Пластмасов корпус
Прозрачно
епоксидно лепило
Si приемник
а)
Въздушен
Фотоприемник световод
С д
б) в)
Фиг. 6.33. Основни конструкции на оптрони а — с выпрешен канал за поДаване на светлината; б — с отражателен канал в — с възДушен световоД
Статичните характеристики на оптроните са:
• Входни характеристики IF — съвпадат със волт-амперната характеристика на използвания светодиод (вж. фиг. 6.4).
• Изходни характеристики Iph при IF = const. Получават се от съответните изходни характеристики на фотоприемника, чрез заместване на параметъра за осветеност Ф, lrn с тока през светодиода IF, ТА. На фиг. 6.34 е показана примерната изходна характеристика на фотодиоден оптрон.
• Предавателни характеристики — представят връзката между изходния ток на фотоелемента и входния ток на светодиода, при параметър изходното напрежение. На фиг. 6.35 е показана предавателната характеристика на фоторезисторен оптрон Rph = ЛК), на фиг. 6.36 — на фотодиоден оптрон Iph = = const и на фиг. 6.37 — фототранзисторен оптрон Icph UcE=const •
4,
ТА
Фиг. 6.34. Примерна изхоДна характеристика Фиг. 6.35. Примерна преДавателна на фотоДиоДен оптрон характеристика на фоторезисторен оптрон
|
Uphl >Uр» |
ph3 |
ph
Л, ТА
Фиг. 6.36. Примерна преДавателна характеристика на фотоДиоДен оптрон
Основните параметри на оптроните са: • Ток на тьмно IphDARk, който протича през изхода при липса на входен ток. Стойностга му е близка до нула.
• Коефициент на предаване на тока — дефинира отношението между изходния и входния ток при фотодиодите и фототранзисторите. Обикновено се изразява в проценти. За фотодиодните оптрони максималните му стойности са около няколко процента, докато при фототранзисторните типичните му стойности са между 30-40 70.
• Бързодействие на оптроните се дава от времето на включване ton и времето на изключване toff. В зависимост от конкретния оптрон, тези стойности се променят от няколко десетки наносекунди до стотина микросекунди. Най-голямо бързодействие имат фотодиодните оптрони.
I ТА
СРЮ
50
40
20
10
20 40 60 80 100 Л, ТА
Фиг. 6.37. Примерна преДавателна характеристика фототранзисторен оптрон
Оптроните намират много широко приложение в системите на автоматиката и телеуправлението, за галванично развързан интерфейс в медицинската техника, като елементи на свръхскоростните оптически комуникационни системи, в компютьрните системи и др.
Контролни
въпроси
1. На кой физически ефект се основава принципa на действие на светодиода?
2. Сравнете свойствата и приложението на инфрачервените и индикаторните светодиоди.
3. Дефинирайте характеристичните параметри на фотодиода във фотодиоден фотогенераторен режими.
4. Защо фотодиодa има най-голямо бързодействие?
5. Защо чувствителностга на фототранзистора е по-голяма от тази на фотодиода?
6. Какви са предимствата и недостатьците на оптроните?
