Оптоэлектронные приборы. Знакосинтезирующие индикаторы. Электровакуумные приборы, страница 2

При произвольном сопротивлении нагрузки, когда напряжении на р-п переходе равно напряжению на выходе, т. е. U=U_вых =I_общR_н общий ток определяется из выражения

I_общ=I_ф - I₀(e^Uвых/φт – 1),

а напряжение на выходе

U_вых=φ_тln(1+(I_ф-I_общ)/I₀)

В режиме холостого хода, когда Rн=  (Iобр=0), выходное напряжение есть фото-ЭДС (U_вых=Е_ф). Оно определяется из выражения:

где S_ф=I_ф/Ф - интегральная чувствительность. Зависимость Е_ф=f(Ф) приведена на рис.

Фото-эдс кремниевых фотоэлементов составляет 0,5В при токе короткого замыкания 25мА, при освещаемой площади 1см². К сожалению, КПД фотогальванических элементов не превышает 15...20% при удельной мощности порядка 1...2 кВт/м². Тем не менее, фотогальванические элементы, соединенные в последовательные и параллельные цепи изготавливают в виде плоских конструкций, называемых солнечными батареями. Солнечные батареи широко применяют для питания аппаратуры на космических объектах.

7.1.2. Фототранзисторы:

По своей структуре фототранзистор (ФТ) аналогичен биполярному, в котором переход коллектор – база представляет собой фотодиод.

На рис. приведены условное обозначение, эквивалентная схема, схема включения и семейство ВАХ фототранзистора.

Конструктивно ФТ выполнен так, что световой поток освещает область базы. В результате поглощения световой энергии, в ней генерируются электронно-дырочные пары. При этом неосновные носители втягиваются в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора, а в базе остаются основные носители заряда. Это создает их избыточный заряд, что увеличивает прямое смещение на эмиттерном переходе. Это приводит к росту инжекции неосновных носителей заряда в базе из области эмиттера. Сравнивая, вольтамперные характеристики фотодиода видим, что они ничем не отличаются от выходных характеристик биполярного транзистора в схеме с общей базой. Это не случайно. Характеристики фотодиода при Ф = 0 и характеристики транзистора при Iэ= 0 - это характеристики запертого р-п перехода (в транзисторе - коллекторного перехода).

При Iэ≠0 в базе биполярного транзистора растет концентрация неосновных носителей и соответственно растет ток коллектора (обратный ток коллекторного перехода). Разница же только в том, что в транзисторе концентрация неосновных носителей в базе растет за счет инжекции их из эмиттера, а в фотодиоде - за счет генерации носителей под действием света.

При включении ФТ по схеме с ОБ уравнение для токов имеет вид

I^б_{общ к}=h_21бI^б_э+I_к0+I^б_фк

При включении ФТ по схеме с ОЭ уравнение для токов имеет вид

I^б_{общ к}=h_21эI^э_б+I^*_к0+(1+h_21э)I^б_фк.

Так как, h_21э-десятки, сотни единиц, то ток фотодиода I^б_фк увеличивается в соответствующее число раз.

Основные параметры и характеристики ФТ и фотодиода аналогичны.

Основные достоинства фототранзисторов – высокая световая чувствительность, электрическая и технологическая совместимость с биполярными транзисторами.

Недостатки фототранзисторов:

1.Малое быстродействие, граничная частота f_гр=10³-10⁵Гц.

2.Высокая зависимость от температуры темнового тока.

7.1.3. Фототиристоры

Это полупроводниковые приборы используемые для коммутации световым сигналом электрических цепей большой мощности.

Условное обозначение, схема включения и ВАХ приведены на рис. .

Конструктивно выполнено так, что свет попадает на обе области базы тиристора. При этом с ростом освещенности возрастают эмиттерные токи, что приводит к возрастанию коэффициентов α и включению тиристора.

Темновое сопротивление – 10⁸ Ом (запертое состояние), сопротивление во включенном, открытом состоянии до 10^-1 Ом. Время переключения 10^-5 – 10^-6  сек.

7.2 Светоизлучающие приборы

Светоизлучающие приборы используются как управляемые источники света или как индикаторные устройства отображения информации.

Все источники света можно разделить на активные и пассивные. Активные - сами создают световой поток, а пассивные можно использовать только в режиме внешней подсветки.

В основе работы всех излучателей света лежат следующие физические явления:

1.  температурное свечение – свечение нагретого тела (накальные индикаторы);

2.  излучение, сопровождающее газовый разряд в газах (газоразрядные индикаторы);

3.  электролюминесценция – это световое излучение, возникающее при воздействии электрического поля или тока;

4.  индуцированное излучение.

7.2.1. Светоизлучающие диоды

Это приборы на основе p-n-перехода. Они относятся к электролюминесцентным источникам света, их называют инжекционными светодиодами или просто светоизлучающими диодами (СИД).

СИД – представляет собой p-n-переход, свечение в котором возникает при протекании прямого тока.

Протекании прямого тока сопровождается инжекцией неосновных носителей заряда в базу с последующей их рекомбинацией. При рекомбинации электрон из зоны проводимости переходит в валентную зону, что сопровождается выделением энергии. Обычно это безизлучательный процесс с выделением энергии, за счет соударений электрона с атомами решетки, в виде тепла, которое идет на нагревание кристалла (Ge, Si). Однако, в ряде случаев (в определенных материалах GaAs, GaSb, InAs, InSb и т.д.), такой переход происходит без соударений и сопровождается выделением кванта света с длиной волны λ=К/ΔЕ, где К – постоянный коэффициент; ΔЕ – ширина запрещенной зоны.

Цвет излучения зависит от материала примесей т.е. ΔЕ. Светодиоды изготовляют из фосфида галлия, арсенида галлия и карбида кремния.

Основные характеристики и параметры светодиода:

1.  Вольтамперные характеристики светодиодов показаны на рис. 7.9. Ее параметры: прямой номинальный ток,I_пр.ном., постоянное прямое напряжение.

2. Яркостная характеристика - зависимость яркости от тока имеет вид рис. 7.10. Максимально излучаемая мощность,P_{изл.макс}

3._. Типичный вид спектральных характеристик диодов зеленого, желтого и красного свечения показан на рис. 7.11. Длина излучаемой волны l-

Светодиоды широко используют в качестве индикаторов в устройствах визуального отображения информации, а также в качестве источников света в оптических системах передачи информации. Бывают: