Основные характеристики фототранзисторов

Вольт – амперные характеристики (рисунок 3.9) напоминают выходные характеристики биполярного транзистора в схеме с ОЭ, только параметром служит не ток базы, а световой поток Ф или фототок.

Рисунок 3.9 - Вольт – амперная характеристика фототранзистора

Энергетические характеристики и спектральные характеристики подобны характеристикам фотодиода.

Токовая чувствительность – отношение изменения электрического тока на выходе фототранзистора к изменению «входного» светового потока при холостом ходе на выходе и коротком замыкании на входе:

(3.4)

Коэффициент усиления по фототоку К_уф=(1+h_21э) в промышленных фототранзисторах он достигает (1…6)∙10² и может быть найден как отношение фототока коллектора фототранзистора со свободной базой к фототоку коллекторного p-n-перехода, измеренному в диодном режиме (при отключенном эмиттере) при том же значении светового потока.

Ширина полосы пропускания у биполярных фототранзисторов достигает 10⁴…10⁵ Гц.

Полевые фототранзисторы

Кроме фототранзисторов p-n-p- и n-p-n - типов в качестве высокочувствительных фотоприемников можно использовать полевые фототранзисторы (рисунок 3.10). Они имеют высокую фоточувствительность (до нескольких ампер на люмен), широкую полосу пропускания (10⁶…10⁸ Гц), значительную мощность рассеяния. По своим выходным характеристикам они ближе к фоторезисторам, чем к биполярным транзисторам. Полевой фототранзистор выполняется с управляющим p-n–переходом и, так же как обычный полевой транзистор, имеет три электрода: исток, сток и затвор (рисунок 3.10).

Рисунок 3.10 - Структура полевого фототранзистора

Объем полупроводника между стоком и истоком образуют проводящий канал. Затвор отделен от канала p-n-переходом, область объемного заряда которого модулируется потенциалом затвор-исток. Переход затвор-канал можно рассматривать как фотодиод, фототок которого вызывает падения напряжения на резисторе R₃ включенном в цепь затвора (рисунок 3.11,а) При Е_з=const это приводит к модуляции потенциала затвора и соответствующим изменениям сопротивления канала.

Энергетические характеристики полевого транзистора показаны на рисунке 3.11,б. При малом световом потоке Ф<Ф_min и Е_з=Е_з1=const транзистор практически заперт и ток стока близок к нулю. При Ф>Ф_min в цепи стока протекает ток, значение которого зависит от светового потока. До Ф=Ф_mах энергетическая характеристика близка к линейной. При большом световом потоке Ф>>Ф_mах влияние напряжения затвора становится малым и его изменения почти не влияют на ток стока, который близок к максимальному значению.

Инерционность полевого фототранзистора определяется инерционностью фотодиода в области затвора и временем пролета носителей заряда через канал и оценивается значениями 10^-6…10^-9с. Граничная частота полевых фототранзисторов находится в пределах 10⁷-10⁸ Гц.

Рисунок 3.11 - Схема включения полевого фототранзистора в цепь (а) и энергетические характеристики (б)

Фототиристоры

Фототиристоры используются для коммутации световым сигналом электрических сигналов большей мощности. Они представляют собой фотоэлектрические аналоги управляемого тиристора. Одна из возможных конструкций фототиристора показана на рисунке 3.12.

Рисунок 3.12 - Эпитаксиально – планарная конструкция фототиристора

Фототиристор имеет четырехслойную p-n-p-n – структуру (рисунок 3.13), у которой переходы П₁ и П₃ смещены в прямом направлении, а коллекторный переход П₂ – в обратном. Свет обычно падает на обе базы тиристора – слои p₂ и n₁. При этом с ростом освещенности возрастают эмиттерные токи, что приводит к увеличению коэффициентов a. Другими словами, основное отличие фототиристоров от обычных тиристоров заключается в том, что в фототиристорах коэффициенты передачи тока a, хотя и косвенно, являются функцией освещенности. Сопротивление фототиристора изменяется от 10⁸ Ом (в запертом) до 10^-1 Ом в открытом состоянии. Время переключения тиристоров лежит в пределах 10^-5…10^-6с.

Рисунок 3.13 - Схема подключения к фототиристору напряжения (а) и вольт-амперная характеристика (б)

Таким образом, фототиристоры позволяют с помощью светового луча управлять значительными мощностями.

Фотоприемники с внешним фотоэффектомприменяютсявоптоэлектронике, когда требуется получить максимальные быстродействие и чувствительность. Для решения этих задач, как правило, применяют фотоумножители. Они представляют собой вакуумный прибор, в котором имеется фотокатод, анод и группа электродов, называемых анодами вторичной эмиссии,которые расположены последовательно.

Аноды вторичной эмиссии характеризуются тем, что один упавший на них электрон выбивает несколько (4... 10) вторичных электронов.

При освещении фотокатода 1 (рисунке 3.14)из него выбиваются электроны (внешний фотоэффект).Они с ускорением летят к первому аноду вторичной эмиссии, на котором относительно катода имеется положительный потенциал. Ударяясь в него, электроны выбивают несколько вторичных электронов, которые летят ко второму аноду вторичной эмиссии, имеющему более высокий положительный потенциал. Падая на него, каждый электрон выбивает несколько вторичных электронов. Каждый последующий анод вторичной эмиссии имеет более высокий потенциал, чем предыдущий, количество электронов, летящих к аноду, непрерывно увеличивается и ток анода становится во много раз больше тока катода. Коэффициент усиления может достигать 10⁴...10⁸. Напряжение питания фотоумножителей Е берется большим (порядка 1400...1700 В). Требуемое электрическое поле обеспечивается с помощью резистивного делителя напряжения.Темновой ток 5∙10^-9 А. Число анодов вторичной эмиссии 10...12. Чувствительность катода 25... 100 мкА/лм, чувствительность анода 10...2000 А/лм.

Рисунок 3.14 - Включение фотоумножителя с пятью анодами вторичной эмиссии:

1 — фотокатод; 2 — аноды вторичной эмиссии; 3 — анод

Контрольные вопросы

1. Назовите общие характеристики для фотоприемников.

2. Объясните принцип действия фотонных фотоприемников.

3. Объясните принцип действия тепловых фотоприемников.

4. Назовите фотоприемники, работающие на внутреннем фотоэффекте

5. Назовите фотоприемники, работающие на внешнем фотоэффекте

6. Что такое внутренний фотоэффект?

7. Что такое внешний фотоэффект?

8. Объясните принцип работы фоторезистора.

9. Объясните принцип работы фотодиода.

10. Объясните принцип работы фототранзистора.

11. Назовите характеристики фоторезистора.

12. Назовите характеристики фотодиода.

13. Назовите характеристики фототранзистора.

14. Назовите виды фотодиодов. За счет чего достигается увеличение быстродействия фотодиода?

15. Объясните принцип работы фототиристора.

16. Объясните принцип работы фотоприемников с внешним фотоэффектом.

17. Какие фотоприемники охватывают самый широкий спектральный диапазон? Чему он равен?

4 Системы визуального преобразования информации

Устройства отображения информации применяются в системах, где информацию требуется представить в форме, удобной для визуального восприятия. Их основными компонентами являются приборы, обеспечивающие преобразование электрических сигналов в пространственное распределение яркости излучения или в распределение степени пропускания или поглощения светового излучения. С помощью этих приборов из электрических сигналов получают видимое изображение букв различных алфавитов, цифр, геометрических фигур, в том числе и объемных, различных знаков, сплошных или дискретных полос, мнемосхем и пр.

Индикаторы являются составными частями средств отображения информации (СОИ).

В состав средств отображения информации входят две функционально различные части:

- Светоконтрастный растр, который непосредственно воздействует на наблюдателя.

- Схема управления - комплекс средств электронного обрамления, осуществляющих необходимую обработку поступающей в электрической форме информации и эффективное управление светоконтрастным растром. Светоконтрастный растр входит в состав индикатора, который представляет собой прибор, отображающий ход процесса или состояние объекта наблюдения в форме, удобной для зрительного восприятия человеком.