8.Оптоэлектронные полупроводниковые приборы

1.

Глава 7. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ПРИБОРЫ

2.

• Оптоэлектронный
полупроводниковый
прибор
—
это
полупроводниковый прибор, чувствительный к электромагнитному
излучению в оптическом диапазоне спектра, или излучающий
электромагнитную энергию в том же диапазоне, или использующий
электромагнитное излучение для своей работы.
• Оптический диапазон спектра электромагнитных волн: интервал длин
• волн от 1 мм до 1 нм.
• Три поддиапазона: ультрафиолетовый (1нм — 0,38мкм), видимый
(0,38 — 0,78 мкм) и инфракрасный (0,78 мкм — 1 мм).
• Рабочий диапазон полупроводниковых приборов - область длин волн
0,2 — 20 мкм.

3.

7.1 Классификация оптоэлектронных
приборов
• Полупроводниковые излучатели
• Приемники излучения
• Оптопары
• Оптоэлектронные интегральные микросхемы

4.

Полупроводниковый излучатель — это оптоэлектронный полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию
в энергию электромагнитного излучения в оптическом диапазоне спектра.
• Некогерентные
полупроводниковые
излучатели
видимой
области
спектра
—
полупроводниковые
приборы
отображения
информации,
полупроводниковые излучатели инфракрасной области спектра —
инфракрасные излучающие диоды.
• Когерентные
полупроводниковые лазеры с различными видами возбуждения, которые
могут излучать электромагнитные волны с определенной амплитудой,
частотой, фазой, направлением распространения и поляризацией.

5.

Полупроводниковый
приемник
излучения
—
это
оптоэлектронный
полупроводниковый
прибор,
чувствительный к электромагнитному излучению
оптического диапазона или преобразующий энергию
электромагнитного
излучения непосредственно
в
электрическую энергию.
• В соответствии с различным характером взаимодействия
оптического излучения с веществом
• тепловые
• фотоэлектрические.

6.

• В тепловых приемниках поглощенная энергия увеличивает
тепловую энергию кристалла, следствием чего является
изменение его физических свойств. К тепловым приемникам
оптического излучения относятся болометры, терморезисторы,
пироэлектрические приемники, термоэлементы.
• Работа фотоэлектрических приемников основана на внутреннем
фотоэффекте — образовании неравновесных носителей заряда
внутри полупроводниковой структуры под действием
оптического излучения. К фотоэлектрическим приемникам
излучения относятся фоторезисторы, фотодиоды, фотоэлементы,
фототранзисторы и фототиристоры.

7.

7.2. Полупроводниковые приборы отображения
информации и инфракрасные излучающие диоды
• По структуре и принципу действия полупроводниковые приборы
отображения информации разделяют на
• излучатели, имеющие выпрямляющие электрические переходы светоизлучающие диоды, полупроводниковые знаковые
индикаторы, шкалы и экраны, и
• электролюминесцентные порошковые и пленочные излучатели.

8.

• Светоизлучающий диод (СИД, LED) - полупроводниковый диод,
предназначенный для преобразования электрической энергии в
энергию некогерентного светового излучения.
• Полупроводниковые индикаторы, шкалы и экраны - специально
организованные
группы
полупроводниковых
излучающих
элементов
• Полупроводниковый излучающий элемент – часть
полупроводникового прибора отображения информации,
состоящая из излучательной поверхности и контакта для
подключения к электрической схеме элементов.

9.

Полупроводниковый знаковый индикатор – это полупроводниковый
прибор отображения информации, состоящий из полупроводниковых
излучающих элементов, предназначенный для представления
информации в виде знаков и организованный в один или несколько
разрядов. Например, индикатор, приведенный на рис.7.1 состоит из
восьми
излучающих
элементов
в
одном
монокристалле
полупроводника.

10.

Полупроводниковая шкала – это полупроводниковый прибор
отображения информации, состоящий из излучающих элементов и
предназначенный для представления аналоговой информации.
Структура шкалы представляет собой либо несколько СИД,
расположенных вдоль одной линии, либо несколько p-nпереходов, расположенных по одной линии на общей подложке.
Полупроводниковый экран – полупроводниковый прибор
отображения информации, состоящий из излучающих элементов,
расположенных в виде матрицы, содержащей n строк, и
предназначенный для представления аналоговой и цифровой
информации.

11.

Принцип действия приборов связан с самопроизвольной
излучательной рекомбинацией носителей заряда, инжектируемых
через выпрямляющий переход при протекании прямого тока.
Межзонная рекомбинация: ΔE ≈ ΔEg
фотоны, освободившиеся при рекомбинации – кванты видимого
света, ширина запрещенной зоны исходного полупроводника
должна быть относительно большой (ΔEg >1,8 эВ).
Для изготовления излучателей видимого диапазона используются
следующие основные полупроводниковые материалы: фосфид
галлия (GaP), карбид кремния (SiC), твердые растворы галлиймышьяк-фосфор
(GaAsP) и галлий-мышьяк-алюминий (GaAsAl), нитрид галлия (GaN)
и ряд других двойных и многокомпонентных соединений.

12.

Меньшая ширина запрещенной зоны исходного полупроводника —
инфракрасная область излучения.
Разница между приборами визуального представления информации и
инфракрасными излучающими диодами — только в отличии исходного
полупроводникового материала.
• Энергетическая эффективность (коэффициент полезного
действия) п/п излучателей:
• квантовый выход η – отношением числа излученных фотонов к числу
рекомбинировавших пар носителей заряда.
• Внутренний квантовый выход ηi – эффективность излучения
непосредственно в p-n-переходе.
• Внешний квантовый выход ηe – эффективность излучения на
поверхности
кристалла полупроводника.
ηi <100%. GaAs1-xPx при x=0…0,45. GaAs ηi ~100%

13.

Конструкция и технология изготовления
• Внешний квантовый выход ηe намного меньше, чем ηi
Причина: поглощение фотонов в полупроводнике и полное внутренние отражение фотонов на границе
раздела полупроводника и окружающей атмосферы.
• Критический угол полного внутреннего отражения
преломления полупроводника, обычно не превышает 17°.
где nП – коэффициент

14.

Основные характеристики и параметры
• Фотометрические:
Сила света Iυ– излучаемый световой поток, приходящийся на единицу
телесного угла в направлении, перпендикулярном плоскости излучающего
кристалла. Указывается при заданном значении прямого тока и измеряется в
канделах (кд).
Яркость излучения L - отношение силы света в заданном направлении к
площади светящейся поверхности. Измеряется в канделах на квадратный метр
(кд/м2) при заданном значении прямого тока.
Видность V - это отношение светового потока Φ (оцениваемой глазом
мощности) к истинной полной мощности лучистой энергии ΦЭ . Максимальное
значение видности, соответствующее максимальной чувствительности зрения,
приходится на длину волны 0,555 мкм. Для стандартного фотометрического
наблюдателя 1 Вт лучистой энергии в максимуме чувствительности глаза
соответствует 680 лм.
Относительная видность — отношение видности света заданной длины волны
к максимальной видности.

15.

Зависимость относительной видности от длины волны представляет собой функцию спектральной
чувствительности (спектральной световой эффективности) (рис.7.3).
Два излучателя с длиной волны излучения 0,650 мкм (красный свет) и 0,555 мкм (зеленый свет),
обладающие одинаковой мощностью излучения, и равными поверхностями свечения имеют разные
яркости. Яркость излучателя зеленого цвета свечения в 10 раз больше, чем яркость красного.

16.

Яркостная характеристика – зависимость яркости излучения от
протекающего через излучатель прямого тока.

17.

Спектральная характеристика – зависимость мощности
излучения от длины волны

18.

Различия прямых ветвей ВАХ излучателей из разных материалов - различия в ширине запрещенной зоны. Для излучателей
видимой части спектра - полупроводники с большей шириной запрещенной зоны, чем у кремния - их ВАХ сдвинуты вправо большие значения прямого напряжения.
Нижний предел рабочего напряжения (пороговое напряжение) - энергия излучаемых квантов. Для приборов отображения
информации: 2,5-3,5 В.
Верхний предел рабочего напряжения - допустимая рассеиваемая мощность.
Обратные ветви ВАХ практического интереса не представляют, т. к. излучатели с выпрямляющими переходами работают при
смещении в прямом направлении.
! Пробивные напряжения излучателей малы из-за малой толщины переходов и не превышают нескольких вольт.

19.

Инерционность излучателей – перезаряд паразитной емкости
Время нарастания импульса излучения и время спада импульса
излучения: измеряются между уровнями 0,1 и 0,9 от
максимальной величины яркости.
Единицы – десятые доли микросекунды < инерционность зрения
(около 50 мс)
– для приборов отображения информации
несущественны
Для ИК излучающих диодов (обработка информации без ее
визуализации) времена нарастания и спада импульса излучения –
одни из основных параметров.

20.

7.3. Фоторезисторы
Фоторезистор – полупроводниковый резистор, действие которого основано на
фоторезистивном эффекте.
Фоторезистивный эффект – изменение электрического сопротивления полупроводника,
обусловленное действием оптического излучения.
• собственное поглощение оптического излучения с образованием электронно-дырочных
пар
• Примесное поглощение с образованием свободных носителей заряда одного знака.
• В результате увеличения концентрации носителей заряда и уменьшается сопротивление
полупроводника.

21.

• полупроводниковый фоточувствительный слой – монокристаллическая или
поликристаллическая пленка п/п, нанесенная на диэлектрическую подложку.
• Сульфид кадмия, селенид кадмия или сульфид свинца.
• Темновая проводимость при световом потоке Φ = 0:
σт = qe μnn0 + μpp0 , (7.2)
где n0 , p0 - равновесные концентрации электронов и дырок.
• Облучение ф/ч слоя ФР: генерация неравновесных носителей заряда.
+ рекомбинация.
Динамическое равновесие: избыточные концентрации Δn электронов и Δp дырок. Из
уравнения непрерывности для стационарных условий
Δn =Gτn , (7.3)
где G - темп генерации неравновесных носителей заряда за счет поглощения
фотонов.

22.

G = (1−R)αфνΦ, (7.4)
где R - коэффициент отражения фотонов от поверхности; ν - квантовая эффективность
генерации; αф – показатель поглощения.
Квантовая эффективность генерации – отношение числа возникающих пар носителей
заряда к числу поглощенных фотонов.
Показатель поглощения αф – относительное изменение потока фотонов в слое
полупроводника единичной толщины (характеризует поглощение фотонов в
полупроводнике):
откуда
Т.о., αф – величина, обратная толщине слоя полупроводника, после прохождения
которого поток фотонов уменьшается в е раз (рис. 7.8).

23.

• Избыточная концентрация
• Фотопроводимость
• Полная проводимость
Если к фоторезистору приложено напряжение, то через него будет протекать ток (рис. 7.9),
равный сумме темнового тока Iт и фототока Iф

24.

где a,b – толщина и ширина фоточувствительного слоя; L - расстояние между электродами.
Фототок
соответствует прохождению через внешнюю цепь Iф /qe электронов в единицу времени. Число электронов,
возникающих в объеме фоточувствительного слоя из-за поглощения фотонов, равно abL(1−R)αфνΦ.

25.

Коэффициент усиления фоторезистора – отношение числа прошедших во внешней цепи
электронов к числу электронов, возникших в фоточувствительном слое
где
-
- время пролета носителей между электродами;
υдр - дрейфовая скорость движения носителей заряда.
Нужны материалы с высокими τn, μn и нужно уменьшать tпрол
KI = 103 – 104
Основные характеристики и параметры
ВАХ фоторезистора – зависимость тока от напряжения при постоянном световом потоке
При Φ = 0 – зависимость темнового тока Iт от напряжения между электродами (Рис.7.11)

26.

Темновое сопротивление - сопротивление фоторезистора в отсутствии освещения (при Φ = 0):
Его принято определять через 30 с через после затемнения фоторезистора, предварительно
находившегося под освещенностью 200 лк.
Световая (люкс-амперная) характеристика – зависимость фототока Iф = I − Iт от падающего на
фоторезистор светового потока (рис.7.11).

27.

Спектральная характеристика фоторезистора – зависимость фототока от длины волны падающего
на фоторезистор света (рис.7.12).

28.

Удельная интегральная чувствительность – отношение фототока Iф к световому потоку Φ и
приложенному напряжению U :
(7.10)
K0 = 1 - 600 мА/(В·лм).
Постоянные времени τн нарастания и τсп спада фототока – интервалы времени, в течение
которых фототок изменяется после освещения или после затемнения в е раз по отношению к
установившемуся значению. Характеризуют скорость реакции фоторезистора на изменение
светового потока. Зависят от освещенности, температуры и ряда других факторов.
Диапазон числовых значений постоянных времени: десятки мкс – десятки мс.

29.

7.4. Фотодиоды
Фотодиод – фотоэлектрический приемник излучения на основе диодной структуры, действие которого
обусловлено фотогальваническим эффектом в обратно смещенном выпрямляющем переходе.
Фотогальванический эффект – явление возникновения фотоЭДС за счет разделения носителей заряда,
возникающих под действием оптического излучения, электрическим полем выпрямляющего
электрического перехода.
Выпрямляющие переходы фотодиодов: p-n-переходы, переходы Шоттки и гетеропереходы.
Принцип работы фотодиодов: фототок за счет разделения оптически генерируемых носителей.
Полный прямой ток, протекающий через фотодиод
Для теплового тока I0 насыщения p-n-перехода справедливо

30.

Поскольку фототок обусловлен избыточной концентрацией оптически генерируемых носителей,
которая выражается соотношением (7.6), то по аналогии с (7.16):
Таким образом, фототок прямо пропорционален световому потоку и не зависит от напряжения на
переходе.
Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода определяется зависимостью (7.15) и
представлено на рис.7.13, причем с учетом (7.17) параметром семейства характеристик является
световой поток.

31.

Фотодиод без внешнего напряжения – фотогальванический режим,
при обратном внешнем напряжении – фотодиодный режим.
В фотогальваническом режиме (IV квадрант семейства ВАХ) источник внешнего напряжения
отсутствует, а фотодиод работает как генератор фотоЭДС, значение которой зависит от
светового потока.
При разомкнутой внешней цепи между электродами фотодиода наводится фото-ЭДС,
называемая напряжением холостого хода Uхх . Из (7.15) с учетом I = 0 следует
В случае малых световых потоков Iф / I0 <1 и из (7.18)
В случае больших световых потоков Iф / I0 >>1

32.

При закорачивании освещенного фотодиода во внешней цепи протекает фототок короткого
замыкания Iкз . Из (7.15) с учетом U = 0
Подключение к освещенному фотодиоду нагрузочного резистора R приводит к возникновению
фотоЭДС Uф <Uхх и протеканию обратного тока фотодиода
• Фотодиодный режим – основной режим работы фотодиодов
У фотодиодов параметры и зависимости аналогичны параметрам и зависимостям фоторезисторов,
однако фотодиоды обладают существенными отличительными особенностями.
Световая характеристика, то есть зависимость фототока от светового потока, является линейной
(7.17).
Чувствительность фотодиода не зависит от приложенного обратного напряжения, поэтому фотодиод
характеризуют не удельной, как фоторезисторы, а просто интегральной чувствительностью:

33.

Фотодиоды по сравнению с фоторезисторами: малая инерционность
Параметры: постоянные времени нарастания и спада фототока и граничная частота модуляции
светового потока.
Физические факторы: время пролета неравновесных носителей заряда через базу, время их пролета
через область пространственного заряда и перезаряд барьерной емкости перехода.
Время полета носителей через базу можно оценить по формуле (2.94). Сплавные фотодиоды имеют
толщину базы порядка десятков, а диффузионные – единиц микрометров, следовательно, время
пролета носителей через базу составляет десятки и единицы наносекунд соответственно. Время
пролета носителей через ОПЗ
где δ - толщина ОПЗ; υmax - максимальная скорость дрейфа носителей заряда.
В Ge и Si υmax ≈ 5⋅106 см/с, толщина ОПЗ < 5 мкм, следовательно, τi ≈ 0,1нс.
Перезаряд барьерной емкости характеризуется постоянной времени
τб – порядка единиц наносекунд.

34.

Таким образом, инерционность сплавных фотодиодов определяется пролетом носителей заряда через
базу, а для диффузионных диодов все три рассмотренных фактора влияют на инерционность
практически одинаково.
Спектральная характеристика фотодиода со стороны больших длин волн ограничивается шириной
запрещенной зоны полупроводникового материала, а со стороны малых длин волн –
увеличением показателя поглощения и поверхностной рекомбинации носителей заряда.
Принцип действия фотодиодов на основе выпрямляющего перехода металл-полупроводник аналогичен
принципу действия фотодиода на основе p-n-перехода, однако существуют различия, которые
сказываются на характеристиках и параметрах.
1. Возможно поглощение фотонов с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника, в
металле.
2. С уменьшением длины волны и увеличением показателя поглощения в полупроводнике фотоны
продолжают поглощаться в области пространственного заряда, где существует электрическое поле.
Т.о., спектральная характеристика фотодиода на основе контакта металл-полупроводник значительно
шире, чем фотодиода на основе p-n-перехода.
3. Сопротивление базы фотодиода на основе контакта металл-полупроводник значительно меньше,
поэтому постоянная времени перезаряда барьерной емкости мала и инерционность определяется в
основном только временем пролета носителей через ОПЗ, которое составляет 0,1…0,01 нс. Это
позволяет использовать фотодиоды на основе перехода металл-полупроводник при СВЧ-модуляции
светового потока.

35.

7.5. Полупроводниковые фотоэлементы
Полупроводниковый фотоэлемент – фотоэлектрический приемник излучения с выпрямляющим
электрическим переходом, предназначенный для непосредственного преобразования световой
энергии в электрическую.
Принцип действия фотоэлемента – работа выпрямляющего электрического перехода в
фотогальваническом режиме.
Внешние источники питания отсутствуют, а фотоэлемент сам является источником энергии, генерируя
фото-ЭДС, значение которой зависит от величины светового потока.
Основные характеристики и параметры
Вольт-амперные характеристики фотоэлемента
У кремниевых фотоэлементов Uxx = 0,5-0,55 В, плотность
тока КЗ при средней освещенности – 20-25 мА/см2.
Eg (GaAs) > Eg (Si), поэтому Uxx(GaAs) > Uxx (Si), но ток КЗ
меньше.
Ток Iн и напряжение Uн фотоэлемента
Rн – сопротивление нагрузки – нагрузочная прямая из 0.
Площадь прямоугольника UнIн определяет мощность,
отдаваемую фотоэлементом в нагрузку.

36.

Rн = Rн,опт – максимальная мощность на нагрузке
Оптимальный режим работы ФЭ – наибольшая площадь прямоугольника с вершиной на ВАХ при
данной освещенности.
Для кремниевых фотоэлементов при оптимальной нагрузке напряжение на нагрузке Uн ≈ 0,35...0,4 В,
плотность тока через фотоэлемент jн =15...20 мА/см2.
Световые характеристики фотоэлемента – это зависимости напряжения холостого хода и тока
короткого замыкания от величины светового потока (рис.7.15).

37.

Спектральная характеристика (СХ) фотоэлемента – зависимость тока короткого замыкания от
длины волны излучения. СХ ФЭ аналогичны СХ ФД из того же материала. Максимум СХ Si ФЭ почти
соответствует максиму спектрального распределения энергии солнечного излучения.
Коэффициент полезного действия фотоэлемента – отношение максимальной мощности Pmax ,
которую можно получить от ФЭ, к полной мощности Pизл лучистого потока, падающего на рабочую
поверхность ФЭ
Потери ФЭ: световые (около 35%) и электрические (приблизительно 55%).
Световые потери: потери на отражение (8-20%), пассивные потери поглощения (10-20%) и
потери на пропускание (около 2%).
Электрические потери: рекомбинация неравновесных носителей заряда еще до их разделения
электрическим полем (особенно на поверхности кристалла), омические потери мощности при
протекании тока через объемное сопротивление базы, сопротивления омических контактов и
сопротивление утечки.
Непосредственное преобразование энергии солнечного света в электрическую энергию – солнечные
преобразователи. Солнечная батарея – совокупность электрически соединенных солнечных
преобразователей. Реальные КПД кремниевых преобразователей составляют 14-18%, а арсенидгаллиевых – 11%.

38.

7.6. Фототранзисторы и фототиристоры
Фототранзистор – фотоэлектрический приемник излучения на основе транзисторной структуры,
способный к внутреннему усилению фототока.
• биполярные фототранзисторы
• полевые фототранзисторы
C учетом Ib = 0
откуда

39.

Выходные вольт-амперные характеристики фототранзистора
Фототранзистор можно представить в
виде эквивалентного фотодиода и
усилительного транзистора (рис. 7.16,б),
который увеличивает чувствительность
эквивалентного фотодиода в (β +1) раз.

40.

Параметры биполярного фототранзистора
• Коэффициент усиления по фототоку – отношение фототока коллектора фототранзистора с
плавающей базой фототоку освещаемого p-n-перехода, измеренному в диодном режиме.
• Световая характеристика биполярного фототранзистора – зависимость тока коллектора от
светового потока.
• Интегральная токовая чувствительность фототранзистора – отношение изменения тока
коллектора фототранзистора к изменению потока излучения при холостом ходе на входе и
коротком замыкании на выходе по переменному току.
Для схемы с общим эмиттером
• Спектральные характеристики фототранзисторов аналогичны подобным характеристикам
фотодиодов.

41.

Полевой фототранзистор с управляющим переходом
IФ = IФК + IФИ + IФС , где IФК ,IФИ ,IФС фототоки переходов затвор-канал,
затвор-исток и затвор-сток
соответственно.
Фототок IФ создает на резисторе RЗ в
цепи затвора падение напряжения ΔUЗИ
= RЗIФ , которое вызывает увеличение
тока стока
ΔIС = SΔUЗИ = SRЗIФ.
Т.о., ПФТ эквивалентен фотодиоду
затвор-канал и усилительному ПТ с
управляющим переходом (рис.7.18,б).
Характеристики и параметры ПФТ
аналогичны по смыслу характеристикам и параметрам БПФТ.

42.

Параметры полевых фототранзисторов
• Коэффициент усиления фототока полевого транзистора
• Чувствительность по току полевого транзистора
где K - интегральная чувствительность эквивалентного диода затвор-канал.
Чувствительность ПФТ в KI раз выше чувствительности эквивалентного фотодиода: до 20-25
А/лм.
ПФТ: RВХ = 106-108 Ом + выбор сопротивления RЗ – обеспечение высокой чувствительности.
Инерционные свойства ПФТ: постоянная времени цепи затвора τЗ ≈ RЗСПЕР , где СПЕР - емкость
перехода затвор-канал.
Для малых световых потоков τЗ ≈10−7 с

43.

Фототиристоры
• Фототиристор – тиристор, напряжение включения которого уменьшается с увеличением
освещенности.

44.

Основные параметры фототиристора:
• Пороговый
поток
ΦПОР,
обеспечивающий гарантированное
включение фототиристора;
• минимальная
длительность
импульса
светового
потока,
обеспечивающая включение при
заданном световом потоке;
• время включения и выключения;
• рабочая длина волны.

45.

7.7. Оптоэлектронные пары
Оптоэлектронная пара (оптопара) – оптоэлектронный полупроводниковый прибор,
состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая
связь и обеспечена электрическая изоляция (гальваническая развязка).
Излучатели:
инфракрасный
излучающий
диод,
светоизлучающий
электролюминесцентный порошковый или пленочный излучатель.
диод,
ИК излучающий диод: высокий КПД, простота структуры и управления.
Рис. 7.21. Условные графические обозначения оптоэлектронных пар: а– резисторной, б –
диодной, в – тиристорной, г – транзисторной с биполярным фототранзистором, д –
транзисторной с однопереходным фототранзистором

46.

Основные параметры оптопар: входные электрические, выходные электрические, параметры
передачи, и параметры гальванической развязки.
Входные электрические параметры оптопары – электрический режим работы светоизлучателя.
Входное напряжение при заданном постоянном входном токе, номинальный входной ток и
максимальный входной ток через излучатель, максимальное входное обратное напряжение и
входная емкость.
Выходные электрические параметры – электрический режим работы фотоприемника.
Максимально допустимый выходной ток через фотоприемник во включенном состоянии
оптопары, максимально допустимое выходное обратное напряжение, выходная емкость. Для
диодных,транзисторных и тиристорных оптопар – темновой ток и выходное остаточное
напряжение (напряжение насыщения); для резисторных оптопар – выходное темновое
сопротивление.

47.

Параметры передачи – взаимосвязь входных и выходных сигналов на низких и высоких частотах, а
также частотные и импульсные свойства оптопар.
Коэффициент передачи оптопары, граничная частота входных сигналов, максимальная
скорость передачи сигналов, время нарастания и спада выходного импульса, время задержки
фронта импульса, время включения и выключения.
Различают статический
и дифференциальный
коэффициенты
передачи по току диодных и транзисторных оптопар.
Коэффициент резисторной оптопары – это отношение темнового и светового выходных
сопротивлений
Для тиристорной оптопары коэффициент передачи не имеет физического смысла.
Вместо него используют ток спрямления по входу – гарантируемый миним. вх. ток тиристорной
оптопары, переводящий ФТ во включ. состояние, а также макс. допустимый вх. ток помехи, при к-ом
ФТ еще не включается.
Граничная частота вх. сигналов – быстродействие оптопар, работающих в устройствах передачи
аналоговых сигналов – частота, на которой коэффициент передачи снижается на 3 дБ по отношению
к низкочастотному значению.
В устройствах передачи цифровых сигналов быстродействие оптопары – максимальная скорость
передачи информации, то есть число битов, к-ые можно передать в ед. времени без потерь.

48.

Параметры гальванической развязки: максимально допустимое напряжение между входом и
выходом (характеризует электрическую прочность оптопары и обычно превышает 1кВ),
проходная емкость, сопротивление гальванической развязки, максимально допустимая скорость
изменения напряжения между входом и выходом (определяется из условия, что выходной сигнал
помехи, проникающий через проходную емкость, не превышает заданного уровня).
Важнейший параметр диодных и транзисторных оптопар – коэффициент передачи по току
где kλ - коэффициент спектрального согласования излучателя, фотоприемника и оптической среды; kпр
– коэффициент прозрачности оптической среды; ηсв - внешний квантовый выход излучателя; ν квантовая эффективность генерации в фотоприемнике; Kпр - коэффициент усиления фотоприемника.
Коэффициент спектрального согласования
где
– нормированные спектральные характеристики излучателя и фотоприемника в
диапазоне длин волн λ1 − λ2 ; Tф( λ ) - спектральная характеристика пропускания
оптической среды (зависимость коэффициента пропускания от длины волны излучения).
В диапазоне рабочих длин волн λ1 − λ2 коэффициент пропускания оптической среды должен быть
близок к единице. Спектральные характеристики пропускания стекла (кривая 1) и полимера (кривая
2), используемых в качестве оптических сред оптопар, показаны на рис. 7.23.

49.

Спектральное согласование излучателя
соответствующих материалов.
и
фотоприемника
обеспечивается
выбором
для
них
В эквивалентной схеме: Cвх – входная емкость, rси – дифференциальное сопротивление светоизлучателя,
Cвых – выходная емкость, rфп – дифференциальное сопротивление фотоприемника; Cразв – емкость развязки
оптопары, Rразв – сопротивление развязки оптопары, KIIвх – зависимый источник тока (преобразование
входного сигнала оптопарой). С учетом инерционных свойств коэффициент передачи оптопары можно в
первом приближении аппроксимировать операторным выражением
где
– постоянная времени, определяемая граничной частотой fгр.