2.2.1. Резисторные оптопары

2.2.2. Диодные оптопары

2.2.3. Транзисторные оптопары

2.2.4. Тиристорные оптопары

2.2.5. Параметры оптронов различного типа

2.2.6. Оптоэлектронные микросхемы

2.2.1. Резисторные оптопары

В качестве фотоприемников оптопар этого типа используют фоторезисторы на основе CdS и CdSe. При засветке фоторезисторов их сопротивление снижается от R_T (темнового) до R_CE (при освещении). Одним из основных параметров резисторных оптопар является отношение этих сопротивлений; значение R_Т/R_CB может достигать 10⁴–10⁷.

Фоторезисторы обладают, как правило, большой инерционностью. Именно поэтому в фоторезисторных оптопарах в качестве источников излучения широко применяют миниатюрные лампы накаливания, к достоинствам которых следует отнести хорошую воспроизводимость параметров, большой срок службы, малую стоимость. Невысокое быстродействие (время переключения — порядка 1·10^-2с) ламп накаливания в оптопарах этого типа не является их недостатком, поскольку общее время переключения (до 10^-1 с) определяется фотоприемником. Кроме ламп накаливания в резисторных оптопарах используют светодиоды на основе GaP, спектр излучения которых хорошо согласован со спектрами возбуждения фотопроводимости CdS- и CdSe-фотоприемников.

Некоторые характеристики резисторных оптопар представлены на рис. 2.3. Увеличение тока I₁ на входе оптрона сопровождается увеличением светового потока излучателя, в результате чего R_CB снижается (рис. 2.3, а). Повышение температуры Т ведет к снижению подвижности свободных носителей заряда в фоторезисторе, увеличению R_св, а следовательно, к спаду I₂ при том же напряжении U₂ на выходе (рис. 2.3,6). С ростом Т не только происходит увеличение R_CB, но снижается и R_T (растет концентрация собственных носителей заряда в зоне проводимости полупроводника). При этом отношение R_Т/R_CB очень сильно падает (при 70° С оно может составлять лишь примерно 1·10²), что делает резисторную оптопару практически непригодной для использования при высоких температурах.

Инерционность резисторных оптопар сказывается на их частотных характеристиках, что иллюстрируется рис. 2.3,в. На рисунке по вертикали отложен коэффициент передачи по току, который в случае оптопар этого типа носит формальный характер, поскольку в выражение (2.2) для k_I подставляется просто значение тока I₂, соответствующее окончанию линейного участка вольт-амперной характеристики фоторезистора.

Достоинствами резисторных оптопар, определяющими их широкое применение в различных типах оптоэлектронных схем, являются линейность и симметричность выходной характеристики (независимость от полярности включения фоторезистора), отсутствие фото-э. д. с., высокие значения достижимого напряжения на выходе (до 250 В) и темнового сопротивления R_т≈1·10⁶÷1·10¹¹ Ом).

2.2.2. Диодные оптопары

Оптопары этого типа изготовляют на основе кремниевых p-i-n-фотодиодов и арсенидгаллиевых светодиодов.

На рис. 2.4 изображены типичные графики зависимостей коэффициента передачи по току k_I от входного тока I₁, напряжения на выходе U₂ и температуры Т. Из рис. 2.4, а следует, что у диодных оптопар k_I остается практически постоянным в широком диапазоне входных токов, что обусловлено постоянством в этом диапазоне квантового выхода η_к светодиода. Подъем в области малых и спад в области больших входных токов (когда начинает сказываться разогрев прибора) также определяется поведением η_к. Квантовый выход фотодиода η₃ при этом, как правило, не меняется. Это следует, в частности, из рис. 1.5 и формулы (1-11) — зависимость фототока от падающего потока излучения линейна в рабочем диапазоне значений потоков.

Разогрев оптопары может привести и к снижению η₃.

Оценим значение k_I для диодной оптопары.

Поток излучения Ф₁, испускаемого светодиодом, связан с входным током I₁ соотношением

. (2.5)

(Здесь η_ке — внешний квантовый выход светодиода). В то же время ток на выходе фотоприемника

(2.6)

где η₃ — квантовый выход фотодиода, а Ф₂— поток излучения, падающий на фотодиод.

Из соотношений (2.5) и (2.6) получаем, что

(2.7)

где = Ф₂/Ф₁ — коэффициент, учитывающий потери излучения на пути от светодиода к фотоприемнику.

Полагая, что η₃≈1 (т.е. каждый фотон, достигнувший фотоприемника, генерирует носитель фототока; это хорошо выполняется, например, в случае p-i-n-фотодиодов), получаем:

k_I ≈ η_кеk^/.

В идеальном случае, когда потерь света почти не происходит, можно считать, что k_I≈η_ке, однако зачастую коэффициент k' оказывается заметно меньше единицы. Учитывая, что у реальных светодиодов η_ке≈10%, получаем, что для диодных оптопар коэффициент k_I вряд ли может превышать нескольких процентов.

Помимо зависимости k_I (I₁) на рис. 2.4 представлены еще две. Так, на рис. 2.4,б изображена зависимость коэффициента передачи по току диодных оптопар от обратного напряжения на выходе прибора— она довольно слаба. Температурная же зависимость k_I диодных оптронов выражена более ярко (рис. 2.4, в), что объясняется зависимостью от Т параметров всех элементов оптопары и в первую очередь—излучателя.

В целом, поскольку у современных диодных оптронов значение коэффициента передачи по току составляет единицы процентов, это означает, что на выходе таких оптопар практически можно получать лишь токи, не превышающие одного-двух миллиампер.

Предельно достижимое время переключения t_п диодных оптопар может меняться в довольно широких пределах (0,1 — 10 мкс) в зависимости от марки прибора. Но на практике получить подобное быстродействие довольно трудно, так как из-за малости выходного тока их приходится включать на большую нагрузку. В этом случае существенным оказывается уже время перезарядки, определяемое сопротивлением нагрузки R_н и выходной емкостью оптопары С₂. Так, при R_н =(2÷20) кОм и С₂ = 50 пФ постоянная времени перезарядки равна 0,1—1 мкс, что сравнимо по величине с предельными значениями t_п.

Диодные оптопары могут работать в вентильном режиме, когда оптрон выступает в качестве источника питания. Оптроны, предназначенные для этих целей, имеют повышенное (3–4%) значение k_I, однако к. п. д. таких приборов также составляет лишь около одного процента.

Среди выпускаемых диодных оптопар можно выделить, наконец, группу приборов, оптический канал которых выполнен в виде световода длиной 30—100мм. Эти приборы характеризуются высокой электрической прочностью (U_из = 20≈50 кВ) и малой проходной емкостью (С_пр=0,01 пФ).

2.2.3. Транзисторные оптопары

К этому классу приборов относятся диодно-транзисторные (приемником излучения является фотодиод, один из выводов которого соединен с базой транзистора, введенного в состав оптрона) и транзисторные (приемником излучения служит фототранзистор) оптопары, а также оптроны с составным фототранзистором. Их параметры существенно отличаются друг от друга. Так, оптопары с составным фототранзистором обладают наилучшими передаточными характеристиками по току (в результате внутреннего усиления сигнала k_I может достигать 1000%), зато диодно-транзисторные имеют большее быстродействие (t_п = 2÷4 мкс). При этом оказывается, что для оптопар перечисленных типов отношение остается постоянным в широком интервале значений входных токов. Параметр D называют добротностью оптрона, его значение зависит от параметров изоляции (в частности, от U_из). Для транзисторных оптронов U_из = 1÷5 кВ, D= 0,1÷1% мкс^-1.

(2.8)

Так же как и в случае диодных оптопар, материалом фотоприемников чаще всего является кремний; излучателями в таких приборах служат арсенид-галлиевые светодиоды.

Транзисторные оптопары привлекают внимание возможностью управления коллекторным током как оптическими методами, так и электрическими. Эти приборы позволяют получать высокие значения коэффициента передачи по току и соответственно большие I₂ (чем они выгодно отличаются от диодных оптопар) при удовлетворительном быстродействии.

На рис. 2.5 приведены типичные зависимости k_I от входного тока для транзисторной (кривая 3), диодно-транзисторной (кривая 1) оптопар, а также для оптопары с составным фототранзистором (кривая 2). Сравнение этого рисунка с рис. 2.4, а показывает, что характеристики таких оптопар сильно отличаются от полученных для диодного оптрона. Это связано с тем, что коэффициент усиления транзистора зависит от тока базы и потому не является постоянной величиной.

Температурные зависимости k_I транзисторного оптрона при больших (кривая 1) и малых (кривая 2) входных токах представлены на рис. 2.6. Видно, что при больших I₁ коэффициент передачи по току с изменением температуры ведете себя примерно так же, как и в случае диодных оптопар (см. рис. 2.4,6). В общем случае характер кривых k_I (T) определяется зависимостями от температуры квантового выхода как светодиода, так и фототранзистора.

Особенностью всех оптопар с излучателями-светодиодами является уменьшение t₁ и увеличение t₂ с ростом входного тока. Именно поэтому соответствующие характеристики транзисторных и диодных оптопар оказываются сходными.

Повышение температуры приводит к возрастанию инерционности транзисторных оптопар. Одновременно увеличивается и темновой ток фотоприемника. Это особенно сильно сказывается в случае оптопар с составными фототранзисторами: при увеличении температуры от 25 до 100 °С их темновой ток возрастает в 10⁴—10⁵ раз (у обычных транзисторных оптопар это изменение лежит в пределах 10²-—10³).

2.2.4. Тиристорные оптопары

Тиристорные оптопары используют в качестве ключей для коммутации сильнотоковых и высоковольтных цепей как радиоэлектронного (U₂ = 50÷600 В, I₂ = 0,1-10 А), так и электротехнического (U₂= 100÷300 В, I₂ = 6,3÷320 А) назначения. Важным достоинством этих приборов является то, что, управляя значительными мощностями в нагрузке, они тем не менее по входу совместимы с интегральными микросхемами.

В зависимости от гарантируемых значений коммутируемых напряжений и токов, а также от времени переключения тиристорные оптопары подразделяются на большое число групп. В целом типичные значения t₁ составляют 10—30 мс, t₂ = 30÷250 мкс.

Поскольку тиристорные оптопары работают в ключевом режиме, то параметр k_I для них лишен смысла. Поэтому удобнее характеризовать такие оптопары номинальным значением I₁ при котором открывается фототиристор, а также — максимально допустимым входным током помехи (максимальным значением I₁, при котором еще не происходит включение фототиристора). Значение силы номинального входного тока для разных типов тиристорных оптопар лежит в пределах 20—200 мА, максимально допустимый ток помехи для оптопары АОУ 103, например, равен 0,5 мА.

2.2.5. Параметры оптронов различного типа

Ниже приводится краткая сводная таблица основных характеристик некоторых элементарных оптронов (табл. 2.1). В обозначениях отечественных оптронов первая буква (или цифра) определяет материал излучателя (А или 3 — GaAlAs или GaAs), вторая буква (О) указывает на принадлежность прибора к классу оптопар, а третья отражает тип фотоприемника (Д—фотодиод, Т—фототранзистор, У — фототиристор). Резисторные оптопары (исторически первый тип оптопар) сохраняют свое первоначальное обозначение ОЭП (оптоэлектронный прибор). Некоторые из оптронов могут иметь обозначения, отличающиеся от тех, которые указаны выше (например, К249КП1—оптоэлектронный ключ, состоящий из излучающего диода на основе арсенид-галлий-алюминия и кремниевого фототранзистора, в который входят две транзисторные оптопары).

Кроме рассмотренных в настоящей главе типов оптопар следует упомянуть также о некоторых других видах оптронов. К ним можно отнести приборы, у которых в качестве фотоприемников используют МДП-фотоварикапы и полевые фототранзисторы, дифференциальные оптроны (один излучатель в которых работает на два идентичных фотоприемника),

а также оптопары, у которых источником излучения является полупроводниковый лазер (например, на основе GaAlAs или GalnAsP).

Таблица 2.1. Обозначения и значения основных параметров различных оптронов

Типы оптронов
Обозначения и параметры	Резисторные	Диодные	Транзисторные			Тиристорные
			диодно-транзисторные	транзисторные общего назначения	с составным фототранзистором
Схемное обозначение
Буквенный элемент обозначения	ОЭП	АОД	АОД, КОЛ	АОТ	АОТ	АОУ, ТО
Коэффициент передачи по току kI, %	1 – 4	0,5 – 3,5	10 – 40	30 – 100	200 – 800	—
Граничная частота fгр, МГц	0,005 – 0,01	1 – 10	0,01 – 0,5	0,01 – 0,5	0,001 – 0,01	—
Время, мкс: включения t1	1·103–1·105	0,1–1	1–2	4–10	10–100	10–30
выключения t2	1·103–1·105	0,1–1	1–2	4–30	10–100	30–250
Параметры входной цепи:
I1, мА	5–20	10–40	5–20	10–40	1–30	10–800
U1, В	2–6	1,1–1,8	1–2	1–2	1–5	1–3
Параметры выходной цепи:
I2, мА	0,2–7	0,1–1,5	5–30	5–50	100–200	(0,1–320)х103
U2, В	5–250	1–100	5–30	5–30	5–30	50–1300
Сопротивление изоляции Rиз, Ом	1·109	1·109–1010	1010	5·108	1·109	5·108

2.2.6. Оптоэлектронные микросхемы

Приборы этого типа содержат одну или несколько оптопар, а также согласующие элементы или электронные интегральные схемы, объединенные при помощи гибридной технологии в один корпус. Оптоэлектронные микросхемы обладают более широкими возможностями, чем элементарные оптроны. Их можно разделить на три основные группы.

К первой относятся переключательные микросхемы; эта группа наиболее многочисленна. Примером прибора этого типа может служить микросхема серии 249ЛП1 (рис. 2.7, а), в который объединены диодный оптрон и стандартная интегральная схема, имеющая два статических состояния, при одном из которых напряжение на ее выходе равно примерно 0,3 В, а при другом — около 3 В.

Во вторую группу объединены линейные, оптоэлектронные микросхемы, которые способны выполнять аналоговые преобразования сигналов. В качестве примера можно привести микросхему серии К249КН1, линейную по выходной цепи, которая состоит из двух диодных оптронов, работающих в режиме фотоэлементов и выполняющих функции широкополосного (вплоть до передачи постоянного сигнала) трансформатора (рис. 2.7,6).

К третьей группе относятся оптоэлектронные микросхемы релейного типа, использующиеся для коммутации силовых цепей в широком диапазоне напряжений и токов. По входным параметрам эти приборы согласованы со стандартными интегральными микросхемами; в качестве примера можно назвать оптоэлектронное реле постоянного тока серии К295КТ1.

Помимо микросхем перечисленных трех групп существуют и более сложные. К ним относятся, например, фоточувствительные приборы с зарядовой связью, многоустойчивые элементы— сканисторы и т.д.

Так же как и элементарные оптроны, оптоэлектронные микросхемы обладают тем недостатком, что их приходится изготовлять по гибридной технологии, объединяя элементы из разных материалов. По мере совершенствования способов получения этих элементов открываются перспективы создания оптоэлектронных микросхем на одном кристалле, а также пленочных. Это должно привести не только к дальнейшей миниатюризации таких приборов, но и к расширению их функциональных возможностей.