Лабораторная работа "Экспериментальное определение основных характеристик и параметров оптопар"

Лабораторная работа № 6. Экспериментальное определение основных характеристик и параметров оптопар. Цель работы: Изучение основных (вольтамперных, передаточных и др.) характеристик диодных оптопар в фотогенераторном (без подачи обратного напряжения   на   фотоприемник)   и   фотодиодном   (с   подачей   запирающего напряжения на фотодиод) режимах. 1. Задание. 1)   Ознакомиться   с   устройством,   различными   типами,   назначением   и основными характеристиками оптопар. 2)   Экспериментально   изучить   работу   диодных   оптопар   в фотогенераторном и фотодиодном режимах. 2. Теоретическая часть. Оптопары. Введение. Основные понятия. Оптопарой  называют   оптоэлектронный   прибор,   в   котором   в   одном общем   корпусе   конструктивно   объединены   излучатель   и   фотоприемник, взаимодействующие друг с другом оптически и электрически. Связи между компонентами   оптопары   могут   быть   как   прямыми,   так   и   обратными,   как положительными,   так   и   отрицательными,   кроме   того,   одна   из   связей (электрическая или оптическая) может отсутствовать[1­6]. В   состав   единого   прибора   вместе   с   оптопарой   или   несколькими оптопарами   могут   входить   еще   и   дополнительные   микроэлектронные   или оптические   элементы.   Такие   приборы   существенно   отличаются   от элементарных оптопар, поэтому в литературе (см., например, в [3, 5]) принято использовать   для   их   названия   термин   оптрон,   при   этом   имеется   в   виду оптоэлектронный   прибор   любого   произвольного   вида   с   внутренними оптическими связями. Основные   функциональные   разновидности   оптопар.  Оптопара   с прямой   оптической   и   оборванной   электрической   связью   используется   как элемент   электрической   развязки,  она   получила   широкое   распространение. Оптрон с прямой электрической и оборванной оптической связью, то есть оптрон с оптическим входом и выходом, представляет собой преобразовательсветовых   сигналов:   это   может   быть   простое   усиление   (или   ослабление) интенсивности света, преобразование спектра или направления поляризации, преобразование некогерентного излучения в когерентное и т.д. Если в таком оптроне   фотоприемник   и   излучатель   являются   многоэлементными,   то   он может   выполнять   функцию   преобразователя   изображений.   Оптрон   с электрической   и   оптической   связями   получил   название   регенеративного оптрона.   В   нем   могут   реализоваться   любые   комбинации   видов   входных   и выходных   сигналов,   в   частности,   при   определенных   условиях   может осуществляться   частичное   или   даже   полное   восстановление   (регенерация) входного сигнала за счет энергии обратной связи. Следует   подчеркнуть   важность   такого   элемента   оптопары,   как оптический канал между излучателем и фотоприемником. Существует три его разновидности. Прежде всего, это простой светопровод, предназначенный для передачи энергии излучения на фотоприемник; чаще всего он выполняется в виде   прозрачной   иммерсионной   среды.   Возможно   и   такое   конструктивное решение, при котором в зазор между излучателем и фотоприемником имеется доступ   извне;   в   этом   случае   мы   имеем   оптопару   с   открытым   оптическим каналом. Наконец, в оптопаре иммерсионная среда может быть выполнены из материала, светопропускание которого изменяется при внешних воздействиях (температура, электрическое и магнитное поля и др.); такой прибор называют оптопарой с управляемым оптическим каналом. Указанные   приборы   являются   важными   элементами   некогерентной оптоэлектроники [5]. Типы оптопар как элементов электрической развязки. В   качестве   элементов   электрической   развязки   оптопары   получили широкое промышленное распространение вследствие многих принципиальных достоинств   этих   приборов,   таких   как   идеальная   электрическая   развязка, высокое   напряжение   изоляции,   однонаправленность   распространения информации, широкополосность.  К этому  следует  добавить   совместимостьоптопар   с   изделиями   микроэлектроники   –   технологическую_______, эксплуатационную, а также по уровням входных и выходных сигналов. Среди   оптопар,   используемых   для   электрической   развязки,   широко представлены   такие   типы   оптопар,   у   которых   в   качестве   фотоприемника используются фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры. Кроме указанных оптопар известный интерес могут представить и другие, у которых   в   качестве   фотоприемника   используются   функциональные фоторезисторы,  лавинные   фотодиоды,  фотоварикапы,  однопереходные транзисторы, МДП­транзисторы и др. Резисторные   оптопары.   В   резисторной   оптопаре   в   качестве фотоприемного элемента используется фоторезистор – полупроводниковый резистор,   сопротивление   которого   уменьшается   при   воздействии   видимых световых   или   невидимых   глазом   инфракрасных   лучей.   Уменьшение сопротивления   фоторезистора   происходит   за   счет   генерации   светом свободных   носителей   заряда   –   электронов   и   дырок,   увеличивающих электропроводность   полупроводника.   Фоторезистор   и   излучатель (сверхминиатюрные лампочки накаливания, светодиоды либо инфракрасные диоды) объединены внутри корпуса оптопары оптически прозрачной средой (клеем) с большим сопротивлением изоляции. Диодные   оптопары.  В   диодной   оптопаре   в   качестве   фотоприемного элемента   используется   фотодиод   (на   основе   кремния),   а   в   качестве излучателя   –инфракрасный   излучающий   диод.   Максимум   спектральной характеристики излучения диода приходится на длину волны около 1 мкм. Излучение   с   такой   длиной   волны   вызывает   генерацию   в   полупроводнике (кремнии)   пар   носителей   заряда   –   электронов   и   дырок.   Эти   электроны   и дырки разделяются внутренним электрическим полем перехода фотодиода и заряжают p ­область положительно, а n­область отрицательно. В результате на выводах фотодиода появляется фото­ЭДС. Это   так   называемый   фотогенераторный   (вентильный)   режим   работы фотодиода.Если к фотодиоду приложено обратное (запирающее) смещение более 0.5   В,   то   электроны   и   дырки,   генерированные   падающим   излучением, увеличивают обратный ток   фотодиода.   Это   фотодиодный   режим   работы   фотоприемного элемента. Диодные оптопары могут работать как в фотогенераторном, так и фотодиодном режимах. Значение   обратного   фототока   практически   линейно   возрастает   с увеличением интенсивности света излучающего диода. Диоды   излучателя   и   приемника   изготавливаются   по   планарно­ эпитаксиальной технологии.   Структуры   соединяются   между   собой   оптически прозрачным клеем, слой   которого   обеспечивает   надежную   электрическую   изоляцию входной цепи оптопары – излучателя ­ от выходной – фотодиода. Для   повышения   быстродействия   создаются   фотодиоды   с  p   ­   i   ­   n  ­ структурой, где i, как известно, обозначает слой полупроводника (кремния) собственной проводимости (полуизолирующий) между легированными областями p­ и n­типа. Возникающее   в  i  ­   области   сильное   электрическое   поле   приводит   к сокращению времени пролета носителей заряда через эту область и, следовательно, к быстрому нарастанию   и   спаду   фототока.   Время   нарастания   и   спада   фототока может составлять доли наносекунд. Основными параметрами диодных оптопар являются следующие: ­ входное напряжение  Uвх ­ постоянное прямое напряжение на диоде­ излучателе при заданном входном токе; ­   максимальное   входное   обратное   напряжение  Uвх.обр.max, приложенное ко входудиодной   оптопары,   при   котором   обеспечивается   ее   надежная   работа (для входной   цепи   оптопары   указывается   значение   максимального постоянного Iвх.max  или   импульсного  Iвх.иmax  входного   тока,   при   которых обеспечивается надежная работа прибора); ­   максимальное   выходное   обратное   постоянное   и   импульсное напряжение Uвых.обр.max и Uвых.обр.и max определяют максимальные напряжения в выходной   цепи   оптопары,   при   которых   обеспечивается   ее   надежная работа. Выходной  обратный ток (темновой)  Iвых.обр.т ­ ток, протекающий  в выходной цепи   диодной   оптопары   при   отсутствии   входного   тока   и   заданном напряжении на выходе; ­ время нарастания выходного сигнала tнр ­ интервал времени, в течение которого выходной   сигнал   оптопары   изменяется   от   0,1   до   0,5   максимального значения; ­  время   спада   выходного   сигнала  tсп –  интервал   времени,  в  течение которого выходной сигнал изменяется от 0,9 до 0,5 максимального значения; ­   статический   коэффициент   передачи   КI   –   отношение   разницы выходного тока и выходного темнового тока к входному току, выраженное в процентах. Коэффициент передачи тока в диодных оптопарах составляет единицы процентов и примерно равен значению квантового выхода светодиода. Так как темновой   выходной   ток   обычно   значительно   меньше   светового, коэффициент передачи тока выражают как KI   ≈ Iвых /Iвх.Для описания свойств диодных оптопар обычно используются входные и выходные   вольтамперные   характеристики,   передаточные характеристики в фотогенераторном и фотодиодном режимах. Выходная   характеристика   оптопары   аналогична   обратной   ветви вольтамперной характеристики фотодиода. Обратный ток практически не зависит от напряжения. При большом напряжении возникает электрический пробой фотодиода. Передаточная   характеристика   в   фотодиодном   режиме   представляет собой зависимость   выходного   тока   от   входного   и   практически   линейна   в широком диапазоне входного тока. Передаточная характеристика в фотогенераторном режиме нелинейна. Фото­ЭДС при увеличении входного тока стремится к насыщению. При этом фото­ ЭДС не может превышать контактной разности потенциалов (высоты барьера) на p ­ n­ переходе фотодиода и составляет обычно 0,5 – 0,8 В. Диодные оптопары типов АОД101А – АОД101Д; 3ОД101А – 3ОД101Г; АОД 107А –   АОД107В;   3ОД107А,   3ОД107Б   могут   быть   использованы   как   в фотодиодном, так и в фотогенераторном режиме. Оптопары АОД 112А­1 и 3ОД112А­1 используются в фотогенераторном   режиме.   Для   остальных   типов   диодных   оптопар техническими условиями   оговаривается   возможность   использования   их   только   в фотодиодном режиме [2]. При   использовании   диодных   оптронов   в   схемах   радиоэлектроники учитываетсяряд свойств, присущих этому классу оптронов: ­ самое высокое быстродействие фотоприемников на p­i­n­ структурах; ­ малые темновые токи в выходной цепи; ­ высокое сопротивление гальванической развязки. Важной разновидностью диодных оптопар являются так называемые дифференциальные   оптопары  –  приборы,  в   которых   один   излучатель воздействует на два идентичных фотодиода. Подобие выходных характеристик двух каналов дифференциальной оптопары позволяет использовать эти приборы для неискаженной передачи аналоговых сигналов. Конкретные   применения   диодных   оптопар   подробно   описаны   в литературе [1­6]. Широкое   распространение   получили   также   оптоэлектронные микросхемы – главным   образом   переключатели,   состоящие   из   быстродействующей диодной оптопары   и   ключевого   усилителя   на   выходе,   ­   этим   обеспечивается полное согласование   по   уровням   входных   и   выходных   сигналов   со стандартными логическими микросхемами. Перспективны также оптоэлектронные коммутаторы силовой нагрузки – и микросхемы или устройства, выполняющие функции реле переменного постоянного тока и содержащие оптическое звено в цепи управления. В них обычно применяются транзисторные и тиристорные оптопары. Транзисторные оптопары. Транзисторная  оптопара  выполняется с фотоприемным  элементом на основе фототранзистора.   Как   правило,   в   оптопарах   используются фототранзисторы с n­p­n­ структурой на основе кремния, чувствительные к излучению с длиной волны около1   мкм.   Излучателями   служат   обычно   арсенидогаллиевые   диоды, максимум спектрального излучения которых лежит вблизи области наибольшей чувствительности   фототранзистора.   Излучательный   диод конструктивно расположен   так,   что   большая   часть   света   направляется   на   базовую область транзистора. Так же, как и в других оптопарах, излучатель и приемник изолированы друг от друга оптически прозрачной средой. При   отсутствии   излучении   в   цепи   коллектора   фототранзистора, включенного по схеме   с   общим   эмиттером.   Протекает   обратный   (темновой)   ток, аналогичный по происхождению   и   характеристикам   току   в   обычных   биполярных транзисторах. При облучении в базовой области фототранзистора генерируются пары электрон – дырка.   Электроны   вытягиваются   из   базы   в   сторону   положительно заряженного коллектора, а дырки остаются в базе и создают положительный заряд. Это эквивалентно   возникновению   отпирающего   тока   базы   транзистора, вследствие чего ток коллектора также увеличивается. Таким образом, фототранзистор обладает внутренним усилением фототока. Основные параметры входной цепи транзисторной оптопары аналогичны параметрам   диодных   оптопар,   так   как   в   них   используются   сходные излучатели. Справочные   зависимости   и   характеристики   транзисторных   оптопар приводятся для   ключевого   режима,  так   как   этот   режим   является   основным   при использовании оптопар данного типа [2].Быстродействие   транзисторных,   а   также   тиристорных   оптопар характеризуется временами   переключения,   типичные   значения   которых   5…50   мкс,   в лучших образцах   удается   получить   1   мкс.   Очевидная   перспектива   развития транзисторных оптопар   связана   с   использованием   в   качестве   фотоприемника гетеротранзисторов на основе твердых растворов на основе элементов третьей и пятой групп системы Менделеева (соединений A3B5) – при этом вполне реально снижение времен переключения до 1…10 нс [3]. Применения транзисторных оптопар также описаны в литературе [1­ 6]. Тиристорные оптопары. В тиристорных оптопарах в качестве приемного элемента используется кремниевый фототиристор. Фототиристор, так же как и обычный тиристор, имеет четырехслойную p­n­p­n­ структуру. Конструктивно оптопара выполнена так, что основная часть излучения входного светодиода направлена на высокоомную базовую n­область фототиристора.   К   крайним   областям   –   p­аноду   и   n­катоду прикладывается внешнее выходное   напряжение   плюсом   к   аноду.   При   облучении   в   n­базе генерируются пары носителей   заряда   –   электронов   и   дырок.   Электрическим   полем центрального перехода между n­ и p­областями носители заряда разделяются. При этом электроны   остаются   в   n­базе,   а   дырки   попадают   в   p­базу,   заряжая соответствующие базы отрицательно и положительно. При такой полярности зарядов на базах происходит   инжекция   неосновных   носителей   заряда   из   крайних переходовструктуры   тиристора   (называемых   эмиттерами).   Лавинообразное нарастание тока через   структуру   приводит   к   отпиранию   тиристора,  все   три   перехода оказываются смещенными   в   прямом   направлении,   и   падение   напряжения   на фототиристоре в отпертом состоянии получается малым. Фототиристор,   так   же   как   и   фототранзистор,   обладает   большим внутренним усилением   фототока.   В   отличие   от   фототранзистора   включенное состояние фототиристора   сохраняется   и   при   прекращении   излучения   входного светодиода. Таким   образом,   управляющий   сигнал   на   тиристорную   пару   может подаваться только   в   течение   небольшого   времени,   необходимого   для   отпирания тиристора. Этим   достигается   существенное   снижение   энергии,  необходимой   для управления тиристорной оптопарой. Чтобы запереть фототиристор, с него надо снять внешнее напряжение. Если тиристор   включается   в   цепь   переменного   или   пульсирующего напряжения, то выключение тиристора происходит в каждый из периодов при снижении напряжения и тока через тиристор до значения, при котором не может поддерживаться включенное состояние структуры. Специфические параметры и применение тиристорных оптопар, оптопар с другими   фотоприемниками   (оптопары   на   однопереходных фототранзисторах), а также   других   типов   оптоэлектронных   схем   и   устройств   описаны   в литературе (см., в частности, в [2, 4­5]).Волстроны.  Появление волоконных световодов дало толчок развитию так называемых длинных оптронов или волстронов, в которых излучатель и фотоприемник неразъемно связаны друг с другом отрезком волоконно­ оптического кабеля [3, 5, 6].  Такой  прибор  выгодно отличается  от традиционной короткой ВОЛС, содержащей   пару   оптических   соединителей,   лучшей   передаточной характеристикой, большей   надежностью,   меньшими   габаритными   размерами   и стоимостью. Волстроны   длиной   от   десятков   сантиметров   до   нескольких   метров незаменимы в качестве элементов электрической развязки в сверхвысоковольтной радиоэлектронной и электротехнической аппаратуре, во многих случаях внутриобъектового применения они удобнее, чем короткие ВОЛС. В   заключение   отметим,   что   значимость   оптопар,   других оптоэлектронных приборов и устройств некогерентной оптоэлектроники определяется не только уникальностью   выполняемых   ими   функций,   но   и   тем,   что   это направление науки и техники   уже   получило   реальное   промышленное   воплощение, характеризующееся массовым производством приборов и их применением во всех сферах народного хозяйства и специальной техники [5]. 3. Экспериментальная часть. Порядок выполнения работы. 1)   Ознакомиться   с   исследуемой   оптопарой   типа   АОД101В  (внешним видом, принципиальной электрической схемой, назначением выводов, электрическими параметрами, предельно допустимыми электрическими режимами эксплуатации); 2)   Ознакомиться   с   приборами   экспериментальной   установки   (блоки питания, вольтметры, микроамперметры и др.);3) Исследовать зависимость входного тока Iвх, выходного тока Iвых и отношения Iвых/Iвх от входного напряжения Uвх оптопары, работающей в фотогенераторном (вентильном) режиме; 4) Вычислить коэффициент передачи по току при Iвх = 10мА (в %%); 5) Исследовать зависимость выходного тока Iвых и отношения Iвых/Iвх от входного напряжения   Uвх   для   оптопары,   работающей   в   фотодиодном   режиме (при запирающем напряжении на фотодиоде Uз = 3В. ∙  При проведении измерений входной ток Iвх изменять от 0 до 2 мА с шагом 0.2 мА, от 2 до 15 мА с шагом 1 мА. Схема установки для изучения оптрона. Переключатель К2 определяет режим работы оптрона: вентильный или фотодиодный. Контрольные вопросы 1. Оптрон. Определение, назначение, устройство. 2. Достоинства и недостатки оптронов. 3. Общая классификация оптронов. Монолитные оптроны. 4. Основные характеристики оптронов. Коэффициент передачи по току. 5. Проблемы и задачи оптронной техники. Литература. 1. НосовЮ.Р., Сидоров А.С. Оптроны и их применение. – М.: Радио и связь, 1981. 2.   Иванов   В.И.,   Аксенов   А.И.,   Юшин   А.М.   Полупроводниковые приборы. Справочник.   Под   ред.   Н.Н.   Горюнова.­   М.:   Энергоатомиздат,   1984, разделы 6 – 9. 3. НосовЮ.Р. Оптоэлектроника. –2­е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1989, глава 7. 4.   Верещагин   И.К.,   Косяченко   Л.А.,   Кокин   С.М.   Введение   в оптоэлектронику.­ М.: Высшая школа, 1991, глава 2. 5.   Гребнев   А.К.,   Гридин   В.Н.,   Дмитриев   В.П.   Оптоэлектронные элементы иустройства./Под ред. Ю.В. Гуляева. – М.: Радио и связь, 1998. 6.  Пихтин   А.Н.  Оптическая   и  квантовая   электроника. –  М.:  Высшая школа, 2001. 7. Кривоносов А.И. Оптоэлектронные устройства. М.: Энергия, 1978, стр. 65. 8. Осинский В.И. Интегральная оптоэлектроника. Минск, изд. Наука и техника, 1977, гл. V. 9. Свечников С.В. Элементы оптоэлектроники. М.: Сов. Радио, 1971 г. Приложение. Электрические параметры оптронов. Тип оптрона Входное напряжение при Iвх = 10 мА, В, не более Коэф. передачи по току при Iвх = 10 мА, %, не менее Время нарастания и спада вых. тока при импульсе вход. тока 20 мА, нс, не более Сопротив. изоляции между входом и выходом при напряжении 100В, Ом, не менееПроходная ёмкость при напряж. между входом и выходом 0 В, пФ, не более Постоянный обратный ток фотоприём­ ника, мкА, не более АОД101А 1.5 1 100 109 2 2 АОД101Б 1.5 1.5 500 109 2 8 АОД101В 1.5 1.2 1000 109 2 2 АОД101Г 1.5 0.7 500 5∙109 2 10 АОД101Д 1.8 1 250 109 2 5__