Фотоэлектронными приборами называют приборы, преобразующие энергию излучения в электрическую энергию. Широкое распространение получили приборы, принцип действия которых основан на внутреннем фотоэффекте в полупроводнике. Рассмотрим некоторые из них.

Фотодиод

Фотодиод по структуре аналогичен обычному полупроводниковому диоду. Отличие состоит в том, что его корпус снабжен дополнительной линзой, создающей внешний световой поток, направленный, как правило, перпендикулярно плоскости р-п-перехода (рис.3.5, а).

Прибор может работать в режимах фотопреобразователя и фотогенератора.
В режиме фотопреобразователя в цепь фотодиода включают внешний источник питания (рис.3.16, в), обеспечивающий обратное смещение р-п - перехода. Если переход не освещен, то создается обратный темновой ток. При освещении перехода к темновому току добавляется фототок, значение которого не зависит от приложенного напряжения и пропорционально интенсивности светового потока Ф (см. рис.3.16, 6).
В режиме фотогенератора фотодиод сам является источником фотоЭДС (рис.3.6, г), значение которой пропорционально интенсивности светового потока. Типовое значение фотоЭДС E = Uхx кремниевого фотодиода составляет 0,5... 0,55В, а значение тока короткого замыкания Iкз при среднем солнечном освещении равно 20 ...25 мА/см2.
Вольтамперные характеристики фотодиода представлены на рис.3.16, б.
Маркировка фотодиода содержит буквы ФД (фотодиод) и цифру (порядковый номер разработки, например ФД-3).

Фототранзисторы

Фототранзистор имеет структуру, аналогичную структуре биполярного транзистора (рис. 3.17, а).

Он обладает более высокой чувствительностью, чем фотодиод. Световой поток воздействует перпендикулярно плоскости эмиттерного р-п-перехода, генерируя в базе пары носителей заряда. Неосновные для базы носители зарядa притягиваются коллекторным переходом, увеличивая коллекторный ток. Однако этот ток является только частью тока коллектора, так как уход из базы неосновных носителей создает в нем нескомпенсированный объемный заряд основных носителей. Этот заряд снижает потенциальный барьер эмиттерного перехода. В результате происходит увеличение количества носителей заряда, инжектируемых эмиттером в область базы, а, следовательно, и увеличение коллекторного тока. Таким образом, в фототранзисторе происходит усиление фототока, что и объясняет большую чувствительность его по сравнению с фотодиодом.
Из рассмотренного принципа работы фототранзистора следует, что вывод базы является необязательным (см. рис. 3.6, б). Вольтамперные характеристики фототранзистора, используемого без вывода базы, аналогичны характеристикам биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Отличие состоит в том, что управляющим параметром является не ток базы, а световой поток Ф (рис.3.6, в).

Фототиристор

Фототиристор - фотоэлектронный прибор, имеющий четырехслойную структуру с двумя выводами (рис.3.18, а). Его условное графическое обозначение показано на рис. 3.18, б. Фототиристор, как и обычный полупроводниковый тиристор, имеет структуру р-п-р-п и три р-п перехода, из которых крайние П1 и П3, включены в прямом направлении, а средний – П2 - в обратном. Величина напряжения на фототиристоре выбирается так, что при отсутствии светового потока он закрыт. В отличие от обычного тиристора напряжение включения фототиристора зависит не от тока управления, а от светового потока. Фототиристор устроен так, что свет падает на внутренние слои, в которых за счет энергии фотонов происходит образование пар электрон - дырка. Дырки из области п1 переходят в область р2, а электроны - из области р2 в область п1 под действием обратного напряжения на коллекторном переходе П2. При этом возрастает ток через этот переход, следовательно, увеличивается ток I во внешней цепи. При определенной величине тока фототиристор включается. Чем больше световой поток Ф, тем меньше напряжение, при котором включается фототиристор.
Вольтамперные характеристики фототиристора аналогичны вольтамперным характеристикам обычного тиристора (рис. 3.18, в), но каждая из них соответствует определенному постоянному значению светового потока:

I = f(U) при Ф = const.

При переходе из закрытого состояния в открытое сопротивление фототиристора уменьшается от сотен мегаом до десятых долей ома; это происходит практически мгновенно - в течение миллионных долей секунды. Фототиристоры используют для коммутации электрических цепей большой мощности при помощи световых сигналов.

Оптроны

Оптроном называют электронный прибор, который содержит одновременно источник и приемник световой энергии (оптопару). Для оптопары как входной, так и выходной величиной является электрический сигнал. Причем гальваническая связь между входной и выходной цепями отсутствует. В качестве излучателя оптопары могут быть использованы инфракрасный излучающий диод, светоизлучающий диод, люминесцентный излучатель или полупроводниковый лазер. Наибольшее распространение в настоящее время получил инфракрасный излучающий диод, что объясняется простотой его структуры, управления. В качестве приемника оптопары находят применение рассмотренные выше фотоэлектрические приборы: фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и др. Следует отметить, что оптопара позволила создать аналог разделительного трансформатора, что является особенно актуальным в интегральной микроэлектронике. Условные обозначения оптронов, имеющих различные приемники, приведены на рис.3.19.

Для усиления и согласования выходного сигнала оптопары со стандартным уровнем напряжения, используемым для передачи и преобразования цифровых сигналов, служат оптоэлектронные ИС.
Для усиления и согласования выходного сигнала оптопары со стандартным уровнем напряжения, используемым для передачи и преобразования цифровых сигналов, служат оптоэлектронные ИС.
В них применяются, как правило, диодная оптопара (обладающая максимальным быстродействием) и импульсный усилитель. Обозначение оптронов включает семь символов. Первый обозначает исходный материал, обычно это буква А -соединение галлия (или цифра 3). Второй символ - буква О - оптопара. Третий символ указывает тип приемника оптопары: Д - диод, Т - транзистор, У - тиристор, Р - с открытым оптическим каналом. Четвертый, пятый и шестой символы указывают номер прибора. Седьмой символ - буква, обозначающая классификацию по группам параметров.
Примеры обозначения:
АОД 130А - оптопара диод-диод на основе соединения галлия, номер прибора 130, группа параметров А;
АОТ 110А - оптопара диод-транзистор на основе соединения галлия, номер прибора 110, группа параметров А;
АОУ 115А - оптопара диод-тиристор на основе соединения галлия, номер прибора 115, группа параметров А.