7.3.4. Фототранзистори

Фототранзистори – це керовані випромінюванням напівпровідникові прилади. Їх використовують як чутливі до випромінювання елементи оптоелектронних пар та фотоприймальних пристроїв, як первинні перетворювачі пристроїв волоконно-оптичних ліній зв’язку середньої пропускної здатності та ін. Створено біполярні та польові фототранзистори. Такі напівпровідникові прилади підсилюють фотострум, який виникає під час їх освітлення.

Біполярний фототранзистор – це фототранзистор, фоточутливий елемент якого містить структуру БТ. Структуру та схему вмикання біполярного фототранзистора показано на рис. 7.9, а, сім’ю вихідних характеристик – на рис. 7.9, в. Він складається з емітерної області p⁺-типу 1, облас­ті бази п-типу 2, більша частина якої пасивна і відкрита світловому потоку Ф, і широкої колекторної області р-типу 3. Пасивна область бази розташована ліворуч від штрихпунктирної лінії. Біполярний фототранзистор вмикається зазвичай за схемою із СЕ і резистором навантаження R_н у колекторному колі (рис. 7.9, а). Його вхідним інформаційним сигналом є модульований світловий потік, а вихідним – зміна напруги на колекторі. Таке вмикання, як і в усіх розглянутих схемах з активними елементами, дозволяє керуванням провідністю, а значить – реалізувати принцип реле.

Розглянемо роботу біполярного фототранзистора в схемі з розірваним колом бази. Оптичний сигнал генерує надлишкові носії в пасивній області бази і колекторному переході. Як і в описаних вище електричних переходах потенціальний бар’єр колекторного переходу розділяє носії. Неосновні носії створюють фотострум переходу база – колектор I_ф.В, основні носії накопичуються у базі і дещо компенсують заряд нерухомих іонів домішок на межі емітерного переходу. Потенціальний бар’єр емітерного переходу зменшується, підсилюючи цим самим інжекцію носіїв з емітера в базу. Ці носії, як і у звичайному БТ, дифундують через базу до колектор­ного переходу і втягуються його електричним полем в область колектора. Струм інжектованих носіїв (дифузійний струм екстрагують), а відповідно і створений ними колекторний струм в багато разів перевищують фотострум носіїв, які виникли через оптичне опромінення.

Р ис. 7.9. Біполярний фототранзистор:

а – структура та схема вмикання;

б – еквівалентна схема;в – сім’я вихідних характеристик

Загальний струм колектора – це сума фотоструму I_ф.В та струму I_с (інжектованих емітером дірок, які екстрагували в область колектора). Підсилений в G_Iф разів фотострум створює на резисторі навантаження R_н спад напруги так само, як показано в схемі на (рис. 4.13).

Проведений аналіз показує, що біполярний фототранзистор можна зобразити у вигляді еквівалентного фотодіода VD та підсилювального транзистора VT (рис. 7.9, б). Еквівалентний діод створюється пасивною базою та областю колектора ліворуч від штрихпунктирної лінії на рис. 7.9, а. Структура звичайного підсилювального транзистора розта­шована праворуч від цієї лінії. Транзистор збільшує чутливість еквіва­лентного діода в (β + 1) раз.

Вивід бази інколи використовується для подачі зміщення робочої точки, забезпечення її температурної стабілізації або подачі додаткового електричного сигналу.

Більшість параметрів біполярного фототранзистора аналогічна за фізич­ним змістом параметрам ФД. Його інтегральна чутливість вища в G_Iф разів порівняно з чутливістю еквівалентного ФД і досягає значень 0,2...2 А/лм. Реальна стала часу біполярного фототранзистора через значні паразитні ємності переходів на 2...3 порядки більша ніж ФД, а пороговий потік (або порогова потужність) через більш високий рівень власного шуму вищий ніж ФД.

Сім’ю вихідних характеристик фототранзистора в схемі із СЕ зображено на рис. 7.9, в. Керувальним струмом є фотострум, який пропорційний світловому потоку – параметру сім’ї вихідних характеристик, аналогічних вихідним характеристикам БТ.

Використання складених транзисторів, з’єднаних зі структурою фототранзистора, дозволяє на 3...4 порядки збільшити чутливість порівняно з еквівалентним ФД. Типове значення їх сталої часу – десятки мікросекунд.

Польовий фототранзистор з керувальним р-п‑переходом – це фототранзистор, фоточутливий елемент якого має структуру ПТ. Його схему вмикання та структуру показано на рис. 7.10, а, а еквівалентну схему – на рис. 7.10, б. Світловий потік через прозорий отвір 1 в діелектрику 2 опромінює канал п-типу 4. Область витоку 3 та стоку 6 мають провідність n⁺-типу. Прилад підключається за допомогою виводів 7. У коло затвора G вмикається резистор R_G, а в коло стоку D – резистор R_н. Знову відзначимо аналогію зі схемою рис. 4.13. Але на відміну від розглянутих вище варіан­тів необхідно звернути увагу на те, що оскільки немає вхідного сигналу, то ПТ з керувальним р-п‑переходом має максимальний переріз каналу, а отже, – і максимальну провідність. Якщо ввімкнено зовнішнє джерело живлення E_D, в колі стоку буде протікати максимальний струм I_Dmax. Напруга на стоці через спад напруги на резисторі навантаження буде мінімальною:

U_DSmin = E_D – I_Dmax R_н.

З подачею світлового потоку в області затвора G та на р-п‑переході затвор – канал генеруються нерівноважні носії. Потенціальний бар’єр цього переходу розділяє носії і створює в колі затвора фотострум I_ф, який на резисторі R_G формує спад напруги U_GS = I_фR_G. Він буде тим біль­шим, чим інтенсивніший світловий потік. Це викликає збільшення негативної напруги на затворі, тобто збільшення зворотної напруги на керувальному р-п‑переході транзистора. Переріз каналу зменшується, провідність спадає, струм стоку зменшується.

Р ис. 7.10. Польовий фототранзистор з керувальним р-п‑преходом:

а – структура і схема вмикання; б – еквівалентна схема

Спад напруги на Rн зменшується, а напруга на виході збільшується і може досягти значення E_D, якщо потужність світлового потоку забезпечить появу фотоструму такої величини, коли напруга на затворі за рахунок спаду напруги на R_G, зумовленого фотострумом, досягне значення напруги відсікання (U_GS(off)). Фототранзистор розглянутого типу можна представити як ФД (структура затвор – канал) та як підсилювальний ПТ з керувальним р-п‑переходом (рис.7.10, б). Струмова чутливість фототранзистора збільшилася в K = SRG разів порівняно із чутливістю еквівалентного ФД і досягає значень 20…25 А/лм. Вхідний опір польового фототранзистора становить близько 10⁶…10⁸ Ом. Тому значення опору резистора R_G може бути великим і його вибором можна завжди забезпечити високу чутливість. Інерційні властивості польового фототранзистора визначає стала часу в колі затвора, яка для малих світлових сигналів має значення близько

τ  10^–7 с.

Порогова потужність (або пороговий потік) польового фототранзистора менші, ніж у БТ, оскільки рівень власних шумів на частотах 1…10 МГц невеликий.

Використовуються різні структури польових фототранзисторів з р‑п‑переходом та МДН-фототранзисторів. Найбільші швидкодія та чутливість структури фотодіод – польовий транзистор. Фотодіод суміщується з областю витоку ПТ – підсилювального елемента. Кожна із складових структури оптимізована: ФД – за чутливістю та швидкодією, ПТ – за граничною частотою і підсиленням.

Порівняльною оцінкою параметрів фототранзисторів виявлено, найбіль­шу чутливість у складеного фототранзистора, а максимальну швидкодію за умови доброї чутливості у структурі фотодіод – біполярний транзистор. Такі самі параметри забезпечує структура фотодіод – польовий транзистор. Фототранзистори поступаються ФД за швидкодією, але за рахунок підсилення сигналу мають високу чутливість.