Фототранзисторы

В качестве фотоприемников нашли также применение транзистор­ные структуры. Простейший фототранзистор (рис. 2.10, а) имеет два р-п-перехода: эмиттерный и коллекторный. Фототранзистор можно рассматривать как комбинацию фотодиода и транзистора. Его харак­теристики аналогичны характеристикам фотодиода, но соответствую­щие токи оказываются усиленными, поэтому масштаб по оси токов уве­личен в соответствующее число раз (рис. 2.10, г).

Напряжения питания на фототранзистор подают так же, как и на обычный транзистор, т. е. эмиттерный переход смещают в прямом на­правлении, а коллекторный — в обратном (рис. 2.10, б). Довольно час­то применяют включение, когда напряжение прикладывается только между коллектором и эмиттером, а вывод базы остается оторванным (рис. 2.10, в). Такое включение называется включением с плавающей базой и характерно только для фототранзисторов. При включении с плавающей базой фототранзистор будет всегда находиться в активном режиме, однако при Ф = 0 ток через него будет невелик. Это объясня­ется тем, что дырки, инжектированные через эмиттерный переход, пол­ностью не компенсируются электронами высокоомной базы, так как

внешняя цепь, по которой поступают последние, разомкнута, а соб­ственная концентрация их в базе ограничена. Нескомпеисированный заряд дырок в базе повышает высоту потенциального барьера на эмит­терном переходе. В итоге через транзистор протекает сравнительно малый темновой ток /?_к*.

Конструктивно фототранзистор выполнен так, что еветовой поток облучает область базы. В результате собственно поглощения энергии в базе генерируются электронно-дырочные пары. Неосновные носители заряда в базе (дырки) диффунди-

р

Рис. 2.10 Обозначение фототранзи­стора (а); схема его включения с подключенной базой (б) и со сво­бодной базой (в); вольт-амперные (выходные) характеристики (г)

уют к коллекторному переходу и перебр асыва ются электр и чес ким полем перехода в коллектор, уве­личивая ток последнего. Этот про­цесс аналогичен процессу в фото­диоде. Если база разомкнута, то основные носители заряда (электро­ны), образовавшиеся в результате облучения, не могут покинуть базу и накапливаются в ней. Объемный заряд этих электронов снижает потенциальный барьер эмиттерного перехода, в результате чего уве­личивается диффузионное движе­ние дырок через эмиттерный пере­ход. Инжектированные дырки, по­пав в базу, движутся, каки в обыч­ном транзисторе, к коллекторному переходу и, переходя в область коллектора, увеличивают его ток. Таким образом, носители заряда, генерируемые в результате обруче­ния светом, непосредственно сами

участвуют в создании фототока.

Такие же процессы будут иметь место и при подаче тока от внешне­го источника в цепь базы. В этом случае темновой ток при Ф = О будет определяться током базы, т. е. появляется дополнительная воз­

можность управлять током фототранзистора. Выбором соответствую­щего темнового тока удается обеспечить оптимальный режим усиления слабых световых сигналов, а также суммирование их с электрически­

ми сигналами.

Уравнение фототранзистора получим, используя уравнение бипо­лярного транзистора, включенного по схеме с ОБ (1.31). Очевидно, что если ток эмиттера задан и через коллекторный переход протекает

♦ Для фототранзисторов принята следующая система обозначений: верхний индекс характеризует схему включения, нижний — электрод, в цепи которого измеряется ток или напряжение. В нашем случае: схема включения с общим эмиттером «э» в отличие от схемы с общей базой «б», ток измеряется в цепи кол­лектора «к».

обратный темновой ток /®к = Лев о» то фототок увеличивает обратный ток и уравнение токов фототранзистора в этом случае имеет вид

Iобщ.к ⁼ ^216 ^э 4* /тк 4“ /фи»

В схеме с ОЭ, по которой обычно включают фототранзистол, зада­ется ток базы /б = /э — /«. Тогда уравнение для схемы с общим эмит­тером запишется в виде

^общ. К ⁼ ^216 (/общ.б 4" /общ, к) + /ФК+/фк»

Преобразуя его, получим

/общ.к = /^.6 + -т-2— + -f- • (2.2)

или, учитывая, что h_il9 = h₂₁₆/(l — й_ад); (1 4-/г_Пэ)=1/(1 —/i₂i₆); (1 4" h_t^I_w = /_тк, перепишем (2.2):

Iобщ.к = A₂i₈ /общ.б 4"Лк "KI 4*Лдэ) /фк» (2.3)

Так как й₂1э достигает нескольких десятков — сотен единиц, то фототок фотодиода /ф_К увеличивается в соответствующее число раз. При включении со свободной базой /’бщ.б = 0 уравнение (2.3) примет вид

I общ.к ⁼ /w4(l 4" ^и_в) / фн.

Основные характеристики и параметры фототранзистора:

вольт-амперные характериотики напоминают выходные характе­ристики биполярного транзистора в схеме с ОЭ (рис. 2.10, г), только параметром служит не ток базы /_б, а световой поток Ф или фототок /ф_К (при /_б = const);

энергетические характеристики и спектральные характеристики подобны характеристикам фотодиода;

токовая чувствительность — это отношение изменения электри­ческого тока на выходе фототранзистора к изменению светового пото­ка облучения при холостом ходе на входе и коротком замыкании на выходе:

do |'^.б⁼⁰

коэффициент усиления по фототоку К₇ф = (14- й₂ц). В про­мышленных фототранзисторах он достигает значения (14-6)40’ К^ф и может быть найден как отношение фототока коллектора фототранзис­тора со свободной базой к фототоку коллекторного р-п-перехода, из­меренному в диодном режиме (при отключенном эмиттере) при том же значении светового потока;

ширина полосы пропускания биполярных фототранзисторов дости­гает 10⁴ — 10^е Гц.

<Кроме фототранзисторов р-п-р- и n-p-л-типов в качестве высо­кочувствительных фотоприемников можно использовать канальные или полевые фототранзисторы. Они имеют высокую фоточувствительность (до нескольких ампер на люмен), широкую полосу пропускания (10$— Ю⁸ Гц), значительную мощность рассеяния. По своим выходным характеристикам они ближе к фоторезисторам, чем к биполярным тран­зисторам. Полевой фототранзистор выполняется с управ­ляющим р-п-переходом и, так же как обычный полевой транзистор, име­ет три электрода: исток, сток и затвор (рис. 2.11, а). Объем полупровод­ника между стоком и истоком образует проводящий канал. Затвор от­делен от канала р-н-переходом, область объемного заряда которого

Рис. 2.11. Структура полевого фототранзистора (а); его включение в цепь (£) и энергетические характеристики (в)

модулируется потенциалом затвор—исток. Переход затвор — канал можно рассматривать как фотодиод, фототок которого вызывает паде­ние напряжения на резисторе R₉ в цепи затвора (рис. 2.11, б). При Е₈ = — const это приводит к модуляции потенциала затвора:

у:=£,-/^₃

и изменениям сопротивления канала.

Энергетические характеристики полевого фототранзистора показа­ны на рис. 2.11, в. При малом световом потоке Ф < Ф_ш1п и Е₈ = £_В1 а = const транзистор практически заперт и ток стока близок к нулю. При Ф > Ф_т1п в цепи стока протекает ток, значение которого зави­сит от светового потока. До Ф = Ф_та1 энергетическая характеристи­ка близка к линейной. При большом световом потоке Ф ^> Ф_тах влияние напряжения затвора на /^ становится малым и его измене­ния почти не влияют на ток стока, который близок к максимальному значению.

Инерционность полевого фототранзистора определяется инерци­онностью фотодиода в области затвора и временем пролета носителей заряда через канал, которое находится в интервале 10~® — Ю~’ с. Граничная частота полевых фототранзисторов находится в пределах 10⁷ — 10⁸ Гц.Фототиристоры

Фототиристоры используются для коммутации световым сигналом электрических сигналов большой мощности. Фототиристор является фотоэлектрическим аналогом управляемого тиристора. Одна из воз­можных конструкций фототиристора и схема его включения показаны на рис. 2.12, а, б.

Фототиристор имеет четырехслойную р-п-р-п-структуру, у ко­торой переходы ^ и П₃ смещены в прямом направлении, а коллектор­ный переход П₃ - в обратном. Свет обычно попадает на обе базы тири­стора — слои р_г и п±. При этом с ростом освещенности возрастают эмит­терные токи, что приводит к увеличению коэффициентов а. Другими

Рис. 2.12. Эпитаксиально-планарная конструкция фототиристора (а); схема подключения к нему напряжения (б); его вольт-амперная характеристика (в) и условное обозначение (г):

1 — катод, 2 — анод

словами, основное отличие фототиристоров от обычных тиристоров за­ключается в том, что в фототиристорах коэффициенты передачи тока а, хотя и косвенно, являются функцией освещенности. Вольт-амперная характеристика типового фототиристора имеет вид, показанный на рис. 2.12, в. Сопротивление фототиристора изменяется от 10⁸ Ом (в за­пертом состоянии) до 10~¹ Ом (в открытом состоянии). Время переклю­чения тиристоров лежит в пределах 10~* — 10~⁶ с.

Таким образом, фототиристоры позволяют с помощью светового лу­ча управлять значительными мощностями.

Существуют и другие типы фотоприемников, используемых в оп­тоэлектронике. Однако принцип работы большинства их них такой же, так как в основе их работы лежит или изменение электропроводности материала при его освещении, или фотоэффект в р-п-переходах.

Фотоприемники с внешним фотоэффектом не нашли широкого при­менения в оптоэлектронике.