2.5.3. Фототранзисторы и фототиристоры

К фотоприемникам с внутренним усилением, в которых оптическое излучение не только преобразуется в электрический сигнал, но и усиливается, относятся фототранзисторы, составной фототранзистор и фототиристоры.

Биполярный фототранзистор (p – n – p типа, например) включается обычно по схеме с общим эмиттером. Базовый вывод при этом может не подключаться к схеме и I_Б = 0. При освещении транзистора начинается генерация носителей в базе, которые разделяются обратносмещенным коллекторным переходом. Дырки уходят в коллектор, а электроны накапливаются в базе. Для восстановления электронейтральности в базе, поскольку I_Б = 0, эмиттер инжектирует дополнительное количество дырок. Фототок в этом случае играет роль тока базы. Выходные характеристики фототранзистора аналогичны характеристикам обычного биполярного транзистора, только вместо тока базы I_Б параметром в них является световой поток Ф. Ток коллектора, как и в обычном транзисторе, в  раз больше тока базы, равного фототоку I_ф. Это усиление фототока является результатом накопления в базе неравновесных основных носителей.

При подключении вывода базы к внешней схеме неравновесные заряды могут выходить из базы во внешнюю цепь. Скорость этого процесса зависит от сопротивлений в цепи базы. В результате заряд избыточных основных носителей в базе уменьшается, уменьшается и усиление фототока.

Фототиристор имеет тоже четырехслойную p – n - p – n структуру. При освещении структуры в базовых областях возникают неравновесные носители, которые разделяются запертым средним p – n переходом. Обычно фототиристор работает в динисторном включении. В базовых областях происходит накопление основных носителей, как и в базе фототранзистора. Поэтому через открытые переходы П1 и П3 из анода и катода в базы фототиристора будут поступать заряды для поддержания электронейтральности. Поэтому при освещении полный ток через структуру I будет складываться из собственного тока коллекторного перехода I_к0 при заданном напряжении и суммы фототоков через все три перехода

,

где: I_ф1, I_ф2, I_ф3 - фототоки через переходы П1, П2 и П3, а ₁ и ₂ – коэффициенты передачи по току транзисторов, соединением которых представляется тиристор. Три последних слагаемых, зависящие от уровня освещенности, играют роль тока управления в обычном тиристоре, поэтому при изменении потока излучения изменяется напряжение включения фототиристора. Семейство ВАХ фототиристора аналогично семейству ВАХ обычного тиристора, только параметром семейства является поток излучения Ф.

2.5.4. Основные характеристики и параметры фотоприемников

Свойства всех фотоприемников описываются определенным набором характеристик и параметров.

Вольт - амперные характеристики – зависимости фототока I_ф при неизменном световом потоке (Ф = const) от приложенного напряжения. На рис.13 показаны ВАХ некоторых фотоприемников. ВАХ фоторезистора (рис.13а) практически линейна в рабочем диапазоне напряжений. У большинства фоторезисторов наблюдается отклонение от линейности при малых напряжениях, которое обусловлено большим сопротивлением контактов между зернами поликристаллического или пленочного полупроводника, из которого изготовлены фоторезисторы. С увеличением напряжения сопротивление уменьшается из – за разогрева полупроводника и других причин.

Семейство ВАХ фотодиода расположено в квадрантах I, III, IV (рис. 13б). Квадрант I – рабочая область для фотодиода, квадрант III соответствует фотодиодному режиму работы, в котором к p – n переходу приложено обратное напряжение. Из рис. 13б видно, что в рабочем диапазоне обратных напряжений фототок почти не зависит от напряжения и сопротивления нагрузки. ВАХ нагрузочного резистора (линия нагрузки) является прямой, уравнение которой (см. рис. 12в)

(2.12)

Фотодиод и нагрузка R соединены последовательно, и через них протекает одинаковый ток I_ф. Его величину можно определить по точке пересечения ВАХ фотодиода и линии нагрузки (квадрант III на рис. 13б). Очевидно. Что в фотодиодном режиме при заданном потоке излучения A ток I_ф не зависит от Е_обр и R, т.е. фотодиод является источником тока I_ф по отношению к внешней цепи.

Квадрант IV семейства ВАХ фотодиода соответствует фотогальваническому (его называют также фотогальваническим) режиму работы (рис. 13в). Точки пересечения ВАХ с осью напряжения определяют значения фото ЭДС ( напряжения холостого хода R =  ) при различных потоках Ф. Точки пересечения ВАХ с осью токов определяют значение токов короткого замыкания (R = 0). В иных режимах токи определяются точками пересечения ВАХ и линий нагрузки, которые при разных значениях R выходят из начала координат под разными углами (квадрант IV, рис. 13в). При заданном значении тока ВАХ фотодиода позволяет выбрать оптимальный режим работы его в фотогальваническом режиме. Оптимальному режиму соответствует выбор нагрузки R, при котором в него будет передаваться наибольшая мощность. На рис.13в этому режиму соответствует точка А, а площадь заштрихованного прямоугольника определяет мощность, выделяющуюся в резисторе нагрузки R.

ВАХ фототранзистора и фототиристора показаны на рис. 13г и д.

Световая (люкс – амперная, энергетическая) характеристика определяет зависимость фототока I_ф фотоприемника от величины светового потока Ф. Для фоторезисторов световая характеристика, почти линейная при малых значениях Ф, уменьшает свой наклон с ростом Ф. Причиной снижения приращений фототока при больших потоках A является снижение подвижности носителей заряда, т.к. с ростом освещенности возрастает концентрация ионизированных атомов в полупроводнике, а также изменение функций примесных уровней в запрещенной зоне, которые при малых избыточных концентрациях носителей служат ловушками захвата, а при больших концентрациях – рекомбинационными ловушками.

Световая характеристика светодиода линейна в фотодиодном режиме, т.к. величина фототока пропорциональна световому потоку A и зависит только от него. В фотогальваническом режиме световые характеристики представляют зависимостями либо тока короткого замыкания от Ф I_к(Ф), либо фото ЭДС от Ф E_ф(Ф) = U_х(Ф). При больших потоках Ф эти зависимости существенно отклоняются от линейных. I_к(Ф) становится нелинейной из – за падения напряжения на сопротивлении базы фотодиода r_Б, а U_х(Ф) – из – за уменьшения высоты потенциального барьера при накоплении избыточного заряда в n- и p- областях, что ухудшает разделительные свойства p – n перехода.

Спектральная характеристика – зависимость фототока от длины волны падающего излучения. Обычно спектральная характеристика имеет форму кривой с максимумом. При больших длинах волн  излучения энергия квантов света мала по сравнению с шириной запрещенной зоны и фотоэффект не наблюдается. Поэтому для каждого полупроводника существует пороговая длина волны, которую определяют как длину волны, при которой фототок уменьшается в 2 раза относительно максимального со стороны больших длин волн. При малых длинах волн с уменьшением  падающего излучения растет показатель поглощения. Глубина проникновения фотонов уменьшается, возрастает роль поверхностной рекомбинации и уменьшается время жизни неравновесных носителей. Это и приводит к снижению фототока. Поэтому фотоприемники имеют максимальную чувствительность в определенном оптическом диапазоне, зависящем от ширины запрещенной зоны полупроводника.

Интегральная чувствительность фотоприемника – отношение фототока I_ф к световому потоку Ф:

Поскольку в фототранзисторах существует усиление фототока, то и чувствительность фототранзисторов К_0Т в раз выше, чем у диодов К_0д:

Постоянная времени или быстродействие фотоприемника – определяется как время, в течение которого фототок изменяется после освещения или затемнения приемника на 63% (в е раз) по отношению к установившемуся значению. Этот параметр определяется процессами разделения носителей, т.е. скоростью диффузии носителей и полем p – n перехода, а так же его емкостью. Скорость нарастания фототока при освещении приемника и скорость спада I_ф после затемнения определяются различными физическими процессами и поэтому неодинаковы и характеризуются разными постоянными времени: нарастания _н и спада _сп.