7.5. Фототранзисторы

7.5.1.Биполярные фототранзисторы (ФТ) сочетают в себе свойства ФД и усилителя, т.е. это приборы с внутренним усилением, поэтому S_I10A/м (15мА/Вт) при рабочем напряжении 3В. Конструкция ФТ и его эквивалентная схема показаны на рис.7.8.а, б. из которых видно, что ФТ можно представить как ФД с транзистором. Поэтому наблюдается линейная зависимость I_k(Ф), S_I увеличивается в h_21Э раз по сравнению с ФД, однако во столько же раз уменьшается f_гр (К_уf=const). При облучении базовой области образующиеся дырки диффундируют к эмиттеру и коллектору, т.е. ФТ управляется световым потоком. Зависимости I_k(U_кэ) при разных Ф аналогичны ВАХ ФД.

В схеме рис.7.8,в для повышения S_u необходимо увеличивать R_б, поэтому для устранения фоновой засветки вместо R_б применяется дроссель. Схема рис.7.8,г называется “с оборванной базой”- в этом случае R_б= и получим максимальную S_u,

однако R_вых уменьшается в 8-10 раз (R_вых=R_k/1+h_21э, где R_k- сопротивление коллекторного перехода).

Рис.7.8. Конструкции и схемы включения ФТ

Недостатками ФТ являются: нестабильность параметров от температуры, неравномерная чувствительность по полю окна, увеличение Ф_пор из-за шумов и большая постоянная времени .

7.5.2. К специальным типам ФТ относятся полевые ФТ на основе МДП структур и p-n переходов, которые выполняются в двух вариантах.

В первом варианте используется комбинация ФТ (с p-n переходом или переходом Шоттки ) и полевой транзистор (рис.7.9,а). Во втором варианте используется собственно ФТ (рис.7.9,б). Свет может падать как на n-канал, так и на полупрозрачный затвор. Такая конструкция называется ФТ со встроенным каналом. В его работе участвуют два фактора:

1. Изменение сопротивления фоторезистивного канала между истоком и стоком от светового потока Ф и напряжения затвора;

2. Расширение области p-n перехода за счёт падения напряжения фототока на R_н , в результате чего уменьшается сечение канала. Токовая чувствительность при этом может быть выражена как

(7.7)

где I_c/U_н400, поэтому чувствительность увеличивается более чем на три порядка.

Реальные конструкции полевых ФТ могут быть со встроенным каналом (рис.7.9,б) и индуцированным каналом (рис.7.9,г). Работа полевых ФТ со встроенным каналом не зависит от полярности затвора, а с индуцированным каналом работа возможна только при положительной полярности затвора, которая обеспечивает инверсию типа проводимости из p- типа в n-тип, что и образует канал n-типа.

Для Si полевых ФТ возможна работа при =0,22-2,5 мкм, а при легировании Au, In, Ga- до =14 мкм.

Достоинствами полевых ФТ являются высокая токовая чувствительность и высокое быстродействие (10^-7c).

Недостаток – нелинейность характеристик.

Из других типов ФП существуют ещё фототиристоры, работающие в ключевом режиме. Широкое распространение для развязки различных цепей по постоянному напряжению получили оптроны – комбинация светодиода и фотоприемника (ФД, ФР, ФТ и т.д.).

Рис.7.9. Полевые ФТ

7.6. Многоэлементные ФотоПриёмники

7.6.1.Наиболее важные области применения многоэлементных ФП:

- получение информации о топологии наблюдаемого объекта в заданном спектральном диапазоне;

- преобразование информации в видеосигнал и воспроизведение в реальном масштабе времени или в записи (иногда в другом спектральном диапазоне).

Различают координатные, линейные и матричные ФП, работающие в реальном масштабе времени и с накоплением заряда, с внутренними электрическими связями и с полной электрической развязкой.

7.6.2. Координатным называется фотоприемник, по выходному сигналу которого определяют координаты светового пятна на светочувствительной поверхности.

Чувствительный слой состоит из двух, четырех, восьми – элементов на одном кристалле и в одном корпусе. Регистрация координат пятна осуществляется с помощью коммутатора и обработки сигналов всех элементов.

Простейший однокоординатный ФП – двухэлементный (разрезной) ФД состоит из двух ФД с площадью аb каждый выполненных на одном кристалле. Известны конструкции с ;(рис. 7.10,а). На рис.7.10,б показана схема для выделения разностного сигнала, а на рис.7.10,в – зависимостьот положения пятна –пеленгационная характеристика.

Рис.7.10 Координатные фотоприемники

На рис.7.10,г показан вариант двухкоординатного фотоприемника из четырех элементов. Выходной сигнал зависит от формы пятна, и в простейшем для анализа работы случае квадратного пятна (заштрихованная область) разностные напряжения иимеют вид

; (7.8)

;

где R_H – сопротивление нагрузки; S_I – токовая чувствительность; x,y- координаты пятна. Известны конструкции с размерами ;, для которых;. Такие фотоприемники используются в системах автоматики и тепловых головках самонаведения ракет.

7.6.3. Элементом матричного фотоприемника с полной электрической развязкой является комбинация МДП – фотодиода и трех – четырех МДП – транзисторов в интегральном исполнении. Такие ФП выпускаются с количеством элементов от 1616 до 3232 и имеют сложную схему съема информации из-за большого количества выводов.

Сканистор - это один из первых развертывающих ФП на базе p-n переходов. Непрерывный сканистор представляет собой трехслойную структуру p-n-p (n-p-n) в виде полоски, коллектор которой является распределенным сопротивлением. Такой сканистор фактически является одноэлементным, но на практике используются дискретные – многоэлементные сканисторы. К крайним эмиттерам подается постоянное напряжение смещения, а на общую освещенную базу – пилообразное напряжение развертки. Информация об освещенных участках заключена в токе базы. Сканисторы имеют низкую разрешающую способность и большую постоянную времени.

7.6.4. Чаще всего применяются ФП с внутренними электрическими связями, особенно приборы с зарядовой связью (ПЗС). Рассмотрим линейный ФП с зарядовой связью (ПЗС- линейку). Он представляет собой ряд МОП- конденсаторов на n-Si с диэлектриком SiO₂, прозрачные электроды которых соединены тремя подводящими шинами (рис.7.11).

Приложение через шины к электродам (затворам) отрицательного напряжения –U приводит к образованию обеднённой области, т.е. потенциальной ямы для неосновных носителей- дырок. Толщина обеднённой области увеличивается с ростом U . При освещении МОП- структуры под действием света генерируются неосновные носители- дырки, которые скапливаются на границе с диэлектриком (в потенциальной яме). Число дырок пропорционально интенсивности света и времени воздействия, следовательно, распределение освещённости на линейке преобразуется в рельеф электрических зарядов.

Работу ПЗС-линейки при освещении единственной точки- электрода 1 можно представить в три этапа:

I этап - накопления (хранения) информационного заряда. Для этого на шину №1 подаётся напряжение храненияU₁=-5 В. Под затворами 1, 4,… возникают обеднённые области (потенциальные ямы), количество дырок в которых пропорционально освещённости и времени хранения=п (10нс1с). На рис.7.11 условно показано распределение энергииЕ₁(х) и потенциальная яма с двумя дырками.

Рис.7.11. Работа ПЗС – линейки

II этап- режим переноса заряда путём подачи на шину №2 напряжения переноса U₂=-10 В. с более глубокой потенциальной ямой, куда и перетекают дырки-Е₂(х). Процесс ускорен (t_пер<<) за счёт поля в промежутке между электродами. В этом этапе происходит и считывание информации.

III этап- режим стабилизации заряда. Напряжение с первой шины снимается (U₁=0), а на второй шине устанавливается U₂=-5 В. Т.о. осуществлён процесс переноса заряда. Затем напряжение переноса устанавливается на шине №3 (U₃=-10 В) и т.д. Величина заряда несёт информацию об освещённости и постепенно весь зарядовый рельеф перемещается вдоль линейки.

Для вывода информации используется выходной диод - Д, смещённый в обратном направлении и работающий, как ёмкость, напряжение на которой меняется пропорционально перенесённому на неё пакету зарядов (U=q/c). Выходной ключ на полевом транзисторе сброса Т после считывания очередного импульса выходного диода возвращает его в исходное состояние. При замыкании ключа (подаче на затвор транзистора тактового импульса) происходит заряд ёмкости С до напряжения –U_Т (уровня тёмного). При размыкании (в промежутке между тактовыми импульсами) на ёмкости появляется спадающий импульс напряжения. Экстракция зарядового пакета из последней ячейки вызывает уменьшение обратного напряжения на диоде и ёмкости. В результате на вход предусилителя поступает последовательность импульсов, огибающая которых является видеосигналом.

Для предотвращения “смазывания” изображения длительность импульсов переноса должна быть намного меньше длительности импульсов хранения, но лучше на время сдвига затемнять линейку. Важен правильный выбор тактовой частоты, так как при f_T<1 кГц ухудшается контраст из-за темновых токов. Для увеличения f_T нужно уменьшать размеры элементов и зазоры. В современных ПЗС структурах процессы накопления и считывания пространственно разделены, т.е. используется отдельный регистр сдвига.

Основным недостатком ПЗС- структур является потеря информации всей строки при выходе из строя одного элемента. Этот недостаток устраняется в приборах с зарядовой инжекцией, но они имеют меньшую разрешающую способность, большие теневые токи и перекрёстные наводки.

7.6.2. Наряду с ПЗС- линейками применяются ПЗС- матрицы- ряд элементов на плоскости. Количество элементов доходит до 640х480 на площадке 123 мм² (1х1,2 см). такие матрицы применяются вместо приёмных телевизионных трубок и обеспечивают разрешающую способность до 40 линий на мм.

Для цветных матриц возможно применение трёх строк со светофильтрами для исходных цветов, причём плёнка светофильтра наносится непосредственно на матрицу. В другом способе проектируемое изображение сразу разделяется светофильтром и используется 2 или 3 чёрно-белых матрицы.