§ 4.4. Приемники излучения с внутренним усилением фототока

ходе. Для инженерных расчетов Л ФД используют эмпирическую зависимость [33]

где УПр — напряжение лавинного пробоя, при котором М ->оо;

рис. 4.16,6. Как видно из рисунка, при повышении Vn характер увеличения тока для разных потоков Ф различен, так как при увеличении Ф концентрация носителей заряда сильно возрастает, что экранирует объемный заряд р — n-перехода и снижает напря­ женность поля в его области. Это ограничивает /вых и умень­ шает М .

Лавинные фотодиоды представляют собой полупроводниковые аналоги ФЭУ с лучшим, чем у ФЭУ, отношением сигнал/шум. Ко­ эффициент умножения темнового и светового токов зависит от приложенного напряжения. Значение достижимого коэффициента умножения М лавинного фотодиода зависит от сопротивления rs, фоновой засветки и значения темнового тока и для кремниевых ФД равно 104— 10б, а для германиевых — 102— 103.

Коэффициент усиления полного тока увеличивается с увеличе­ нием обратного напряжения, а коэффициент умножения М све­ тового тока /ф имеет максимум при напряжении пробоя. В Л Ф Д используются либо широкий р — n-переход, либо р — i— п-переход, либо поверхностный барьер Шоттки. Так как дырки имеют боль­ ший коэффициент ударной ионизации, освещаемая область ста­ новится п-типа.

Основные виды шумов ЛФД: дробовый, зависящий от коэффи­

с токовым шумом обычного ФД, что ухудшает порог чувстви­ тельности. Современный кремниевый Л Ф Д с рабочей поверхно-

Рис. 4.17. Схема включения (а), эквивалентная схема (6) и вольт-амперные харак­ теристики фототранзистора (в)

стью 2 х 10_6 см2 и обратным напряжением 8— 15 В имеет диапа­

позволяет реализовать частотный диапазон до 10 ГГц, темновой ток /т^ё 10-9 А.

Фототранзисторы. Фототранзистором (ФТ) называют полу­ проводниковый ПИ на основе использования внутреннего фото­ эффекта, совмещающий в себе свойства ФД и усилительного триода. Различают униполярные и биполярные ФТ. Униполяр­ ные ФТ создаются на основе МДП-структур. Различают два их типа: в первом ток обусловлен электронами, и его называют п-ка­ нальным; во втором — дырками, и его называют р-канальным. Наиболее распространены р-канальные униполярные ФТ.

Чаще всего используют биполярные ФТ, поэтому рассмотрим их более подробно в настоящем параграфе, называя их про­ сто ФТ.

Биполярным ФТ называют полупроводниковый ПИ на основе использования внутреннего фотоэффекта с двумя р— п-переходами и с дополнительным усилением фототока на втором р — /г-переходе. Такой ФТ состоит из монокристалла германия п-типа (рис. 4.17, а) — базы, — в котором с двух сторон созданы сплав­ ные р — п-переходы — коллекторный и эмиттерный. Значитель­ ный эффект усиления фототока ФТ наблюдается при его включе­ нии с «оборванной» базой (рис. 4.17, б), при этом на эмиттерный переход подается напряжение в прямом, а на коллекторный — в запирающем направлении.

Входным сигналом для ФТ (в отличие от обычного транзистора) служит падающий поток излучения Ф, который и управляет то­ ком в цепи. Когда ФТ не освещен, через него протекает ток, опре­ деляемый неосновными носителями, инжектированными из эмит­ тера, прошедшими базу и достигшими коллектора. Несмотря на то что переход база — эмиттер включен в прямом направлении, число дырок, инжектированных эмиттером на базу, невелико, а сам ток фактически мал. Объясняется это тем, что дырки на­ капливаются в базе вследствие отсутствия контактирующих от­

рицательных зарядов, которые не могут туда поступать из-за

ееобрыва.

При облучении образующиеся дырки диффундируют к эмит­

теру и коллектору. Дырки, пришедшие к коллектору, увеличи­ вают его ток, а электроны создают избыточный некомпенсирован­ ный отрицательный объемный заряд, уменьшающий потенциаль­ ный барьер перехода эмиттер— база и резко увеличивающий поток дырок из эмиттера в область базы. Эти дырки, пройдя базовую область, попадают на коллектор и еще больше увеличивают ток ФТ, причем ток за счет дырок, вызванных отрицательным объем­ ным зарядом в области базы, превосходит значение тока, опреде­ ляемого дырками, генерированными в базе первоначально под действием света. Таким образом, усиливается фототок. Если есть базовый вывод, его можно использовать для выбора началь­ ного режима и стабилизации рабочей точки ФТ при изменении окру жающей температуры.

Благодаря усилению фототока интегральная чувствительность ФТ выше, чем у ФД, и достигает 0,2— 0,5 А/млм. Вольтовая чув­ ствительность ФТ немного выше, чем у ФД (а иногда и ниже), так как темновой ток ФД больше, а рабочее напряжение питания меньше (3 В). Вольт-амперные характеристики ФТ аналогичны ФД (рис. 4.17, в). Они имеют меньшее внутреннее сопротивление, и их характеристики обладают большей крутизной, чем у ФД. Световые характеристики ФТ линейны в широком диапазоне.

По постоянной времени и частотным характеристикам ФТ уступают ФД, так как эмиттерный переход имеет большую ем­ кость (примерно 10б пФ/см2), что увеличивает постоянную вре­ мени схемной релаксации (постоянная времени ФТ 10“4— 10-\ с).

Кроме схемы включения с оборванной базой, рассмотренной выше, для ФТ разработаны специальные схемы включения, учи­ тывающие необходимую стабильность его работы при изменении температуры окружающей среды. Повышения стабильности ра­

Для того чтобы достичь наибольшей чувствительности схемы включения ФТ с автоматическим смещением (рис. 4.18, а), со­ противление резистора R x выбирают около 100 кОм, R 2 — таким, чтобы напряжение на эмиттере в прямом направлении равнялось нулю. Термостабильность этой схемы не слишком высока, так как напряжение на коллекторе в силу больших значений R ± и R 2 зависит от температуры.

Наибольшей термостабильностью обладает схема включения ФТ с избирательной связью между эмиттером и базой (рис. 4.18, б). Дроссель в схеме создает короткое замыкание по постоянному току и определенную, зависящую от частоты, связь между эмит­ тером и базой по переменному току. Рис. 4.18, в показывает за­ висимость чувствительности схемы от частоты. Для наибольшей

Рис. 4.18. Схема вклю­ чения фототранзисторов с автоматическим смеще­ нием (а) у высокостабиль­ ная схема с избиратель­ ной связью (б) и ее чув­ ствительность (в)у схема с избирательной связью (г) и устройство и включение полевого транзистора (д)

чувствительности необходимо, чтобы сопротивление дросселя на частоте модуляции потока излучения /м было равно

Схема, показанная на рис. 4.18, б, имеет малую чувствитель­ ность к фоновой засветке, так как при /м = 0 чувствительность (рис. 4.18, в) близка к нулю. Исследования показали, что нормаль­ ная работоспособность схемы сохраняется до фоновых засветок 2200 лк и температуры 70 °С. Достоинство схемы — относительно

в схеме, изображенной на рис. 4.18, б, может быть чрезмерно большим. В этом случае используют схему включения, показан­ ную на рис. 4.18, г. Схема обладает меньшим выходным сопротив­ лением (RBblx обратно пропорционально постоянному току эмит­ тера). Она больше чувствительна к фоновым засветкам и обладает худшей стабильностью, чем предыдущая, из-за отличной от нуля связи между базой и эмиттером по постоянному току. Однако индуктивность дросселя выбирается в этой схеме намного ниже, чем в предыдущей.

ФТ имеют следующие недостатки: нестабильность параметров при изменении температуры; неравномерность чувствительности по полю из-за экранирования освещаемой базы коллектором (при освещении базы со стороны коллектора) или эмиттером (при освещении базы со стороны эмиттера); увеличенный по сравнению с ФД порог чувствительности из-за значительных шумов (у ФТ-1 напряжение шума достигает 5-103 мкВ); большую постоянную времени (10“4— 10"в с).

Учитывая названные недостатки, вероятно, целесообразно в будущем проектировать и изготавливать интегральные ПИ, представляющие собой соединение ФД и обычного транзистора в едином технологическом процессе на одном кристалле, что позволит получить эффективный и малоинерционный ФД и ВЧ транзистор: их соединение дает качественный ФТ [67].

Полевые ФТ. Такие ФТ по сравнению с обычными имеют три электрода: исток, сток и затвор (рис. 4.18, (9) [33]. Между исто­ ком и стоком образуется фоторезистивный проводящий канал, сопротивление которого изменяется при его облучении и зависит также от потенциала затвора. Расширение р — /г-перехода умень­ шает сечение канала и увеличивает его сопротивление, и наобо­ рот. При освещении полевого ФТ переход канал— затвор можно рассматривать как обычный ФД, в цепь которого включено со­ противление нагрузки R Hy причем фототок /ф на R H пропорцио­ нален потоку излучения. Падение напряжения на нагрузке AVn =

где S — крутизна характеристики передачи d IJd V H при напря­ жении сток— истоки 1/с_и = const.

Токовая чувствительность полевого ФТ

К недостаткам полевого ФТ относят нелинейность его энер­ гетических характеристик, так как при больших уровнях потока излучения потенциал затвора становится столь малым, что его изменение уже не влияет на ток стока, который близок к макси­ мальному значению. Полевые ФТ имеют постоянную времени ~ 10-7 с, определяемую инерционностью цепи затвора и временем

из закрытого состояния в открытое в прямом направлении. Схема работы фототиристора аналогична схеме работы обычного тири­ стора с той лишь разницей, что управляющей величиной является

в прямомнаправлении,а коллекторный Л 2—в обратном согласно

новые токи утечки коллекторных переходов транзисторов п— р— п и р — п— р.

При освещении фототиристора во всей его структуре генери­ руются пары электрон— дырка, одинаково эффективно участвую­ щие в увеличении тока через структуру. Одновременно электроны базы р 2 диффундируют к р — n-переходу Я 2 и, будучи неосновными носителями в области р 2, переходят в область объемного заряда, где и рекомбинируют, создавая фототок. Электронно-дырочные

то возрастает фототок и увеличиваются коэффициенты усиления по току а Л и а р эквивалентных транзисторов р— п— р и п— р— п

Рис. 4.20. Характеристика управления и определение по ней дифференциальной чувствительности фототиристора (а)у влияние на нее температуры {б)

(рис. 4.19, б). При некоторых значениях потока Ф суммарный коэффициент а = а п -f а р становится равным единице и фото­ тиристор переключается в проводящее состояние. Выражение для тока фототиристора при действии освещения

г^К0 1+ ^К0 2“Ь^Ф

“1— [ап (Ф) + а р (Ф)] •

Рассмотрим некоторые специальные виды параметров и харак­ теристик фототиристоров.

Х а р а к т е р и с т и к о й у п р а в л е н и я фототиристора называют зависимость напряжения включения фототиристора от управляющего светового потока или освещенности Увкл = f ( Ф ) . Напряжение включения Увкл определяет переход прибора из закрытого состояния в открытое, и с увеличением освещенности

для данного типа тиристора коэффициент; Ф СПр — максимальный управляющий световой поток, при котором спрямляется выход­ ная вольт-амперная характеристика в характеристику неуправ­ ляемого фототиристора, когда Ф СПр = Ф таХ; Фпор — пороговый световой поток, определяющий область начальной чувствитель­ ности фототиристора.