3. Фототранзисторы и фототиристоры

Фототранзистор — это фотоэлектронный прибор, имеющий транзисторную структуру, ток которого управляется световым по­током.

Простейший фототранзистор устроен подобно биполярному

Рис. 3.23. Фототранзистор: а — структура; б — условное графиче­ское обозначение; в — схема с общим эмиттером с включенной ба­зой; г — схема включения со свободной базой

транзистору р-п-р или п-р-п типа с двумя р-п переходами: эмиттерным и коллекторным. Базовый слой выполняется очень тонким. Кристалл помещается в корпус, имеющий прозрачное окно для облучения светом базовой области. Структура фото­транзистора, его условное графическое обозначение и схемы включения показаны на рис. 3.23.

Фототранзистор включается в цепь источника питания как обычный биполярный транзистор, так что на эмиттерном перехо­де действует прямое напряжение, а на коллекторном — обрат­ное. Чаще всего используют схему с общим эмиттером (рис.

23. в). Получили большое распространение также схемы со свободной базой, в которых цепь базы разомкнута, причем база может не иметь отдельного вывода (рис. 3.23, г).

Рассмотрим принцип действия фототранзистора р-п-р-типа в схеме со свободной базой (рис. 3.24). В части база — коллек­тор его можно рассматривать как фотодиод, а вместе с эмитте­ром он получает дополнительные усилительные свойства транзис­тора, что значительно увеличивает его чувствительность при пре­образовании световых сигналов в электрические, м При отсутствии светового потока через фототранзистор про­

текает очень малый темновой ток. Он обусловлен тем, что дырки, которые переходят из эмиттера в базу, частично доходят до коллекторного перехода и втягиваются коллектором. Небольшая величина этого тока объясняется тем, что в этом процессе заряд дырок в базе не компенсируется электронами, концентрация которых в базе мала, а пополнения электронов при разомкнутой цепи базы нет. Образующийся таким образом в л-области базы положительный объемный заряд дырок увеличивает потенциаль­ный барьер эмиттерного перехода и препятствует дальнейшему проникновению дырок из эмиттера в базу. В результате коли­чество дырок, инжектируемых эмиттером в базу, ограничивается,

Генерация пар

Рис. 3.24. Принцип действия фототранзистора (а) и его вольт-ампер­ные характеристики (б)

а следовательно, меньше их переходит в коллектор под действием приложенного к коллекторному переходу напряжения. Таким образом, темновой ток фототранзистора получается сравнитель­но малым.

При облучении базовой л-области светом в ней, как и в фо­тодиоде, за счет световой энергии разрушаются ковалентные связи и образуются электронно-дырочные пары. Дырки под дей­ствием приложенного напряжения переходят в коллектор, увели­чивая его ток по сравнению с темновым током, т. е. появляется фототок /_ф. Таким образом, в коллекторном переходе фототран­зистора между базой л-типа и коллектором р-типа происходят те же процессы, что и в фотодиоде.

Однако рассмотренными процессами принцип действия фото­транзистора не ограничивается, поскольку в нем имеется еще эмиттерный переход. Электроны, образованные фотонами света при разрушении ковалентных связей, накапливаются в базе л-ти- па около эмиттерного перехода и понижают его потенциальный

барьер. В результате резко увеличивается количество дырок, ин­жектируемых из эмиттера в базу, которые движутся к коллек­торному переходу и через него — в коллектор. За счет этих ды­рок в цепи коллектора появляется составляющая тока /_к\ а об­щий ток коллектора возрастает, причем в гораздо большей сте­пени, чем за счет дырок, образованных в базе фотонами при попадании светового потока. Здесь сказываются усилительные свойства транзистора: в схеме с общим эмиттером ток усиливает­ся в р раз, где р = h_{2] э}.

На рис. 3.24, а темновой ток /_т показан пунктирными стрелка­ми, фототок /_ф — тонкими сплошными, а ток /к — толстыми сплошными. Общий ток коллектора /_к фототранзистора, вклю­ченного по схеме с общим эмиттером и свободной базой, опре­деляется как сумма трех составляющих:

/к = К -Ь /ф -f- /_т-

Подставив значение /_к' = р/ф, получим:

/_к = р/ф -J- /ф -J- /т-

Или окончательно:

/к = (Р -+- 1) /ф /т.

Таким образом, в фототранзисторе наряду с появлением фо­тотока происходит его усиление, за счет чего он имеет гораздо большую интегральную чувствительность, чем фотодиод.

Чувствительность фототранзистора определяется как отноше­ние изменения тока коллектора к вызвавшему его изменению светового потока при свободной базе и коротком замыкании нагрузки:

5_д„ф = при /_б = 0; R_H = 0.

Чувствительность фототранзисторов составляет сотни милли­ампер на люмен.

Важный параметр фототранзистора — коэффициент усиления по фототоку /Сф, который определяется как отношение тока кол­лектора освещенного фототранзистора со свободной базой к фо­тотоку коллекторного р-п перехода при отключенном эмиттере при той же величине светового потока:

/С_ф = при Ф = const.

1 ф

Коэффициент усиления /(_ф можно определить по формуле: Кф = 1 + Р = 1 h21э\

/С_ф составляет десятки и сотни единиц.

Основные характеристики фототранзистора — вольт-амперные и световые.

Вольт-амперная характеристика фототранзистора — это зави­симость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном световом потоке (рис. 3.24, б):

/к = / (U™) при Ф == const.

Вольт-амперные характеристики фототранзистора по виду аналогичны выходным характеристикам обычного биполярного транзистора, но постоянной величиной, при которой снимается каждая характеристика, будет не ток базы, а световой поток. От вольт-амперных характеристик фотодиода они отличаются масштабом оси токов (ток фототранзистора гораздо больше) и тем, что все характеристики выходят из начала координат, т.е. при и_кэ = О /_к = 0. Чем больше световой поток, тем выше распо­лагаются характеристики.

Световые характеристики фототранзистора линейны и имеют такой же вид, как характеристики фотодиода, работающего с внешним источником питания.

Спектральные характеристики зависят от материала и приме­сей и перекрывают видимую и инфракрасную часть спектра.

Граничная частота биполярных фототранзисторов составляет 10⁵ Гц.

В схеме использования фототранзистора с включенной цепью базы (см. рис. 3.23, в) происходят такие же процессы, как в схеме со свободной базой. При наличии цепи базы появляется дополнительная возможность управлять током коллектора путем изменения тока базы и расширяется область применения фото­транзисторов: наряду с преобразованием слабых световых сигна­лов в электрические и их усилением внутри фототранзистора можно суммировать их с электрическими сигналами, поступаю­щими в цепь базы и усиленными фототранзистором как обычным биполярным транзистором.

Помимо биполярных фототранзисторов разработаны полевые фототранзисторы с управляющим р-п переходом. Они имеют бо­лее высокую чувствительность — до нескольких ампер на люмен, допускают большую мощность; граничная частота их — до 10⁷— 10⁸ Гц.

Фототранзисторы наряду с_ч фоторезисторами и фотодиодами находят применение в различных областях, в том числе и в мик­роэлектронике — в качестве фотоприемников совместно со свето­диодами, являющимися фотоизлучателями.

Фототиристор — фотоэлектронный прибор, имеющий четырех­слойную структуру с двумя выводами (рис. 3.25, а). Его услов­ное графическое обозначение показано на рис. 3.25, б.

Фототиристор, как и обычный полупроводниковый тиристор,

г

имеет структуру р-п-р-п и три р-п перехода, из которых краиние П\ и П₃ включены в прямом направлении, а средний — Я₂— в обратном. Величина напряжения на фототиристоре выбирается так, что при отсутствии светового потока он закрыт. В отличие от обычного тиристора напряжение включения фототиристора зависит не от тока управления, а от светового потока. Фототи­ристор устроен так, что свет падает на внутренние слои р₂ и п_х, в которых за счет энергии фотонов происходит образование пар электрон — дырка. Дырки из области п\ переходят в область р₂, в электроны — из области р₂ в область п\ под действием об-

Генерация пар

Рис. 3.25. Фототиристор: а — структура и схема включения; б — условное графическое обозначение; в — вольт-амперные характеристики

ратного напряжения на коллекторном переходе Я₂. При этом возрастает ток через этот переход, следовательно, увеличивается ток / во внешней цепи. При определенной величине тока фото­тиристор включается. Чем больше световой поток Ф, тем меньше напряжение и_вкл, при котором включается фототиристор.

Вольт-амперные характеристики фототиристора аналогичны вольт-амперным характеристикам обычного тиристора (рис. 3.25, в), но каждая из них соответствует определенному постоян­ному значению светового потока:

/ = f(U) при Ф = const.

При переходе из закрытого состояния в открытое сопротивле­ние фототиристора уменьшается от сотен мегаом до десятых до­лей ома; это происходит практически мгновенно — в течение мил­лионных долей секунды. Фототиристоры используют для комму­тации электрических цепей большой мощнрсти при помощи све­товых сигналов.

Система обозначения фотоэлектронных приборов. Электровакуумные фото­умножители обозначают тремя буквами — ФЭУ — и числом, определяющим коли-

чество динодов во вторично-электронном умножителе; например, ФЭУ-1 —одно­каскадный фотоумножитель, ФЭУ-18 — фотоумножитель многокаскадный, имею­щий 18 динодов.

Полупроводниковые фотоэлектронные приборы имеют в системе обозначений четыре элемента:

первый элемент — две буквы, определяющие группу прибора по принципу действия: ФР — фоторезисторы, ФД — фотоэлектронные прибор.ы с р-п перехода­ми, ФУ — приборы с р-п переходами и внутренним усилением;

второй элемент — буква, определяющая исходный материал, из которого изготовляется прибор: К — кремний, Г — германий;

третий элемент — число от 001 до 999 — порядковый номер разработки при­бора;

четвертый элемент — буква, определяющая подгруппу прибора: Б — биполяр­ный фототранзистор, У — полевой (униполярный) фототранзистор, Т — фото­тиристор.

Примеры обозначений: ФДК9 — фотодиод кремниевый, порядковый номер разработки 9, ФДК155 — то же, порядковый номер разработки 155.

Контрольные вопросы

1. На чем основан принцип действия фоторезистора?

2. Объясните процессы, происходящие в фотодиоде при работе в фотодиодном режиме, и его вольт-амперные характеристики.

3. Объясните процессы, происходящие в фотодиоде при работе в фотогальвани- ческом режиме.

4. Нарисуйте и объясните световые характеристики фотодиода в фотодиодном и фотогальваническом режиме и назовите его основные параметры.

5. Объясните принцип действия и вольт-амперные характеристики фототран­зистора и фототиристора.