Проектирование и испытание фототранзистора (стр. 3 из 4)
(2.4)При освещении базы в ней возникают электронно-дырочные пары. Так же как и в фотодиоде, пары, достигшие в результате диффузии коллекторного перехода, разделяются полем перехода, неосновные носители из базы движутся в коллектор, при этом его ток увеличивается. Основные носители остаются в базе, понижая ее потенциал относительно эмиттера. При этом на эмиттерном переходе создается дополнительное прямое напряжение, вызывающее дополнительную инжекцию из эмиттера в базу и соответствующее увеличение тока коллектора.
Рисунок 2.2 - Энергетическая диаграмма фототранзистора (а) и вольтамперные характеристики фототранзистора при разных уровнях освещения (б).
2.1.1 Работа фототранзистора с общим эмиттером
Рассмотрим, например, работу фототранзистора в схеме с общим эмиттером при отключенной базе. Фототок коллекторного перехода суммируется с обратным током коллектора, поэтому в формуле для тока транзистора вместо JК0 следует поставить [17]
JК0 + JФ/J = (JК0 + JФ)/(1-α).
При JК0>>JФ J =JФ/(1-α) ≈ βJФ, т.е. фототок фототранзистора усиливается в β раз по сравнению током фотодиода. Соответственно в β раз увеличивается и чувствительность. Ток может быть усилен в 1000 раз, поэтому чувствительность фототранзистора во много раз больше чувствительности фотодиода. Однако поскольку произведение коэффициента усиления на полосу частот величина постоянная, то предельная частота уменьшается в β раз.
Рисунок 2.3 - Эквивалентная схема фототранзистора.
Наличие диффузии носителей обуславливает значительную инерционность прибора τ = 10–5-10–6 с. При сужении базы время диффузии уменьшается, но уменьшается и чувствительность. Для германиевых фототранзисторов SI= 0,2-0,5 А/лм, Vраб= 3 В, Iтемн= 300 мкА, τ = 0,2 мс. В корпусе прибора предусмотрено прозрачное окно, через которое световой поток попадает обычно на базовую область фототранзистора. Площадь фоточувствительной площадки составляет 1-3 мм2.
2.2 Параметры фототранзисторов
Основные параметры фототранзисторов представлены в таблице 2.1
Таблица 2.1 - Параметры фототранзисторов
| Условное обозначение | Единица измерения | Определение |
| Up | В | Рабочее напряжение постоянное напряжение, приложенное к фототранзистору, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной ею работе |
| ∆λ | мкм | Область спектральной чувствительности фототранзистора интервал длины волны спектральной характеристики фототранзистора, в котором его чувствительность равна 10% и более от своего максимального значения |
| Условное обозначение | Единица измерения | Определение |
| Рmax | мВт | Максимально допустимая рассеиваемая мощность — максимальная электрическая мощность, рассеиваемая фототранзистором, при которой отклонение ею параметров от номинальных значений не превышает указанных пределов при длительной работе |
| Iт | мкА | Тем новой ток — ток. протекающий через фототранзистор при заданном напряжении на нем в отсутствие потока излучения |
| Iф | мА | Фототок (ток фотосигнала) ток, протекающий через фототранзистор при указанном напряжении на нем, обусловленный действием потока излучения |
| S1инт | А/лм или А/лк | Токовая интегральная чувствительность - отношение фототока к значению мощности (или освещенности) потока излучения с. заданным спектральным составом, вызвавшего появление фототока |
| Фп | Вт | Порог чувствительности — среднеквадратическое значение первой гармоники действующего на фоточувсгвительныи элемент фототранзистора модулированного потока излучения заданного спектрального распределения, при котором среднеквадратическое значение первой гармоники фототока равно среднеквадратическому течению шумового тока в заданной полосе на частоте модуляции потока излучения |
| Условное обозначение | Единица измерения | Определение |
| Ку.ф | отн.ед. | Коэффициент усилении фототока — отношение фототока коллектора при отключенной базе к фототоку освещаемого перехода, измеренного в фотодиодном режиме |
| 2β | град | Плоский угол зрения фототранзистора угол в нормальной к фоточувствительному элементу плоскости между крайними направлениями падения параллельного пучка излучения, при которых ток фотосигнала уменьшается до заданного уровня |
| τср | мкс | Постоянная времени до садy фотототока - время в течение которого фототок уменьшается до значения, равного 37 % от максимального, при затемнении фоточувствительного элемента фототранзистора |
2.3 Виды и конструкции фототранзисторов
Существует две разновидности конструкций фототранзисторов: поперечная и продольная. Продольные транзисторы имеют более простую конструкцию и технологию, удобны для включения в интегральные схемы, но уступают по своим функциональным параметрам [15].
Рисунок 2.4 - Структура поперечного (а) и продольного (б) фототранзисторов.
Достоинства фототранзисторов: наличие механизма внутреннего усиления, т.е. высокая фоточувствительность, схемотехническая гибкость, связанная с наличием третьего электрода.
Основные недостатки: ограниченное быстродействие и температурная зависимость параметров.
2.4 МДП-фототранзисторы
МДП (металл-диэлектрик-проводник) фототранзистор представляет собой полевой транзистор с изолированным затвором, в котором поглощаемый в подзатворной области световой поток приводит к изменению проводимости канала между истоком и стоком. Вызванное светом увеличение тока приводит к изменению порогового напряжения и крутизны передаточной характеристики. Электрод затвора должен быть изготовлен из прозрачного или полупрозрачного материала. МДП-фототранзистор, таким образом, является аналогом фоторезистора, но может быть использован в любом режиме подзатворного канала: обогащении, обеднении, инверсии.
Рисунок 2.5 - Структура МДП-фототранзистора.
При использовании в качестве фотоприемников МДП-транзисторов их целесообразно применять в сочетании с фотодиодом на основе p-n перехода. Технологически фотодиод и МДП-транзистор изготавливаются на одной пластине полупроводника и фотодиод подключается к истоку и затвору. Так как ток через затвор не протекает, то фотодиод работает в режиме генерации фотоЭДС [11]. При одновременном освещении p-n перехода и МДП-транзистора меняется как напряжение отсечки, так и фотонапряжение p-n–перехода. Фото ЭДС p-n-перехода изменяет потенциал затвора, поэтому изменяется ток в цепи исток-сток.
Рисунок 2.6 - Структура (а) и эквивалентная схема (б) МДП-транзистора с фотодиодом на основе p-n перехода.
МДП-фототранзисторы являются удобными фоточувствительными элементами для создания многоэлементных фотоприемников [2].
2.5 Гетерофототранзисторы
Гетерофототранзисторы (рис. 3.4) основаны на принципе действия обычного биполярного фототранзистора, но в них используются и все достоинства гетероструктур: широкозонные эмиттерное и коллекторное окна (что позволяет создавать конструкции с прямой и обратной - через толстый коллекторный слой - засветкой); тонкая фотоактивная базовая область, полностью поглощающая воздействующее излучение; идеальность гетерограниц, препятствующих просачиванию основных носителей базы в коллектор и накоплению их в нем. Все это ведет к тому, что гетерофототранзисторы могут иметь не только высокую чувствительность в любом заданном участке спектра, но и очень высокое быстродействие (в нано- и субнаносекундном диапазоне).
Однако гетерофототранзисторы используются, как правило, лишь в диодном включении (так как вывод от узкой базовой области сделать затруднительно), что лишает их схемотехнической гибкости, присущей транзисторам. По мере усовершенствования и промышленного развития эти приборы станут "соперниками" ЛФД, выгодно отличаясь от них низким питающим напряжением, отсутствием жестких требований к стабилизации режима работы и другими достоинствами, присущими транзисторам.
Рисунок 2.7 - Гетерофототранзистор
1-- n+-InP-эмиттер с кольцевым электродом;
2-- p-InGaAsP-база;
3-- n+-n-InP-коллектор (подложка).
Тонкая фотоактивная базовая область, обусловленная идеальностью гетерограниц, обеспечивает накопление основных носителей заряда в базе и отсутствие просачивания неосновных носителей в эмиттер.
Рисунок 2.8 - Структура гетерофототранзистора.
Гетерофототранзисторы имеют высокую фоточувствительность и быстродействие (10–9-10–10 с), низкое напряжение питания, возможность выбора спектральной области чувствительности [5].
Но в то же время гетерофототранзистор используется обычно в диодном включении (вывод от узкой базы сложно сделать), поэтому не полностью реализуются схемотехнические возможности фототранзистора.
2.5.1 Физические основы гетероперехода
Если n- и p-область перехода изготовлены из различных полупроводников, то такой переход называется гетеропереходом. Отличие от обычного перехода более тонко в том случае, когда полупроводники взаиморастворимы, а переход плавный. Переходы последнего типа иногда называют "квазигомопереходами". Таким образом, плавные переходы между n-ZnSe и p-ZnTe или между p-GaAs и n-GaР являются квазигомопереходами.