15.3.3 Фотоприемники на основе фототранзисторов

Фототранзистор – фоточувствительный полупроводниковый приемник излучения, по структуре подобный транзистору и обеспечивающий внутреннее усиление сигнала. Его можно представить состоящим из фотодиода и транзистора.

Фотодиодом является освещаемая часть перехода база-коллектор, транзистором – часть структуры, расположенная непосредственно под эмиттером. Так как фотодиод и коллекторный переход транзистора конструктивно объединены, то фототок суммируется с коллекторным током. Напряжение питания подводят так, чтобы коллекторный переход был закрыт, а эмиттерный – открыт. База может быть отключенной.

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.

Рассмотрим, например, работу фототранзистора в схеме с общим эмиттером при отключенной базе (рис.15.6). Фототок коллекторного перехода суммируется с обратным током коллектора, поэтому в формуле для тока транзистора вместо I_К0 следует поставить I_К0 + I_Ф:

. (15.6)

При I_К0>> I_Ф

, (15.7)

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. Наличие диффузии носителей обуславливает значительную инерционность прибора τ =10^-5…10^-6с.

Существует две разновидности конструкций фототранзисторов: поперечная и продольная (рис.15.7). Продольные транзисторы имеют более простую конструкцию и технологию, удобны для включения в интегральные схемы, но уступают по своим функциональным параметрам.

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.

15.3.4 Фотоприемники на основе фототиристоров

Фототиристор – полупроводниковый приемник излучения, содержащий структуру тиристора, которая обеспечивает переключающие свойства прибора.

Прибор представляет собой четырехслойную p-n-p-n структуру, содержащую соответственно, три p-n перехода, из которых средний называют коллекторным, а два крайних – эмиттерными. Внешние области называются эмиттерами, внутренние – базами. Тиристор включается так, чтобы коллекторный переход был включен в обратном направлении, а оба эмиттерных – в прямом. При таком включении переходов, как было рассмотрено в разделе 14.2, тиристор можно представить в виде двух последовательно включенных транзисторов p-n-p и n-p-n с положительной обратной связью через общие базы и коллекторы. Сильная положительная обратная связь является причиной появления на вольтамперной характеристике прибора участка с отрицательным динамическим сопротивлением.

Тиристор может находиться в одном из двух устойчивых состояний, закрытом высокоомном и открытом низкоомном (рис.15.8). Переход из одного устойчивого состояния в другое происходит скачком (на отрицательном участке ВАХ состояние прибора неустойчиво), когда напряжение на управляющем электроде (для обычного тиристора) или освещенность (для фототиристора) превышают некоторое пороговое значение. При этом переходе сопротивление тиристора и ток через него изменяются в 10⁶ -10⁷ раз: примерно от 10⁸ Ом в закрытом состоянии до 10^-1 Ом – в открытом. Таким образом, фототиристор имеет очень высокий коэффициент усиления по току и по мощности.

Излучение в фототиристоре поглощается в обеих базах: с ростом освещенности увеличиваются токи эмиттеров, происходит накопление положительных и отрицательных зарядов, необходимых для перевода во включенное состояние.

С ростом освещенности напряжение переключения уменьшается. Таким образом, свет играет роль управляющего электрического сигнала у тиристора с третьим выводом (от базы) и позволяет бесконтактным способом управлять токами в различных электрических цепях.

Выключить фототиристор можно сняв с него выходное напряжение, что легко реализуется при переключении цепей переменного тока.

Главным достоинством фототиристоров как фотоприемников с ВАХ S-типа является внутреннее усиление фототока, что значительно увеличивает фоточувствительность. По сравнению с фототранзисторами фототиристоры обеспечивают большое значение коммутируемых токов и напряжений, более высокое по сравнению с составными фототранзисторами быстродействие (10-30 мкс). Фототиристоры используются для управления большими токами в «силовой» оптоэлектронике.