Фототранзистор и фототиристор

Фототранзистор- это управляемый излучением прибор с двумя или большим числом взаимодействующих между собой электрических переходов. Его применяют в качестве чувствительного к излучению элемента оптоэлектронных пар и фотоприемных устройств, первичного преобразователя измерительных информационных систем, элемента приемного модуля волоконно-оптических линий связи средней пропускной способности и др.

Устройство и схема включения биполярного фототранзистора также показаны на рис. 6.10, а.

Фототранзистор состоит из: 1 - эмиттерной области р⁺- типа; 2 - области базы n-типа, большая часть которой пассивна и открыта световому потоку; 3 - широкой коллекторной области р-типа. Пассивная часть базы расположена на рис. 6.10, аслева от штрих-пунктирной линии. Фототранзистор, как правило, включается по схеме ОЭ с резистором нагрузки R_н в коллекторной цепи (рис. 6.10, а). Входным сигналом фототранзистора является модулированный световой поток, а выходным - изменение напряжения на его коллекторе.

в

б

а

Рис. 6.10. Биполярный фототранзистор: а - устройство и схема включения; б – эквивалентная схема; в - семейство выходных характеристик в схеме с ОЭ

Рассмотрим принцип работы фототранзистора в схеме с разорванной цепью базы. Оптический сигнал генерирует в коллекторном переходе и области пассивной базы носители. Эти носители диффундируют в базе к коллекторному переходу и разделяются его электрическим полем. Неосновные носители создают фототок коллекторного перехода, а основные накапливаются в базе и компенсируют заряд неподвижных ионов примесей на границе эмиттерного перехода. Потенциальный барьер перехода снижается, что усиливает инжекцию носителей из эмиттера в базу. Инжектированные носители диффундируют через базу к коллекторному переходу и втягиваются его электрическим полем в область коллектора. Ток инжектированных носителей, а соответственно и образованный ими коллекторный ток многократно превышает фототок оптически генерируемых носителей.

Общий ток коллектора - это сумма фототока I_фб и тока I_кр инжектированных эмиттером дырок, прошедших коллекторный переход.

Коэффициент усиления фототока:

М = (I_фв + I_кр)/I_фб = b + 1, если R_н ®0, (6.7)

Семейство выходных характеристик фототранзистора в схеме с ОЭ приведено на рис 6.10, в. Фототок образован генерируемыми в области базы неравновесными носителями.

К основным характеристики фототранзистора относятся:

световая характеристика -это зависимость тока коллектора от светового потока I_к = ¦(Ф).

вольтамперные характеристики фототранзистора (рис. 6.11) напоминают выходные характеристики обычного транзистора в схеме ОЭ, но параметром здесь служит не ток I_к, а световой поток Ф.

частотные характеристики. Частотные свойства фототранзисторов определяются в основном диффузионным движением носителей в базе прибора и процессами заряда емкостей переходов.

С увеличением частоты модуляции светового потока фототок уменьшается так же, как и в фотодиодах (рис. 6.12).

Рис. 6.11. Вольт-амперные характеристики фототранзистора

Рис. 6.12. Частотная характеристика фототранзистора

Одним из важнейших параметров фототранзистора служит коэффициент усиления по фототоку фототранзистора (К_уф) - отношение фототока коллектора фототранзистора при отключенной базе к фототоку освещаемого р-n-перехода, измеренному в диодном режиме:

К_уф = 1/(1 - h_21Э), (6.9)

Токовая чувствительность фототранзистора - это отношение изменения электрического тока на выходе фототранзистора к изменению потока излучения при холостом ходе на входе и коротком замыкании на выходе по переменному току.

h_21Э = DI_к/DФô_{при Iб = 0}. (6.10)

Полевой фототранзистор

Устройство и схема включения полевого фототранзистора с управляющим р-n-переходом показаны на рис. 6.14, а.

Световой поток генерирует неравновесные носители в области затвора (З) и р-n-перехода затвор-канал. Электрическое поле этого перехода разделяет неравновесные носители.

б

а

Рис. 6.14. Полевой фототранзистор с управляющим р-n-переходом: а - устройство и схема включения;

б – эквивалентная схема; 1 - просветляющее покрытие; 2 - диэлектрический слой; 3 - область истока n⁺ - типа; 4 - канал n-типа; 5 - область затвора р-типа; 6 - стоковая область n⁺ -типа; 7 - выводы прибора; R_н- резистор нагрузки в цепи затвора; R_н.тр- резистор нагрузки фототранзистора.

В цепи затвора появляется фототок I_ф. Он создает на резисторе R_н падение напряжения:

DU_з = I_фR_н, (6.11)

Напряжение на затворе увеличивается, ток стока изменяется на:

DI_с = SDU_з = SI_фR_н, (6.12)

где S - крутизна стокозатворной характеристики полевого транзистора. Проводимость канала возрастает, и соответственно уменьшается напряжение стока на:

DU_с = SI_фR_нR_н.тр, (6.12`)

Изменение напряжения стока является выходным электрическим сигналом схемы. Таким образом, полевой фототранзистор эквивалентен фотодиоду «затвор-канал» и усилительному полевому транзистору с управляющим р-n-переходом (рис.6.14, б).

Параметры полевого фототранзистора аналогичны по физическому смыслу параметрам биполярного.

Фототиристор

Фототиристор - это управляемый излучением прибор с тремя или большим числом электрических переходов. Его применяют в системах силовой автоматики для переключения средних и больших мощностей, системах дистанционного управления источниками питания РЭА, электронных реле, оптоэлектронных парах и др.

Устройство фототиристора и схема его включения приведены на рис. 6.16.

Рис. 6.16. Устройство фототиристора и схема его включения: 1 - просветляющее покрытие; 2 - диэлектрический слой; 3 и 4 - эмиттерные области соответственно n⁺- и р-типа;

5 и 6 - базовые области р- и n-типа; 7 - выводы фототиристора (УЭ - управляющий электрод, Э - эмиттер); R_н - резистор нагрузки

Оптический сигнал генерирует неравновесные носители в базовых областях 5и 6 фототиристора, образующих р-n-переход, смещенный внешним источником Ев обратном направлении. Носители разделяются электрическим полем p-n-перехода. Через переход протекает фототок, а в базовых областях 5 и 6 накапливаются основные носители, понижающие потенциальный барьер эмиттерных переходов. Снижение потенциального барьера повышает инжекцию носителей из эмиттеров в базы.

Параметры фототиристора:

- пороговый поток Ф_пор или мощность излучения Р_пор, обеспечивающие гарантированное включение фототиристора при заданном напряжении источника E_и;

- минимальная длительность импульса светового потока T_и, обеспечивающая включение тиристора при заданном световом потоке;

- время включения T_вкл и выключения T_выкл;

- рабочая длина волны - определяется материалом (обычно кремний) фототиристора

- максимально допустимая скорость нарастания выходного напряжения dU_вых/dt;

- максимально допустимый выходной ток I_{вых.макс};

- максимальное рабочее напряжение U_макс;

- пороговая мощность прямо пропорциональна максимальному рабочему напряжению и максимально допустимой скорости нарастания выходного напряжения.

Семейство вольт-амперных характеристик фототиристора приведено на рис. 6.17, где в качестве параметра используется световой поток. При потоке Ф = 0 вольт-амперная характеристика не отличается от характеристики диодного тиристора. Световой поток и фототок базы тиристора прямо пропорциональны. Поэтому при Ф ¹ 0 вольт-амперные характеристики фототиристора аналогичны характеристикам триодного тиристора.

Рис. 6.17. Семейство вольт-амперных характеристик фототиристора

Фоторезистор

Фоторезистор –это фотоэлектрический прибор с двумя выводами, сопротивление которого изменяется под действием излучения. Его используют в оптоэлектронных парах, оптических приемниках инфракрасного диапазона, первичных преобразователях измерительных систем и др.

Фоторезистор представляет собой тонкую пластинку или пленку полупроводника 1 с омическими контактами 2 на двух противоположных концах (рис. 6.18), к которым подключается электрический источник питания. Полупроводник обычно наносится на стеклянную подложку 3.

Рис. 6.18. Структура фоторезистора

Наиболее распространены фоторезисторы на основе CdS и CdSe, спектральные характеристики которых располагаются в видимой области спектра. В инфракрасном диапазоне работают фоторезисторы из Ge, Si и т.д. Падающее на поверхность фоторезистора излучение генерирует в нем свободные носители за счет собственного или примесного поглощения.

Параметры и характеристики фоторезистора:

- коэффициент внутреннего усиления фототокаК_R, определяющий квантовую эффективность прибора.

К_R = (I_ф/q)×(1/N_Ф×А), (6.14)

- постоянная времени релаксации (спада) фотопроводимости t_рел. Этот параметр показывает скорость спада характеристики после прекращения оптического возбуждения,

пропорциональна времени жизни электронов

- монохроматическая чувствительностьS_ф(l), которая определяется отношением фототока I_Ф к полной мощности излучения Р_изл, с длиной волны l, падающей на чувствительную площадку фоторезистора, то есть

S_ф(l) = I_ф/P_изл(l), А/Вт ; (6.15)

- токовая и вольтовая чувствительность;

- темновое сопротивлениеR_тм–это сопротивление фоторезистора при нулевом световом потоке;

- пороговый поток (пороговая мощность)или обнаружительная способность. На рис. 6.19 представлены зависимости обнаружительной способности от длины волны.

Рис. 6.19. Зависимости обнаружительной способности

от длины волны

- допустимая рассеиваемая мощность P_макс;

- рабочее напряжение U_р;

- предельно допустимое напряжение U_макс;

- рабочая длина волны или диапазон рабочих волн;

- вольт-амперная характеристика фоторезистораприведена на рис. 6.20. Она имеет линейный вид, параметром служит световой поток Ф (лм);

Рис. 6.20. Вольт-амперная характеристика фоторезистора

- частотная характеристика.Ее вид подобен аналогичной характеристике фототранзистора (см. рис. 6.12).