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, а слева 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 = D I _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:

 

D U _з = I _ф R _н, (6.11)

 

Напряжение на затворе увеличивается, ток стока изменяется на:

 

D I _с = S D U _з = SI _ф R _н, (6.12)

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

 

D U _с = SI _ф R _н R _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 Е в 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 d U _вых / d t;

- 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 фототока К _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 чувствительность S _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 сопротивлени е R _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 фоторезистора приведена 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).