Фототранзисторы и фототиристоры

Фотоприемники могут быть реализованы на основе транзисторов и тиристоров, которые соответственно называются фототранзисторами и фототиристорами. Основным достоинством фототранзисторов является возможность значительного усиления фототока, поэтому они являются высокочувствительными фотоприемниками. Заметим, что фототранзисторы выполняются как на основе биполярных, так и на основе полевых транзисторов.

Рассмотрим биполярный р-п-р фототранзистор, включенный в активном режиме с общим эмиттером (рис.15.13, а). В фототранзисторах через

a) б)

Рис.15.13. Электрическая схема включения биполярного фототранзистора а) и его вольтамперные характеристики б) при разных уровнях светового потока Ф₃ >Ф₂ >Ф₁ >0

специальное прозрачное окно световое излучение падает в область п - базы транзистора, где возбуждает избыточные электроны и дырки. Эти электроны и дырки диффундируют к коллектору, поле которого разделяет их: дырки экстрагируются в коллектор, как и в обычном транзисторе, увеличивая ток коллектора, а электроны накапливаются в области базы. Накопленные электроны в базе компенсируют заряд ионов акцепторной примеси на границе

эмиттерного перехода, потенциальный барьер на границе перехода понижается, что приводит к дополнительной инжекции дырок из эмиттера в базу. Инжектированные дырки диффундируют к коллектору, втягиваются полемколлектора в коллекторную область, что еще больше увеличивает ток коллектора. Таким образом, ток коллектора будет значительно превышать фототок, образованный носителями за счет фотогенерации в области базы.

На основе теории биполярных транзисторов можно показать, что выходной ток коллектора фототранзистора будет равен

, (15.10)

где β - световой фототок, β - темновой ток фототранзистора, β – коэффициент передачи тока базы. Из (15.10) вытекает, что выходной ток фототранзистора в β раз больше, чем в обычных фотодиодах. Однако, в β раз возрастает также темновой ток, что является недостатком этих приборов.

Вольтамперные характеристики фототранзистора (рис.15.13,б) качественно совпадают с аналогичными характеристиками обычного биполярного транзистора, если заменить параметр световым потоком Ф. Следует заметить, что у фототранзистора при необходимости можно использовать вывод базы для дополнительного управления током коллектора.

В качестве полевых фототранзисторов могут быть использованы полевые транзисторы с управляющим р-п переходом или МДП-транзисторы. При падении светового излучения через прозрачное окно в область канала полевого транзистора с управляющим р-п переходом (рис.15.14, а), в канале генерируются избыточные электронно-дырочные пары, концентрация основных носителей тока (электроны в случае п -типа канала) возрастает, сопротивление канала уменьшается, что приводит к росту тока стока. Неосновные носители тока (дырки в случае п -типа канала) образуют ток в цепи

а) б)

Рис.15.14. Структура и электрическая схема включения полевого фототранзистора а) и фототиристора б).

затвора полевого транзистора, который, протекая через сопротивление в цепи затвора, уменьшает обратное смещение на переходе канал-затвор. Это увеличивает ширину канала транзистора и вызывает дополнительное увеличение тока стока.В МДП-фототранзисторах за счет воздействия светового потока изменяется значение порогового напряжения и крутизна управляющей характеристики транзистора.

Таким образом, фототранзисторы благодаря большому коэффициенту усиления фототока характеризуются высокой фоточувствительностью, спектральная же характеристика определяется свойствами полупроводникового материала.

Фототиристор представляет собой управляемый тиристор, переключение которого в открытое состояние осуществляется световым импульсом, облучающий одну из базовых областей фототиристора (рис.15.14, б). Под действием светового излучения в области базы генерируются неравновесные избыточные носители тока, разделяемый полем перехода П2. Фототок, создаваемый этими носителями тока на переходе, складывается с обратным тепловым током этого перехода, что вызывает рост коэффициента передачи тока и переключению тиристора.

Основным параметром фототиристоров является пороговая мощность излучения, обеспечивающая гарантированное переключение тиристора при его заданном напряжении питания. Значение пороговой мощности можно изменять за счет тока управляющего электрода тиристора.

15.4. Оптроны.

Оптронами называются полупроводниковые приборы, в которых содержится источник и приемник излучения, объединенные в одном корпусе и связанные между собой оптической или электрической связями. Наиболее широко используются оптроны с прямой оптической связью от излучателя к фотоприемнику.

Наиболее универсальным видом излучателя в оптронах является полупроводниковый инжекционный светодиод. Его применение обусловлено тем, что светодиоды обладают высоким КПД преобразования электрической энергии в световую, достаточно высоким быстродействием, малой потребляемой мощностью и достаточно узким спектром излучения.

В качестве приемника излучения могут быть использованы все те фотоприемники, рассмотренные в разделе 15.3, причем тип используемого фотоприемника определяет название оптрона. Различают следующие виды оптронов:

- резисторные оптроны, в качестве фотоприемника применен фоторезистор;

- диодные оптроны, в качестве фотоприемника применен фотодиод;

- транзисторные оптроны, в качестве фотоприемника применен биполярный или полевой фототранзистор и

- тиристорные оптроны, в качестве фотоприемника применен фототиристор.

На рисунке 15.15 приведены условно графические обозначения оптронов.

а) б) в) г)

Рис.15.15. Условно графические обозначения а) резисторного, б) диодного,

в) транзисторного и г) тиристорного оптронов.

В общем случае оптроны характеризуются четырьмя группами параметров, режимов и характеристик: входных, выходных, передаточных и обратного действия.

Так как практически во всех оптронах применяется инжекционный светодиод, то входные характеристики и параметры полностью определяются светодиодом. Входная характеристика, потому, представляет собой вольтамперную характеристику прямосмещенного р-п перехода: . Ко входным параметрам относятся дифференциальное сопротивление r_ДИФ, входная емкость С_ВХ, определяемая емкостью р-п перехода светодиода, параметры оптимального и предельного режимов работы, как и у всех диодов.

Выходные характеристики и параметры оптрона определяются, в основном, типом примененного фотоприемника. Однако есть ряд параметров, являющиеся общими для всех типов оптронов. К ним относятся:

- темновое сопротивление R_T и темновой ток I_T, определяемые на выходе оптрона при входном токе _IВХ равном нулю;

- световое сопротивление R_СВ, определяемое при номинальном входном токе I_ВХНОМ;

- выходная емкость С_ВЫХ оптрона;

- номинальное значение выходного тока I_ВЫХНОМ, определяемое при номинальном входном токе I_ВХНОМ;

- максимально допустимые выходные ток, напряжение и мощность, при которых обеспечивается работа оптрона с заданной надежностью.

Передаточные характеристики и параметры оптрона описывают степень воздействия излучателя на фотоприемник. Основной передаточной характеристикой оптрона является зависимость выходного тока оптрона от величины входного тока при условии постоянного выходного напряжения , которая для всех типов оптронов практически является линейной. Важнейшим параметром оптрона является статический коэффициент передачи тока, определяемый отношением выходного тока к входному: . К передаточным параметрам относят также параметры, характеризующие быстродействие работы оптрона: время задержки t_ЗАД и время нарастания t_Ф фронта импульса при работе с импульсными сигналами, граничная частота f_ГР, максимальная скорость передачи υ_МАХ информации через оптрон и т.д.

В оптронах за счет оптической связи между выходом и входом практически отсутствует обратная связь, поэтому вместо характеристик обратного действия используют параметры гальванической развязки, к которым относятся:

- сопротивление гальванической развязки R_РАЗВ;

- проходная емкость гальванической развязки С_РАЗВ;

- максимальное допустимое между выходом и входом V_{РАЗВмах} и др.

Основными недостатками оптронов являются

- повышенная чувствительность параметров к воздействию температуры и проникающей радиации;

- высокий уровень собственных шумов;

- деградация параметров со временем и др.

Однако оптроны находят самое широкое применение при разработке различных радиоэлектронных приборов из-за ряда их достоинств:

- возможность обеспечения идеальной электрической развязки между выходом и входом;

- возможность реализации бесконтактного оптического управления различными электронными объектами;

- отсутствие обратной реакции приемника на излучатель;

- возможность их работы в широком диапазоне частот, возможность работы как импульсными, так и постоянными сигналами;

- высокая помехозащищенность, так как посторонние электромагнитные поля не действуют на оптический канал и т.д.

Контрольные вопросы.

1. Дайте определения и классификацию приборов оптоэлектроники.

2. На чем основана работа светоизлучающих диодов?

3. Назовите основные параметры и характеристики СИД.

4. Как устроен полупроводниковый лазер? В чем достоинства и недостатки полупроводниковых лазеров?

5. Дайте определение фотопроводимости полупроводников.

6. Какие приемники излучения находят применение в оптоэлектронике?

7. Как устроен фоторезистор, какими параметрами и характеристиками описываются фоторезисторы?

8. Что такое фотодиодный и фотогальванический режимы работы фотодиодов?

9. На чем основана работа фототранзисторов и фототиристоров?

10. Дайте определение оптронов, их классификацию, назовите их достоинства и недостатки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Учебное пособие для вузов. Под ред. Н. Д. Федорова. – М.: Радио и связь,1998.-560с.

2. К. С. Петров. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: Учебное пособие – Спб.: Питер, 2006. – 522с.

3. В. И. Лачин, Н. С. Савелов. Электроника. – Ростов н/Д: Феникс, 2005. -704с.

4. Г. Г. Червяков, С. Г. Прохоров, О. В. Шиндер. Электронные приборы. – Ростов н/Д: Феникс, 2012. – 333с.

5. И. П. Степаненко. Основы микроэлектроники. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003. - 488с.

6. В. А. Прянишников. Электроника. – СПб.: Корона-принт, 2004. – 416с.

7. В. А. Гуртов. Твердотельная электроника. – ПетрГУ, Петрозаводск, 2004. -312с.

8. В. С. Валенко. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств. – М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2001. -368с.

9. Полупроводниковые приборы. Учебник для вузов // Н. М. Тугов, Б. А. Глебов, Н. А. Чарыков; под общей редакцией В. А. Лабунцова. – М.: Энергоатомиздат,1990.-576 с.

10.Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. – М.: Радио и связь,1989.

11.В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. Электроника. – М.: Высшая школа, 1991г.

12.В. В. Пасынков, Л. К. Чиркин. Полупроводниковые приборы. – Спб.: Лань, 2002г.

13.Электронные приборы. Учебник для вузов. Под ред. Г. Г. Шишкина. – М.: Энергоатомиздат, 1990.-576с.

14.Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника. – М.: Высшая школа, 1991.

15. Электроника: Справочная книга. Под редакцией Ю. А. Быстрова. – СПб,: Энергоатомиздат.,1996. -544с.

16. Н. М. Гарифуллин. Физические основы электроники. – Уфа, РИЦ БашГУ, 2005. -141с.

Дата добавления: 2015-05-06