Курсовая работа: Проектирование и испытание фототранзистора

I_К = I_ф+β I_ф =(β+1) I_ф + I_К0 (2.2)

Используя выражение для коэффициента усиления β базового тока через конструктивно-технологические параметры биполярного транзистора, получаем:

(2.3)

Величина первичного фототока I_Ф выражается через параметры светового потока и характеристики полупроводникового материала стандартным образом:

(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 J_К0 следует поставить [17]

J_К0 + J_Ф /J = (J_К0 + J_Ф )/(1-α).

При J_К 0>>J_Ф J =J_Ф /(1-α) ≈ βJ_Ф , 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, V_раб = 3 В, I_темн = 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).