Фототранзисторы
Фотоприемные приборы, использующие транзисторные структуры с возможностью усиления фототока, называются фототранзисторами. Эти приборы содержат один (рис. 6.14, 6.15) или несколько транзисторов (рис. 6.16), включенных обычно по схеме с общим эмиттером. В простейшем фототранзисторе (см. рис. 6.14) оптическое излучение попадает в рабочую область структуры — базу. Здесь обеспечивается генерация фотоносителей, которые затем разделяются р-и-переходом. Разделение фотоносителей сопровождается дополнительным увеличением концентрации за счет механизма электрического усиления.
Дырки уходят через переход в р-область, а электроны остаются в базе. Поле, создаваемое объемным зарядом электронов, не может уменьшить заряд в базе за счет тока базы (]6 = 0). Поэтому поле объемных зарядов снижает потенциальный барьер эмиттерного перехода, вызывая дополнительную инжекцию дырок в базу. Фототок в данном случае играет роль тока базы. Входные характеристики фототранзистора аналогичны характеристикам биполярного транзистора, т. е. по сравнению с обычным фотодиодом фототранзистор дает усиление тока, а интегральная чувствительность фототранзистора
5ф = ЗфдР, (6.34)
||ф £ |
Где 5фя — токовая чувствительность фотодиода, образованного эмиттерным переходом транзистора; Р — коэффициент усиления тока транзистора.
-4—?Б Г Г ф
О——I /т
Рис. 6.15. Диодно-транзисторный фотоприемник
Рис. 6.16. Составной фототранзистор |
Выходные характеристики фототранзистора приведены на рис. 6.17.
Их особенностью является отсутствие четко выраженного участка насыщения коллекторного тока и неравномерное распределение характеристик в семействе. Это объясняется нелинейностью люкс-амперной характеристики: фототок нарастает быстрее при больших освещенностях, чем при малых.
Повышение чувствительности — главное преимущество фототранзистора по сравнению с фотодиодом. Однако оно, как правило, достигается за счет снижения температурной стабильности прибора.
У фототранзисторов снижается также пороговая чувствительность, так как значительно возрастает темновой ток:
/т = /коО+Р), (6-35)
Где /к0 — тепловой ток транзистора.
Рис. 6.17. Семейство ВАХ фототранзистора: I, — ток коллектора: 1Л — напряжение на коллекторе; 1,тю. — максимально допустимый ток коллектора; и(тах — максимально допустимое напряжение на коллекторе; Р. тех — максимально допустимая мощность рассеяния на коллекторе |
Широкое применение фототранзисторов и улучшение параметров этих приборов затрудняет, в частности, следующее обстоятельство: высокий коэффициент передачи и малое время переключения требуют уменьшения толщины базовой области /г6, а это приводит к снижению фоточувствительности. Необходимость компромисса между указанными параметрами определяет относительно низкое быстродействие фототранзисторов (1(Г6...1(Г5) с.
Повышение быстродействия возможно в интегральных фотоприемниках с внутренним усилением, которые представляют собой соединение фотодиода и транзистора. Раздельная оптимизация структур позволяет получить чувствительный, быстродействующий фотодиод и высококачественный транзистор в единой структуре (см. рис. 6.15). Такая структура эквивалентна быстродействующему фототранзистору с большим внутренним усилением тока.
Еще больше увеличить чувствительность позволяет применение фототранзистора (см. рис. 6.16). Связь между токами в составном транзисторе имеет вид
/к=/„| + Лг = Р|/б1 + Р 2/52 = Р 1-^61 + РгО + РУб1- (6.36)
Коэффициент усиления составного транзистора
Р = /к.//б! = Р1 + Р2 + Р. Рг * Р>Р2- (6.37)
В результате чувствительность составных фототранзисторов более чем в Ю3 раз превышает чувствительность фотодиодов.
Фотоприемные приборы, рассмотренные в п. 6.3-6.8 широко используются при разработках ВОСГТ. Чувствительность оптических приемников в зависимости от скорости передачи информации иллюстрирует рис. 6.18.
Чувствительность приемника, дБ-м Рис. 6.18. Чувствительность оптических приемников в зависимости от скорости передачи информации |