В чем достоинство фототранзистора по сравнению с фотодиодом

Фототранзисторы

Фототранзистор – фоточувствительный полупроводниковый приемник излу- чения, по структуре подобный транзистору и обеспечивающий внутреннее ление сигнала. Его можно представить состоящим из фотодиода и транзистора. Фотодиодом является освещаемая часть перехода база-коллектор, транзистором – часть структуры, расположенная непосредственно под эмиттером. Так как фотодиод и коллекторный переход транзистора конструктивно объединены, то фототок суммируется с коллекторным током. Напряжение питания подводят так, чтобы коллекторный переход был закрыт, а эмиттерный – открыт. База может быть отключенной. 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. Рис. Энергетическая диаграмма фототранзистора (а) и вольт-амперные характеристики фототранзистора при разных уровнях освещения (б). 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 JК0 следует поставить JК0 + JФ: J = (JК0 + JФ)/(1–α). При JК0>>JФ J = JФ/(1-α) ≈ βJФ, 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. Наличие диффузии носителей обуславливает значительную инерционность прибора τ =10 –5-10 –6 с. При сужении базы время диффузии уменьшается, но уменьшается и чувствитель- ность. Для германиевых фототранзисторов SI = 0,2-0,5 А/лм, Vраб = 3 В, Iтемн = 300 мкА, Рис. 23. Эквивалентная τ = 0,2 мс. В корпусе прибора предусмотрено схема фототранзистора. прозрачное окно, через которое световой поток попадает обычно на базовую область фототранзистора. Площадь фоточувствительной площадки составляет 1- 3 мм2. 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. Рис. 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 зави- симость параметров. МДП–фототранзисторы МДП–фототранзистор представляет собой полевой транзистор с изолирован- ным 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. Рис. Структура МДП-фототранзистора. При использовании в качестве фотоприемников МДП-транзисторов их целе- сообразно 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. 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. Рис. Структура (а) и эквивалентная схема (б) МДП-транзистора с фото- диодом на основе p-n перехода. МДП-фототранзисторы являются удобными фоточувствительными элемен- тами для создания многоэлементных фотоприемников.

23.09.2019 282.62 Кб 1 Предпринимательство шпоры VA IMYA ALLAHA.doc

30.03.2015 56.09 Кб 5 Предпринимательство.docx

30.03.2015 693.13 Кб 9 ПРЕЗЕНТАЦИЯ СИИ (Артемова).pdf

30.03.2015 187.39 Кб 14 привод.doc

24.08.2019 961.02 Кб 4 Привод.doc

30.03.2015 155.14 Кб 84 ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ.doc

30.03.2015 397.13 Кб 62 ПРИКЛАДНАЯ ТЕОРИЯ ИНФОРМАЦИИ.pdf

03.05.2015 667.43 Кб 9 Пример оформления КП.docx

30.03.2015 497.15 Кб 17 Пример РГР ЭТКС.doc

10.07.2019 259.58 Кб 1 Пример содержания отчёта по ЛабРаб.doc

09.08.2019 2.06 Mб 5 Примеры решения задач по теме №4.doc

Ограничение

Для продолжения скачивания необходимо пройти капчу:

19 Схема включения фотоэлемента

При включении полупроводникового фотоэлемента на нагрузку (рис.4.9) возникает фототок Iф=Еф/(Rн+Ri), где Ri – внутреннее сопротивление самого фотоэлемента.

20 Зависимость фото-эдс от светового потока

в n- и p-областях накапливаются избыточные основные носители, т.е. создаются соответственно заряды электронов и дырок и возникает разность потенциалов, которую называют фото-ЭДС (Е_ф). С увеличением светового потока фото-ЭДС растет по нелинейному закону (рис.4.8). Значение ЭДС может достигать нескольких десятых долей вольта.

21 Фототранзистор. Принцип действия

Значительно выше по сравнению с фотодиодами интегральная чувствительность у фототранзисторов. Биполярный фототранзистор представляет собой обычный транзистор, но в корпусе его сделано прозрачное «окно», через которое световой поток может воздействовать на область базы. Схема включения биполярного фототранзистора типа p-n-p со «свободной», т.е. никуда не включенной, базой, приведена на рис.4.10. Обычно на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Фотоны вызывают в базе генерацию пар носителей заряда – электронов и дырок. Они диффундируют к коллекторному переходу, в котором происходит их разделение так же, как и в фотодиоде. Дырки под действием поля коллекторного перехода идут из базы в коллектор и увеличивают ток коллектора. А электроны остаются в базе и повышают прямое напряжение эмиттерного перехода, что усиливает инжекцию дырок в этом переходе. За счет этого дополнительно увеличивается ток коллектора. В транзисторе типа n-p-n все происходит аналогично.

22 Характеристики фототранзистора

Чувствительность у фототранзистора в десятки раз больше, чем у фотодиода, и может достигать сотен мА на люмен. Выходные характеристики фототранзистора показаны на рис.4.11. Они аналогичны выходным характеристикам для включения транзистора по схеме с общим эмиттером, но различные кривые соответствуют различным значениям светового потока, а не тока базы.

23 Параметры фототранзистора

Параметры фототранзистора – интегральная чувствительность, рабочее напряжение (10-15 В), темновой ток (до десятков мА), максимальная допустимая рассеиваемая мощность (до десятков мВт), граничная частота. Фототранзисторы, изготовленные сплавным методом, имеют граничные частоты до нескольких кГц, а изготовленные диффузионным методом (планарные) могут работать на частотах до нескольких МГц. Недостаток фототранзисторов – сравнительно высокий уровень собственных шумов.

24 Фототиристор. Принцип действия

Тиристорные четырехслойные структуры p-n-p-n (рис.4.12) могут управляться световым потоком, подобно тому, как триодные тиристоры управляются напряжением, подаваемым на один из эмиттерных переходов. При действии света на область базы p₁ в этой области генерируются электроны и дырки, которые диффундируют к p-n-переходам. Электроны, попадая в область перехода П₂, находящегося под обратным напряжением, уменьшают его сопротивление. За счет этого происходит перераспределение напряжения, приложенного к тиристору: напряжение на переходе П₂ несколько уменьшается, а напряжение на переходах П₁ и П₃ несколько увеличиваются. Но тогда усиливается инжекция в переходах П₁ и П₃, к переходу П₂ приходят инжектированные носители, его сопротивление снова уменьшается и происходит дополнительное перераспределение напряжения, еще больше усиливается инжекция в переходах П₁ и П₃, ток лавинообразно нарастает (см. штриховые линии на рис.4.13), т.е. тиристор отпирается.

ОПТОЭЛЕКТРО́НИКА

ОПТОЭЛЕКТРО́НИКА, раз­дел элек­тро­ни­ки, ох­ва­ты­ваю­щий ис­сле­до­ва­ние эф­фек­тов взаи­мо­дей­ст­вия элек­тро­маг­нит­но­го по­ля оп­тич. диа­па­зо­на час­тот (3·10 11 – 3·10 17 Гц) и длин волн (1 нм – 1 мм) с элек­тро­на­ми в ве­ще­ст­вах (гл. обр. в твёр­дых те­лах) и ме­то­ды соз­да­ния оп­то­элек­трон­ных при­бо­ров и уст­ройств, ис­поль­зую­щих эти эф­фек­ты для ге­не­ра­ции, пе­ре­да­чи, приё­ма, об­ра­бот­ки (пре­об­ра­зо­ва­ния), за­пи­си, хра­не­ния и ото­бра­же­ния ин­фор­ма­ции. Оп­ре­де­ляю­щая осо­бен­ность оп­то­элек­трон­ных уст­ройств – со­вме­ст­ное ис­поль­зо­ва­ние в ка­че­ст­ве но­си­те­лей ин­фор­ма­ции элек­трич. и оп­тич. сиг­на­лов (па­ке­тов элек­тро­нов и фо­то­нов) и пре­об­ра­зо­ва­ние элек­трич. и оп­тич. энер­гии друг в дру­га. В слу­ча­ях, ко­гда оп­тич. сиг­на­лы по­сту­па­ют в уст­рой­ст­во из­вне от ес­теств. или ис­кусств. из­лу­ча­те­лей, обыч­но ис­поль­зу­ют тер­мин «фо­то­ни­ка» (ино­гда в лит-ре его трак­ту­ют бо­лее ши­ро­ко, под­ме­няя по­ня­тие «О.»). О. – важ­ней­шая со­став­ная часть элек­тро­ни­ки; ши­ро­кое при­ме­не­ние уст­ройств О. обу­слов­ле­но их вы­со­кой эф­фек­тив­но­стью, в т. ч. в сфе­рах ин­фор­ма­ти­ки, не­дос­туп­ных для мик­ро­элек­тро­ни­ки.

Фотодиоды с барьером Шоттки

Фотоприемники с поверхностным барьером Шоттки также обладают высоким быстродействием и эффективностью. Барьеры на контакте металла с полупроводником могут быть получены и на полупроводниковых материалах, в которых невозможно создать р-n переходы. Если электронный полупроводник контактирует с металлом, у которого работа выхода меньше работы выхода полупроводника, то определенное число электронов переходит из полупроводника в металл. Ионизированная донорная примесь в полупроводнике образует слой положительного пространственного заряда, обладающий высоким сопротивлением. При включении диода в обратном направлении ширина ОПЗ увеличивается.

Излучение направляют сквозь полупрозрачную пленку металла (слой Au пропускает 95% потока излучения с λ = 0,63 мкм). Если d >х*, основная часть излучения поглощается в ОПЗ. Возникающие электронно-дырочные пары быстро разделяются полем и время пролета носителей может быть очень малым (10 -11 -10 -10 с). Таким образом, фотодиод с барьером Шоттки является аналогом p-i-n фотодиода в коротковолновой части спектра, когда все излучение поглощается в ОПЗ. В этих фотодиодах с уменьшением длины волны излучение также поглощается в слое пространственного заряда, но ближе к металлу.

Рис. 17. Структура фотодиода с барьером Шоттки.

По сравнению с p-n переходами сопротивление диодов Шоттки намного меньше, поэтому время перезарядки мало и инерционность обусловлена только временем пролета носителей через область пространственного заряда. Величина τ может быть порядка 10 -10 -10 -11 с, что позволяет использовать фотодиоды при СВЧ модуляции излучения. Чувствительность диодов достигает 0,5 А/Вт.

Достоинства фотодиодов с барьером Шоттки: высокая чувствительность и быстродействие, совместимость с технологией ИС.

Гетерофотодиоды

Гетерофотодиоды являются перспективными фотоприемниками, сочетающими высокую чувствительность и быстродействие. Для изготовления фотодиодов используют гетероструктуры на основе соединений А 3 В 5 . Типичная структура гетерофотодиода показана на рис. 18. В ней создаются две области: широкозонное окно и фоточувствительный р-n переход. Окно из широкозонного сильнолегированного полупроводника обеспечивает малое сопротивление и высокую прозрачность для принимаемого излучения, которое поглощается в слое узкозонного полупроводника, толщина р-слоя обычно соответствует длине поглощения излучения.

Рис. 18. Расположение слоев в гетерофотодиоде.

Процессы поглощения излучения и разделения фотоносителей в гетерофотодиодах аналогичны явлениям, происходящим в p-i-n фотодиодах и фотодиодах с барьером Шоттки. Их инерционность также определяется временем пролета носителей через область пространственного заряда.

Достоинства гетерофотодиодов: высокое быстродействие и фоточувствительность при малых рабочих напряжения, высокие значения фотоЭДС, КПД, близкий к 100%. меньшие, чем у обычных фотодиодов, темновые токи и шумы.

В то же время используемые материалы являются более дорогими и технология изготовления более сложная.

Лавинные фотодиоды

В лавинных фотодиодах происходит усиление первичного фототока вследствие лавинного умножения неравновесных носителей в сильном электрическом поле слоя пространственного заряда р-n перехода при условии, что ширина ОПЗ превышает длину свободного пробега носителей заряда.

Введение внутреннего усиления, воздействующего и на сигнал и на шум, приводит к возрастанию отношения сигнал/шум при условии, что усиленный шум фотоприемника меньше шумов входного каскада усилителя, поэтому лавинные фотодиоды имеют преимущества перед p-i-n фотодиодами в условиях приема слабых, минимально различимых сигналов.

Оптимальной структурой кремниевых лавинных фотодиодов является n-p-i-p структура, или ЛФД с проникновением (проколом):

Рис. 20. Простая геометрическая модель лавинного фотодиода.

В этом случае максимальное значение напряженности электрического поля Emax, достаточное для возникновения и поддержания лавинного размножения, создается в n + -p переходе. Фотоносители быстро вытягиваются из i-области и размножаются в р-области.

Изготовление лавинных фотодиодов производится с использованием обратной эпитаксии, аналогично технологии изготовления p-i-n фотодиодов.

Рис. 21. Структура лавинного фотодиода.

Основные достоинства лавинных фотодиодов: большое усиление, высокое быстродействие и малые шумы. Поэтому эти фотоприемники широко используются в ВОЛС. К недостаткам лавинных фотодиодов следует отнести, во-первых, зависимость коэффициента умножения от интенсивности света и соответствующее нарушение линейности зависимости I(Ф), во-вторых, высокие требования к стабильности питающего напряжения (0,01-0,02%), поскольку коэффициент умножения сильно зависит от напряжения.

Фототранзисторы

Фототранзистор – фоточувствительный полупроводниковый приемник излучения, по структуре подобный транзистору и обеспечивающий внутреннее усиление сигнала. Его можно представить состоящим из фотодиода и транзистора. Фотодиодом является освещаемая часть перехода база-коллектор, транзистором – часть структуры, расположенная непосредственно под эмиттером. Так как фотодиод и коллекторный переход транзистора конструктивно объединены, то фототок суммируется с коллекторным током. Напряжение питания подводят так, чтобы коллекторный переход был закрыт, а эмиттерный – открыт. База может быть отключенной. 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.

Рис. 23. Эквивалентная схема фототранзистора.

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.

Рис. 24. 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.

МДП–фототранзисторы

МДП–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.

Рис. 25. 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.

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.

Рис. 26. 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.

Лекция 16

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: