3.4. Фототранзисторы, оптоэлектронные транзисторы, оптроны

типичная конструкция Фототранзистора показана на рис. 3.8. рассмотрим, например, работу Фототранзисто­ра в схеме с оэ и отключенной ба­зой (рис. 3.9). как отмечалось при рассмотрении Фотодиода, Фототок увеличивает обратный ток p-n-пе­рехода, включенного в обратном на­правлении. в данном случае Фототок коллекторного перехода сумми­руется с обратным током коллекто­ра, поэтому ток  эмиттера равен  I = (I_Ф +I_кбо)/(1-h_21б).

очевидно, что в транзисторе, включенном по схеме с от­ключенной базой, Фототок усиливается в 1/(1— h_21б) раз по сравнению с Фотодиодом. однако следует учитывать, что при этом во столько же раз уменьшается предельная частота.

рис. 3.8. структура Фототранзистора

 

    спектральные характеристики Фототранзисторов та­кие же, как и Фотодиодов из аналогичного материала, поскольку Фоточувствительность определяется межзон­ным возбуждением носителей. так как единственными материалами, пригодными для изготовления транзисто­ров, являются германий и кремний, то максимальная длина волны, которая может быть зарегистрирована, не более 1,6 мкм (определяется e_g германия).

    расширить спектр Фототранзисторов в длинноволно­вую область можно легируя базу примесями, имеющими энергию ионизации е_I, соответствующую заданной дли­не волны (? [мкм]=1,24/ е_I [эв]). при возбуждении но­сителей с уровней примеси изменяется в основном концентрация

рис. 3.9. включение тран­зистора с отключенной ба­зой

 

 

 

 

основных носителей заряда, а это практически не меняет ток коллектора. однако при этом меняется сопротивление базы r_б, и если питать базу от источника постоянного напряжения v_б, то меняется ток базы I_б=v_б/r_б, что приводит к соответствующему изменению тока коллектора:

                            I_к = h_2lэI _б = h_2lэv_б/ r _б.

для увеличения чувствительности необходимо использо­вать в качестве базы высокоомный полупроводник.

    при изменении концентрации основных носителей за­ряда может изменяться время жизни и длина диФФу­зионного смещения неосновных носителей, что приводит к изменению

                    h_2lэ=h_2lб/(1 -h_2lб) = 2(l_p/w)²-1.

этот эФФект также может быть использован для увели­чения Фоточувствительности при примесном возбуж­дении.

    следует отметить, что работа Фототранзистора в рас­смотренном режиме эФФективна лишь в области темпе­ратур, соответствующих неполной термической иониза­ции примеси.

    Фоточувствительные приборы в сочетании со светоизлучающими служат основой для создания оптоэлектронных транзисторов. оптоэлектронным называется транзистор, в котором сигнал от эмиттера к коллектору передается не носителями заряда, а светом. пример энергетической диаграммы такого транзистора изобра­жен на рис. 3.10.

    при подаче на эмиттерный p-n-переход из вырожденного арсенида галлия прямого сме­щения происходит инжекция электронов в р-область и их рекомбинация с излучением света. световое излу­чение от эмиттера проходит через базу и поглощается в коллекторной области с гене­рацией пары электрон — дыр­ка. на коллекторный переход подается обратное смещение

и он работает как Фотодиод.

 

                           

рис. 3.10. энергетическая диаграмма оптоэлектронного транзистора при рабочих смещениях

 

длина диФФузионного смещения дырок в сильнолегиро­ванном арсениде галлия n-типа меньше 1 мкм, так что при толщине базы 2 ... 3 мкм инжектированные из эмит­тера дырки практически не доходят до коллектора, а из­лучение из р-области не испытывает заметного поглоще­ния при прохождении через базу.

    для улучшения к. п. д. транзистора целесообразно в качестве эмиттера использовать гетеропереход, обла­дающий большим коэФФициентом преобразования элек­трической энергии в световую. чтобы в этом случае излучение из эмиттера не по­глощалось в базовой области, необходимо, чтобы ширина за­прещенной зоны в ней была больше ширины запрещенной зоны материала эмиттера. это же требование необходимо для достижения высокого уровня инжекции носителей из базы в эмиттер. для полного поглощения излучения из эмит­тера в коллекторной области необходимо, чтобы ширина запрещенной зоны эмиттера была больше ширины запре­щенной зоны коллектора. таким образом, для получе­ния лучших параметров оптоэлектронного транзистора необходимо выполнение условия eg_б>e_gэ>e_gk.

    оптоэлектронный транзистор может быть смоделиро­ван схемой из светодиода и Фотоприемника. такая оптоэлектронная пара (светодиод и Фотоприемник), конст­руктивно изготовляемая в одном корпусе, называется оптроном. в качестве источника света может быть исполь­зован светодиод или полупроводниковый лазер, а в ка­честве Фотоприемника Фотосопротивление, Фотодиод, Фо­тотранзистор, s-диод, однопереходный транзистор, Фото­тиристор. на рис. 3.11 приведен пример схемы оптрона, состоящего из светодиода и Фототранзистора. определенным преимуществом оптрона перед оптоэлек­тронный транзистором является возможность компонов­ки любого Фотоприемника с любым излучающим дио­дом. недостатком являются большие габаритные размеры оптрона, что существенно при создании микро­электронных схем.

    оптическая связь имеет большие преимущества перед гальванической.

                      

рис. 3.11. схема оптрона из светодиода и Фототранзи­стора

 

во-первых, обеспечивается почти идеальная гальваническая развязка между источником излучения и приемником, т. е. между входом и выходом. во-вторых, вследствие электрической нейтральности пе­реносчиков инФормации (квантов света) обеспечивается высокая помехоустойчивость. кроме того, значительным  техническим преимущест­вом является отсутствие жестких электрических контактов между излуча­телем и приемником.

в настоящее время оптоэлектронные прибо­ры находят применение в ряде областей электрони­ки. в импульсной техни­ке на их основе создаются ключевые элементы с различ­ным числом устойчивых состояний, элементы памяти, твердотельные реле и т. д. в этом направлении большие перспективы представляет использование приборов с от­рицательным сопротивлением,  как в качестве источников света, так и Фотоприемников.

    наиболее наглядно преимущества оптоэлектронных приборов проявляются в системах связи. примером та­кой линии связи может быть система излучатель света — световод — Фотоприемник. при использовании в качестве излучателя, например, полупроводникового лазера или светодиода амплитудная модуляция излучения осуще­ствляется простым изменением питающего напряжения. в качестве световода применяются стеклянные волокна с полным внутренним отражением света. Фотоприемник должен иметь максимальное быстродействие, сравнимое с быстродействием излучателя (например, р—I—n-Фото­диод). высокая частота световых колебаний (в 10³... ... 10⁵ раз выше, чем в радиодиапазоне) позволяет резко увеличить инФормационную емкость каналов связи. вы­сокая помехоустойчивость обеспечивается также отсут­ствием обратной связи между Фотоприемником и излу­чателем и отсутствием взаимодействий в самих кана­лах связи.