ФОТОТРАНЗИСТОРЫ

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 р — п — р со «свободной», т. е. никуда не включенной, базой, приведена на рис. 13.10. Как 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 ды- рок в этом переходе. За счет этого дополнительно увеличивается ток кол­лектора. В транзисторе типа п.— р — п все происходит аналогично.

Рис. 13.10. Структура и схема включения фототранзистора со «свободной» базой

Интегральная чувствительность у фо­тотранзистора в десятки раз больше, чем у фотодиода, и может достигать сотен миллиампер на люмен. Фототран­зистор со «свободной» базой имеет низкую температурную стабильность. Для устранения этого недостатка при­меняют схемы стабилизации, которые были рассмотрены в гл. 4. При этом, конечно, должен быть использован вы­вод базы. На этот вывод можно также подавать постоянное напряжение смеще­ния или электрические сигналы и осу­ществлять совместное действие этих сигналов и световых.

Выходные характеристики фототран­зистора показаны на рис. 13.11. Они аналогичны выходным характеристикам для включения транзистора по схеме с общим эмиттером, но различные кри­вые соответствуют различным значени­ям светового потока, а не тока базы.

Рис. 13.11. Выходные характеристики фото­транзистора

Характеристики показывают, что при повышенном напряжении возникает электрический пробой (штриховые участки).

Параметры фототранзисторов — ин­тегральная чувствительность, рабочее напряжение (10—15 В), темновой ток (до сотен микроампер), рабочий ток (до десятков миллиампер), максимальная допустимая рассеиваемая мощность (до десятков милливатт), граничная частота. Фототранзисторы, изготовленные сплав­ным методом, имеют граничные часто­ты до нескольких килогерц, а изготов­ленные диффузионным методом (планар-ные) могут работать на частотах до нескольких мегагерц. Недостаток фото­транзисторов — сравнительно высокий уровень собственных шумов.

Помимо рассмотренного биполяр­ного фототранзистора применяются и другие. Составной фототранзистор представляет собой фототранзистор, со­единенный с обычным транзистором. В гл. 9 было показано, что составной транзистор имеет коэффициент усиле­ния тока Р, равный произведению коэф­фициентов усиления двух транзисторов PiP₂- В результате интегральная чув­ствительность у составного фототран­зистора в десятки раз больше, чем у обычного, и в тысячи раз больше, чем у фотодиодов. Высокая чувствительность и хорошее быстродействие достигаются при сочетании фотодиода с высокочас­тотным транзистором.

Кроме биполярных фототранзисто­ров в качестве приемников излучения используются и полевые фототранзи­сторы. На рис. 13.12 показан полевой фототранзистор с каналом и-типа. При облучении «-канала в нем и в приле­гающей к нему р-области (области за­твора) генерируются электроны и дырки. Переход между и-каналом и р-областью находится под обратным напряжением, и поэтому под действием поля этого перехода происходит разделение носите­лей заряда. В результате повышается концентрация электронов в и-канале, уменьшается его сопротивление и увели­чивается концентрация дырок в р-об­ласти.

Рис. 13.12. Структура и схема включения полевого фототранзистора с каналом и-типа

Рис.13.13. Структура и схема включения фототиристора

Ток канала (ток стока) возраста­ет. Кроме того, возникает фототок в цепи затвора. Этот ток создает падение напряжения на резисторе R₃, за счет чего уменьшается обратное напряжение на управляющем переходе канал —за­твор. Это, в свою очередь, приводит к увеличению толщины канала, а сле­довательно, к дополнительному умень­шению его сопротивления и возраста­нию тока стока. Таким образом осу­ществляется управление током стока с помощью света.

Представляют интерес МЦП-фото­транзисторы с индуцированным (инверс­ным) каналом. Они имеют полупрозрач­ный затвор, через который освещается область полупроводника под затвором. В этой области происходит фотогенера­ция носителей заряда. За счет этого изменяется значение порогового напря­жения, при котором возникает индуци­рованный канал, а также крутизна, яв­ляющаяся основным параметром такого транзистора. На затвор иногда подают постоянное напряжение для установле­ния начального режима.

Еще одна разновидность — однопере-ходные фототранзисторы, в которых при облучении светом понижается напряжение включения.

13.6. ФОТОТИРИСТОРЫ

Тиристорные четырехслойные струк­туры р — п — р — п (рис. 13.13) могут уп­равляться световым потоком, подобно тому как триодные тиристоры управля­ются напряжением, подаваемым на один из эмиттерных переходов. При действии света на область базы р_х в этой об­ласти генерируются электроны и дырки, которые диффундируют к и — р-переходам. Электроны, попадая в область перехода 17₂, находящегося под обрат­ным напряжением, уменьшают его со? противление. За счет этого происходит перераспределение напряжения, прило­женного к тиристору: напряжение на переходе П₂ несколько уменьшается, а напряжения на переходах П₁ и 17 ₃ не­сколько увеличиваются. Но тогда уси­ливается инжекция в переходах П₁ и 17₃, к переходу П₂ приходят инжекти­рованные носители, его сопротивление снова уменьшается и происходит допол­нительное перераспределение напряже­ния, еще больше усиливается инжекция в переходах 17 _х и 17₃, ток лавинообраз­но нарастает (см. штриховые линии на рис. 13.14), т. е. тиристор отпирается.

Чем больше световой поток, дей­ствующий на тиристор, тем при мень­шем напряжении включается-тиристор. Это наглядно показывают вольт-ампер­ные характеристики фототиристора, приведенные на рис. 13.14. После включе­ния на тиристоре устанавливается, как обычно, небольшое напряжение и почти все напряжение источника Е падает на нагрузке. Иногда у фототиристора бы­вает сделан вывод от одной из базовых областей (р_х или п₂). Если через этот вывод подавать на соответствующий эмиттерный переход прямое напряжение, то можно понижать напряжение вклю­чения. Само включение по-прежнему будет осуществляться действием свето­вого потока.

Фототиристоры могут успешно при­меняться в различных автоматических устройствах в качестве бесконтактных ключей для включения значительных напряжений и мощностей. Важные дос­тоинства фототиристоров — малое по­требление мощности во включенном состоянии, малые габариты, отсутствие искрения, малое (доли секунды) время включения.

Рис. 13.14. Вольт-амперные характеристики фототиристора