В чем достоинство фототранзистора по сравнению с фотодиодом

Фототранзисторы

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

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-

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.

Фототранзисторы

Значительно выше по сравнению с фотодиодами интегральная чувствительность у фототранзисторов.Биполярный фототранзисторпредставляет собой обычный транзистор, но в корпусе его сделано прозрачное «окно», через которое световой поток может воздействовать на область базы. Схема включения биполярного фототранзистора типаp-n-pсо «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 типаn-p-nвсе происходит аналогично.

Интегральная 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.

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.

Частотные свойства ртанзистора обуславливаются временем рекомбинации неосновных носителей заряда в базе (временем восстановления их малой концентрации) при исчезновении светового потока. В реальных схемах вывод базы и эмиттера могут быть соеденины резистором 20-100 кОм. Тогда при исчезновении светового потока неосновные носители из базы могут дополнительно уходить в эмиттер через резистор, что уменьшит время восстановления их концентрации и улучшит частотные свойства оптотранзистора.

Фототиристоры

Тиристорныечетырехслойные структурыp-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 базыp₁в этой области генерируются электроны и дырки, которые диффундируют кp-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 П₂несколько уменьшается, а напряжение на переходах П₁и П₃несколько увеличиваются. Но тогда усиливается инжекция в переходах П₁и П₃, к переходу П₂приходят инжектированные носители, его сопротивление снова уменьшается и происходит дополнительное перераспределение напряжения, еще больше усиливается инжекция в переходах П₁и П₃, ток лавинообразно нарастает (см. штриховые линии на рис.4.13), т.е. тиристор отпирается.

Чем больше световой поток, действующий на тиристор, тем при меньшем напряжении включается тиристор. Это наглядно показывают вольтамперные характеристики фототиристора, приведенные на рис.4.13. После включения на тиристоре устанавливается небольшое напряжение и почти все напряжение источника Е падает на нагрузке.

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.

ФОТОТРАНЗИСТОР

Работа различных полупроводниковых приемников излучения (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры) основана на использовании внутреннего фотоэффекта, который состоит в том, что под действием излучения в полупроводниках происходит генерация пар носителей заряда — электронов и дырок. Эти дополнительные носители увеличивают электрическую проводимость. Такая добавочная проводимость, обусловленная действием фотонов, получила название фотопроводимости. У металлов явление фотопроводимости практически отсутствует, так как у них концентрация электронов проводимости огромна (примерно 1022 см -3 ) и не может заметно увеличиться под действием излучения. В некоторых приборах за счет фотогенерации электронов и дырок возникает ЭДС, которую принято называть фото-ЭДС, и тогда эти приборы работают как источники тока. А в результате рекомбинации электронов и дырок в полупроводниках образуются фотоны, и при некоторых условиях полупроводниковые приборы могут работать в качестве источников излучения [5].

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.

В отличие от биполярного транзистора, у фототранзистора отсутствует электрический контакт к базе, а управление током базы осуществляется путем изменения ее освещенности. По этой причине конструктивно фототранзистор имеет только два вывода — эмиттер и коллектор.

Рисунок 2.1 — а) Схема фототранзистора со структурой p-n-p;

б) зонная диаграмма фототранзистора в активном режиме работы

На рис. 2.1 показаны схема включения фототранзистора и зонная диаграмма в активном режиме работы.

При попадании светового потока на n-область базы в ней генерируются неравновесные электроны и дырки. Дырки будут являться неосновными носителями, увеличение их концентрации приведет к росту дрейфовой компоненты тока из базы в коллектор. Величина первичного «затравочного» фототока будет выражаться такими же соотношениями, как и фототок диода на основе p-n-перехода. Отличие только в том, что неравновесные носители, участвующие в фототоке в фототранзисторе, собираются с области базы, ширина которой W меньше, чем диффузионная длина L_p. Поэтому плотность первичного «затравочного» фототока будет [7]:

(2.1)

Вследствие того что неравновесные дырки уходят из базы в коллектор, база заряжена отрицательно относительно эмиттера, что эквивалентно прямому смещению эмиттерного перехода фототранзистора. При прямом смещении эмиттерного p-n-перехода появляется инжекционная компонента тока из эмиттера в базу. При коэффициенте передачи эмиттерного тока α в базе рекомбинируют (1–α) инжектированных носителей или в β раз меньше, чем число инжектированных носителей. В условиях стационарного тока число прорекомбинировавших носителей в базе должно быть равно их числу, ушедшему с первоначальным фототоком. Поэтому инжекционный ток должен быть в β раз больше, чем первичный фототок. Ток коллектора I_К будет состоять из трех компонент: первичного фототока I_ф, инжекционного βI_ф и теплового I_К0 тока [7].

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]

При J_К0>>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 мм 2 .

2.2 Параметры фототранзисторов

Основные параметры фототранзисторов представлены в таблице 2.1

Таблица 2.1 — Параметры фототранзисторов

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.

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].

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).

Однако гетерофототранзисторы используются, как правило, лишь в диодном включении (так как вывод от узкой базовой области сделать затруднительно), что лишает их схемотехнической гибкости, присущей транзисторам. По мере усовершенствования и промышленного развития эти приборы станут «соперниками» ЛФД, выгодно отличаясь от них низким питающим напряжением, отсутствием жестких требований к стабилизации режима работы и другими достоинствами, присущими транзисторам.

Рисунок 2.7 — Гетерофототранзистор

1— n + -InP-эмиттер с кольцевым электродом;

3— n + -n-InP-коллектор (подложка).

Тонкая фотоактивная базовая область, обусловленная идеальностью гетерограниц, обеспечивает накопление основных носителей заряда в базе и отсутствие просачивания неосновных носителей в эмиттер.

Рисунок 2.8 — Структура гетерофототранзистора.

Гетерофототранзисторы имеют высокую фоточувствительность и быстродействие (10 –9 -10 –10 с), низкое напряжение питания, возможность выбора спектральной области чувствительности [5].

Но в то же время гетерофототранзистор используется обычно в диодном включении (вывод от узкой базы сложно сделать), поэтому не полностью реализуются схемотехнические возможности фототранзистора.

2.5.1 Физические основы гетероперехода

Если n- и p-область перехода изготовлены из различных полупроводников, то такой переход называется гетеропереходом. Отличие от обычного перехода более тонко в том случае, когда полупроводники взаиморастворимы, а переход плавный. Переходы последнего типа иногда называют «квазигомопереходами». Таким образом, плавные переходы между n-ZnSe и p-ZnTe или между p-GaAs и n-GaР являются квазигомопереходами.

Рисунок 2.9 — Инжекцию неосновных носителей в полупроводнике

Одной из причин обращения к гетеропереходам является возможность получить высокоэффективную инжекцию неосновных носителей в узкозонный полупроводник, т.е. суперинжекция, заключающаяся в том, что концентрация инжектированных в базу носителей может на несколько порядков превысить их равновесное значение в эмиттерной области (рис.2.9). Это означает, что стремление получить g=1 в широком интервале изменения прямого тока не накладывает каких-либо ограничений на вид и концентрацию легирующей примеси в эмиттерной и базовой областях — у разработчика оптоэлектронных приборов появляется лишняя «степень свободы» [17].

Это свойство гетеропереходов легко понять из рассмотрения рис.3.6. Когда прямое смещение выравнивает валентную зону, дырки нжектируются в n-область. Инжекции же электронов из n-области в p-область препятствует барьер DE = Еg₁ — Еg₂ (рис. 2.10).

Рисунок2.10 — Идеальная зонная схема для гетероперехода.

а) — в условиях равновесия; б) — при прямом смещении V

Очевидно, что в этом случае излучательная рекомбинация будет происходить в узкозонной области. Так, в гетеропереходах GaAs — GaSb полоса инжекционной люминесценции находится при энергии 0,7 эВ, что равно ширине запрещенной зоны GaSb. Оптические свойства эмиттера и базы гетероструктуры различны и могут в широких пределах изменяться независимо друг от друга. Отсюда, в частности, следует, что широкозонный эмиттер представляет собой «окно» для более длинноволнового излучения, генерируемого (или поглощаемого) узкозонной базой.

Кроме того, различие в значениях Еg ведет и к различию показателей преломления n, что порождает волноводный эффект, т.е. концентрацию оптической энергии в слое с большим n при распространении излучения вдоль слоя [8].

Рисунок 2.11 – Зоны раздела

На практике гетеропереходам присущи недостатки, связанные с границей раздела: уровень Ферми оказывается фиксированным на границе из-за поверхностных состояний. Поэтому вместо ровного хода для одной из зон обычно имеет место барьер типа Шоттки, как показано на рис. 3.8, Поскольку барьер Шоттки обладает выпрямляющим действием, его присутствие становится очевидным при рассмотрении n-n-гетеропереходов — т.е. переходов между двумя различными полупроводниками n-типа [7].

2.5.2 Расчет параметров и характеристик фототранзистора на гетеропереходах

Параметры фототранзистора на гетеропереходах:

— Пороговый поток Ф_n;

— Выявляющая способность Д;

— Коэффициент усиления на фототоках ;

— Вольтовая чувствительность h e ₁₃;

— Токовая чувствительность с общим эмиттером ;

х₁ (GaAs) = 4,53 eB; х₁ (Ge) = 4,66 eB

Т= 300 К; q=-1.6·10 19

Диэлектрическая постоянная вычисляется по формулам:

в p-области (2.1)

в n –области (2.2)

На границах гетеропереходов при х=0 должно выполнятся условие неразрывности нормальной составляющей электрической индукции:

(2.3)

(2.4)

(2.5)

(2.6)

Полная контактная разница потенциалов на границе гетеропереходов равна отношению:

Теперь найдем толщину объемного заряда:

= 0,6·10 -7

= 0,145·10 -7

Теперь рассчитаем толщину объемного заряда:

L=Ln+Lp=0,6·10 -7 +0,145·10 -7 =0,745·10 -7 см .

Вольтамперная характеристика гетероперехода

(2.8)

При І₀= const, I=I₀ –обратное смещение.

При І₀≠const, I=I₀ – прямое смещение.

Исходя из полученных результатов строим график

Рисунок 2.12 – Вольтамперная характеристика фототранзистора

В ходе данной курсовой работе:

— были рассмотрены общие сведения и принцип работы транзисторов;

— рассчитана линейная зависимость токов в транзисторе

— рассмотрен принцип работы фототранзистора, а также работа фототранзистора с общим эмиттером

— рассмотрены некоторые виды фототранзистора и принципы их работы

— рассчитаны некоторые параметры прибора на гетеропереходах и построена вольтамперная характеристика фототранзистора.

1. Ефимов И.Е., Козырь И.Я. Основы микроэлектроники. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1983г. – 384 с.

2. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. – М.: Энергоатомиздат, 1990г. – 376 с.

3. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. – М.: Сов. радио, 1980г.

4. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник. Под ред. Н. Н. Горюнова – М.: Энергоатомиздат, 1985г. – 404 с.

5. Федотов Я. А. Основы физики полупроводниковых приборов. М., “Советское радио”, 1970г. – 392 с.

6. Жеребцов И.П. Основы электроники. – Энергоатомиздат, Ленинградское отд-ние, 1989г. – 352 с.

7. Епифанов Г.И. Физические основы микроэлектроники М.: Сов. радио, 1971 г. – 376 с.

8. Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Горбунов Ю. И. Микроэлектроника. М.: Высшая школа, 1987г. – 326 с.

9. Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. М.: Советское радио, 1977г.- 232 с.

10. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа, 1987г. 479 c.

11. Бараночников М.. Фототранзисторы. Журнал «Радио» № 6,7,8 – 1992 г

12. Ніконова З.А., Небеснюк О.Ю. Твердотіла електроніка. Конспект лекцій для студентів напрямку «Електроніка» ЗДІА/ Запоріжжя: Видавництво ЗДІА, 2002. – 99с.

13. Твердотіла електроніка. Навчальний посібник до курсового проекту для студентів ЗДІА спеціальності «Фізична та біомедична електроніка» денної та заочної форм навчання /Укл: З.А. Ніконова, О.Ю. Небеснюк,, М.О. Літвіненко, Г.А. Слюсаревська. Запоріжжя, 2005. – 40с.

14. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: Пер. с англ. М.: Мир, 1984.

15. Батушев В. А. Электронные приборы. – М. , “Высшая школа” 1980.

16. Ефимов И.Е., Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, функциональная электроника. – М.: Высшая школа, 1987. – 416 с.

17. Федотов Я. А. Основы физики полупроводниковых приборов. М., “Советское радио”, 1970. – 392 с.

Информация о работе «Проектирование и испытание фототранзистора»

Раздел: Коммуникации и связь
Количество знаков с пробелами: 32961
Количество таблиц: 1
Количество изображений: 16

Фототранзисторы. Устройство и работа. Применение и особенности

Фототранзисторы являются твердотельными полупроводниками с внутренним усилением, применяемым для передачи цифровых и аналоговых сигналов. Этот прибор выполнен на основе обычного транзистора. Аналогами фототранзисторов являются фотодиоды, которые уступают ему по многим свойствам, и не сочетаются с работой современных электронных приборов и радиоустройств. Их принцип действия похож на работу фоторезистора.

Чувствительность фототранзистора гораздо выше, чем у фотодиода. Они нашли применение в различных устройствах, в которых применяется зависимость от светового потока. Такими устройствами являются лазерные радары, пульты дистанционного управления, датчики дыма и другие. Фототранзисторы могут реагировать как на обычное освещение, так и на ультрафиолетовое и инфракрасное излучение.

Устройство

Наиболее популярны биполярные фототранзисторы структуры n-p-n.

Ф-транзисторы имеют чувствительность к свету больше, чем простые биполярные, так как они оптимизированы для лучшего взаимодействия с лучами света. В их конструкции зона коллектора и базы имеет большую площадь. Корпус выполнен из темного непрозрачного материала, с окошком для пропускания света.

Большинство таких полупроводников изготавливают из монокристаллов германия и кремния. Существуют также фототранзисторы на основе сложных материалов.

Принцип действия

Транзистор включает в себя базу, коллектор и эмиттер. При функционировании фототранзистора база не включена в работу, так как свет создает электрический сигнал, который дает возможность протекать току по полупроводниковому переходу.

При нерабочей базе переход коллектора транзистора смещается в обратном направлении, а переход эмиттера в прямом направлении. Прибор остается без активности до тех пор, пока луч света не осветит его базу. Освещение активизирует полупроводник, при этом создавая пары дырок и электронов проводимости, то есть носители заряда. В итоге через коллектор и эмиттер проходит ток.

Свойство усиления

Фототранзисторы имеют рабочий диапазон, размер которого зависит от интенсивности падающего света, так как это связано с положительным потенциалом его базы.

Ток базы от падающего света подвергается усилению в сотни и тысячи раз. Дополнительное усиление тока обеспечивается особым транзистором Дарлингтона, который представляет собой полупроводник, эмиттер которого соединен с базой другого биполярного транзистора. На схеме изображен такой вид фототранзистора.

Это дает возможность создать повышенную чувствительность при слабом освещении, так как происходит двойное усиление двумя полупроводниками. Двумя транзисторами можно добиться усиления в сотни тысяч раз. Необходимо учитывать, что транзистор Дарлингтона медленнее реагирует на свет, в отличие от обычного фототранзистора.

Схемы подключения

Схема с общим эмиттером

По этой схеме создается сигнал выхода, переходящий от высокого состояния в низкое, при падении лучей света.

Эта схема выполнена с помощью подключения сопротивления между коллектором транзистора и источником питания. Напряжение выхода снимают с коллектора.

Схема с общим коллектором

Усилитель, подключенный с общим коллектором, создает сигнал выхода, переходящий от низкого состояния в высокое, при попадании света на полупроводник.

Эта схема образуется подключением сопротивления между отрицательным выводом питания и эмиттером. С эмиттера снимается выходной сигнал.

В обоих вариантах транзистор может работать в 2-х режимах:

1. Активный режим.
2. Режим переключения.

Активный режим

В этом режиме фототранзистор создает сигнал выхода, зависящий от интенсивности падающего света. Когда уровень освещенности превосходит определенную границу, то транзистор насыщается, и сигнал на выходе уже не будет повышаться, даже если увеличивать интенсивность лучей света. Такой режим действия рекомендуется для устройств с функцией сравнения двух порогов потока света.

Режим переключения

Действие полупроводника в этом режиме значит, что транзистор будет реагировать на подачу света выключением или включением. Такой режим необходим для устройств, в которых необходимо получение выходного сигнала в цифровом виде. Путем изменения значения резистора в схеме усилителя, можно подобрать один из режимов функционирования.

Для эксплуатации фототранзистора в качестве переключателя чаще всего применяют сопротивление более 5 кОм. Напряжение выхода повышенного уровня в переключающем режиме будет равно питающему напряжению. Напряжение выхода малого уровня должно равняться менее 0,8 В.

Проверка фототранзистора

Такой транзистор легко проверяется мультитестером, даже без наличия базы транзистора. Если подключить мультитестер к участку эмиттер-коллектор, то его сопротивление при любой полярности будет большим, так как транзистор закрыт. Если луч света попадает на чувствительный элемент, то измерительный прибор покажет низкое значение сопротивления, так как транзистор в этом случае открылся, благодаря свету, при правильной полярности питания.

Так ведет себя обычный транзистор, но он открывается сигналом электрического тока, а не лучом света. Кроме силы света, большую роль играет спектральный состав света.

Применение

• Системы охраны (чаще применяются инфракрасные ф-транзисторы).
• Фотореле.
• Системы расчета данных и датчики уровней.
• Автоматические системы коммутации осветительных приборов (также применяются инфракрасные ф-транзисторы).
• Компьютерные управляющие логические системы.
• Кодеры.

Преимущества

• Выдают ток больше, чем фотодиоды.
• Способны создать мгновенную высокую величину тока выхода.
• Основное достоинство – способность создания повышенного напряжения, в отличие от фоторезисторов.
• Невысокая стоимость.

Недостатки

Ф-транзисторы являются аналогом фотодиодов, однако имеют серьезные недостатки, которые создают условия для узкой специализации этого полупроводника.

• Многие виды фототранзисторов изготавливают из силикона, поэтому они не могут работать с напряжением более 1 кВ.
• Такие светочувствительные полупроводники имеют большую зависимость от перепадов напряжения питания в электрической цепи. В таких режимах фотодиод ведет себя гораздо надежнее.
• Ф-транзисторы не сочетаются с работой в лампах, по причине малой скорости носителей заряда.

Обозначения на схемах

Управляемые световым потоком транзисторы, на схемах обозначаются как обычные транзисторы.

VТ1 и VТ2 – ф-транзисторы с базой, VТ3 – транзисторы без базы. Цоколевка изображена как у простых транзисторов.

Так же, как и другие приборы на основе полупроводников с переходом n-p-n, применяющиеся для преобразования светового потока, фототранзисторы можно назвать оптронами. Их на схемах изображают в виде светодиода в корпусе, или в виде оптронов со стрелками. Усилитель во многих схемах обозначается в виде базы и коллектора.

Похожие темы:

• Фотодиоды. Виды и устройство. Работа и характеристики
• Фоторезисторы. Виды и работа. Применение и особенности
• Оптроны. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности
• Фотоэлементы. Виды и устройство. Работа и применение
• Солнечные элементы. Виды и работа. Применение и особенности
• ПЗС матрицы. Виды и устройство. Параметры и особенности