Фототранзисторы

Фототранзисторы используют, когда необходимо получить более мощный, чем у фотодиода, выходной сигнал. Существуют как биполярные, так и полевые фототранзисторы.

На рис.14 приведена структура кристалла биполярного n-p-n транзистора, а также схемы его включения как фотоприемника. Пунктирной линией обозначена металлургическая граница между областями базы и коллектора.

При поглощении излучения, в области базы появляются неравновесные электронно-дырочные пары, следовательно, возникает градиент концентрации, который вызывает диффузию оптически генерированных носителей по направлению к коллекторному переходу. Поле обратно смещенного коллекторного перехода перебрасывает неравновесные электроны в область коллектора, в результате чего появляется фототок базы – I­_ФБ, дырки же накапливаются в области базы, поскольку данное поле является для них потенциальным барьером. Как видим, область кристалла фототранзистора, расположенная левее эмиттерного перехода, является, по сути, фотодиодом.

Неравновесные дырки, накапливающиеся в базе, компенсируют отрицательные заряды ионов акцепторов в приграничной (с эмиттером) области (см. рис.11). Как следствие, потенциальный барьер эмиттерного перехода понижается. Это, в свою очередь, вызывает диффузию основных носителей эмиттера – электронов, которые в области базы становятся неосновными носителями и поэтому захватываются полем обратно смещенного коллекторного перехода, которое перебрасывает их в область коллектора.

Таким образом, ток коллектора – I_кn включает в себя ток неосновных носителей базы (бывших основных носителей эмиттера) и ток оптически генерированных носителей базы –I _ФБ, которые также являются неосновными носителями, учитывая действие на них поля коллекторного перехода. Рассматривая фототок базы в качестве входного тока транзистора, получим выражение для своего рода коэффициента передачи тока фототранзистора, включенного по схеме ОЭ (рис. 14б):

. (35)

Как следует из анализа (35), токовая чувствительность фототранзистора существенно превышает чувствительность фотодиода, поскольку . Но, одновременно возрастает и темновой ток прибора.

Промышленность выпускает фототранзисторы как с внешним выводом базы, так и без него. У транзисторов без вывода базы (рис.14б) темновой ток представляет собой, по сути, так называемый сквозной ток коллектора , где - обратный ток коллекторного перехода. Наличие вывода базы позволяет уменьшить величину темнового тока включением резистора R_б по схеме рис14в. При таком включении часть обратного тока замыкается через базовый резистор на вывод эмиттера, минуя эмиттерный переход и, следовательно, не усиливается транзистором. Но, при этом и часть ОГН также выводится из области базы, что приводит к снижению токовой чувствительности фототранзистора. С помощью резистора R_б можно вводить отрицательную обратную связь как по току, так и по напряжению с целью температурной стабилизации режима работы прибора.

Транзисторы, производимые в прошлом столетии, имели низкое быстродействие (граничная частота порядка 100кГц), что объяснялось длительным временем рассасывания носителей в области базы после прекращения воздействия излучения. Используя последние достижения в области нанотехнологий, учеными были разработаны конструкции биполярных транзисторов на горячих электронах и транзисторов с резонансным туннелированием. Граничные частоты упомянутых транзисторов (а именно эти параметры удобнее использовать, поскольку времена нарастания и спада слишком малы) составляют до 100ГГц [7].

Фототранзисторы имеют тот же набор параметров, что и фотодиоды. Дополнительно к ним указываются предельно-допустимые параметры транзисторов – ток и напряжение коллектора и мощность, рассеиваемая коллекторным переходом.

Особую группу фотоприемников составляют фототиристоры.