Самохвалов М.К. Элементы и устройства оптоэлектроники (2003) (1095923), страница 11
Текст из файла (страница 11)
При этом на эмиттерном переходе создается дополнительное прямое напряжение, вызывающее дополнительную инжекцию из эмиттера в базу и соответствующее увеличение токаколлектора.ЭБКJФ3Ф2Ф1Ф=0npnVабРис. 22. Энергетическая диаграмма фототранзистора (а) и вольт-амперныехарактеристики фототранзистора при разных уровнях освещения (б).Рассмотрим, например, работу фототранзистора в схеме с общим эмиттеромпри 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 бытьусилен в 1000 раз, поэтому чувствительность фототранзистора во много разбольше чувствительности фотодиода. Однако поскольку произведение коэффициента усиления на полосу частот величина постоянная, то предельная частотауменьшается в β раз.Наличие диффузии носителей обуславливаетзначительную инерционность прибора τ =10 –5-10 –6 с. При сужении базы время диффузииуменьшается, но уменьшается и чувствительность. Для германиевых фототранзисторовSI = 0,2-0,5 А/лм, Vраб = 3 В, Iтемн = 300 мкА,Рис.
23. Эквивалентнаяτ = 0,2 мс. В корпусе прибора предусмотреносхема фототранзистора.45прозрачное окно, через которое световой поток попадает обычно на базовуюобласть фототранзистора. Площадь фоточувствительной площадки составляет1- 3 мм2.Существует две разновидности конструкций фототранзисторов: поперечная ипродольная. Продольные транзисторы имеют более простую конструкцию итехнологию, удобны для включения в интегральные схемы, но уступают посвоим функциональным параметрам.n+эКбp+pnЭnp+Кp+n+n+абкРис.
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–фототранзисторыМДП–фототранзистор представляет собой полевой транзистор с изолированным затвором, в котором поглощаемый в подзатворной области световой потокприводит к изменению проводимости канала между истоком и стоком.
Вызванное светом увеличение тока приводит к изменению порогового напряжения икрутизны передаточной характеристики. Электрод затвора должен быть изготовлен из прозрачного или полупрозрачного материала. МДП-фототранзистор,таким образом, является аналогом фоторезистора, но может быть использован влюбом режиме подзатворного канала: обогащении, обеднении, инверсии.Иn+ЗpСn+Рис. 25. Структура МДП-фототранзистора.46При 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 пластинеполупроводника 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 какнапряжение отсечки, так и фотонапряжение p-n перехода.
Фото ЭДС p-n перехода изменяет потенциал затвора, поэтому изменяется ток в цепи исток-сток.а)ИЗn+рСб)n+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.ГетерофототранзисторыГетерофототранзисторы используют принцип действия обычного фототранзистора в сочетании с достоинствами гетероструктур.
В гетероструктурах используются широкозонные эмиттерные и коллекторные окна, что позволяетприменять прямую и обратную засветку. Тонкая фотоактивная базовая область,обусловленная идеальностью гетерограниц, обеспечивает накопление основныхносителей заряда в базе и отсутствие просачивания неосновных носителей вэмиттер.ЭФn+-InPэмиттерn+p – InGaAsnбазаInP коллекторKРис.
27. Структура гетерофототранзистора.Гетерофототранзисторы имеют высокую фоточувствительность и быстродействие (10–9-10–10 с), низкое напряжение питания, возможность выбора спектральной области чувствительности.47Но в то же время гетерофототранзистор используется обычно в диодномвключении (вывод от узкой базы сложно сделать), поэтому не полностью реализуются схемотехнические возможности фототранзистора.ФототиристорыФототиристор – полупроводниковый приемник излучения, содержащийструктуру тиристора, которая обеспечивает переключающие свойства прибора.Прибор представляет собой четырехслойную p-n-p-n структуру, содержащуюсоответственно, три p-n перехода, из которых средний называют коллекторным,а два крайних – эмиттерными. Внешние области называются эмиттерами, внутренние – базами.
Тиристор включается так, чтобы коллекторный переход былвключен в обратном направлении, а оба эмиттерных – в прямом. При такомвключении переходов тиристор можно представить в виде двух последовательно включенных транзисторов p-n-p и n-p-n с положительной обратной связьючерез общие базы и коллекторы. Сильная положительная обратная связь является причиной появления на вольт-амперной характеристике прибора участка сотрицательным динамическим сопротивлением.Тиристор может находиться в одном из двух устойчивых состояний, закрытом высокоомном и открытом низкоомном. Переход из одного устойчивого состояния в другое происходит скачком (на отрицательном участке ВАХ состояние прибора неустойчиво), когда напряжение на управляющем электроде илиосвещенность превышают некоторое пороговое значение.
При этом переходесопротивление тиристора и ток через него изменяются в 106-107 раз: примерноот 108 Ом (ток около 10-6 А) в закрытом состоянии до 10-1 Ом (ток – 10-1-100 А)– в открытом. Таким образом, фототиристор имеет очень высокий коэффициентусиления по току и по мощности.Излучение в фототиристоре поглощается в обеих базах: с ростом освещенности увеличиваются токи эмиттеров, происходит накопление положительных иотрицательных зарядов, необходимых для перевода во включенное состояние.С ростом освещенности напряжение переключения уменьшается. Таким образом, свет играет роль управляющего электрического сигнала у тиристора стретьим выводом (от базы) и позволяет бесконтактным способом управлять токами в различных электрических цепях.Jnpn+pVUРис.
28. Вольт-амперная характеристика тиристора и структура фототиристора.48Минимальное время, необходимое для переключения, называется временемзадержки tз. Оно равняется сумме времен диффузии неосновных носителей заряда через базы. Экспериментально величина tз определяется минимальнойдлительностью импульса света, включающей фототиристор. С ростом интенсивности света время задержки уменьшается, одной из причин этого являетсяувеличение коэффициента диффузии при высоких уровнях инжекции носителей заряда. Для повышения значения фоточувствительности и уменьшениявремени задержки при переключении целесообразно уменьшать толщину баз.Однако при этом увеличиваются коэффициенты усиления составляющих транзисторов, что приводит к большему росту тока с увеличением напряжения иуменьшению напряжения переключения. Главным достоинством фототиристоров как фотоприемников с ВАХ S-типа является внутреннее усиление фототока, что значительно увеличивает фоточувствительность.По сравнению с фототранзисторами фототиристоры обеспечивают большоезначение коммутируемых токов и напряжений, более высокое по сравнению ссоставными фототранзисторами быстродействие (10-30 мкс).
Фототиристорыиспользуются для управления большими токами в «силовой» оптоэлектронике.Похожие фоточувствительные приборы: однопереходные транзисторы,S-диоды, диоды Ганна и др. – пока не получили заметного распространения.Фотоприемники световых образовДля ряда применений необходимо не только обнаружить наличие оптического сигнала или измерить его интенсивность, но и зафиксировать фотоэлектрическим способом оптическое изображение, имеющее определенное распределение интенсивности света по плоскости (световой образ). Этого можно достигнуть, изготовив матричное или мозаичное приемное устройство, состоящее измножества миниатюрных фотоприемников, которые преобразуют распределение светового потока в соответствующие электрические сигналы.
Записаннаятаким образом оптическая информация некоторое время сохраняется, а затем«считывается» тем или иным способом. Электрические сигналы от различныхячеек воспринимающего устройства могут быть последовательно переданы вдругое устройство и использованы для воссоздания изображения объекта (фототелеграфия, телевидение и др.).По сравнению с приемниками дискретных оптических сигналов к приемникам световых образов предъявляются более жесткие требования.Ранее в ряде систем приема световых образов было предложено применятьполупроводниковые устройства, а при считывании информации использоватьэлектронный луч, быстро обегающий миниатюрные фотодетекторы (кремниконы).
Более целесообразно использование многоэлементных фотоприемников, вкоторых запись, хранение и считывание информации осуществляется одними итеми же твердотельными элементами.В качестве многоэлементных приемников наибольшее распространение получили фоточувствительные приборы с зарядовой связью, МДП-фотодиодныематричные приемники и сканисторы.49Фоточувствительные приборы с зарядовой связьюФоточувствительный прибор с зарядовой связью (ФПЗС) представляет собойспецифическую ИМС на основе МДП-структур с регулярной системой электродов, расположенных на поверхности диэлектрика близко друг от друга, так чтостановится существенным их взаимное влияние (перекрытие полей электродоввнутри кристалла).
МДП-структуры создаются на поверхности окисленногокремния, толщина окисла – 0,1- 0,2 мкм. Размеры электродов составляют обычно 1-5 мкм, расстояние между электродами – 1-2 мкм.Al или поли-Si(прозрачный)1-2 мкм ∼5 мкмSiO2SiРис. 29. Схема участка ПЗС.Число электродов достигает 500-2000 в линейном приборе с зарядовой связью и 104–106 в матричном приборе с зарядовой связью.
Строки разделяютсямежду собой диффузионными областями. Принцип действия приборов с зарядовой связью заключается в том, что на электроды подаются импульсы напряжения, создающие в приповерхностной области неравновесное обеднение основными носителями заряда. В зависимости от соотношения амплитуд импульсов напряжения на соседних электродах реализуется режим хранения или переноса вдоль поверхности зарядового пакета неосновных носителей в подэлектродных областях.UсмUхрn+рn+Ввод0,5-2 мкмВыводРис.
30. Распределение потенциала в поверхностном слое трехтактного ПЗС.В фоточувствительных приборах с зарядовой связью неосновные носители вобласти обеднения создаются при освещении вследствие фотогенерации электронно-дырочных пар. Функционально фоточувствительный прибор с зарядовой связью – это прибор, воспринимающий изображение, осуществляющий егоразложение на элементарные фрагменты, поэлементное электронное считывание (сканирование) и формирование на выходе видеосигнала, адекватного изображению.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
