Маркировка фототранзисторов

Привет, Вы узнаете про фототранзисторы, Разберем основные ее виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое
фототранзисторы, фототранзистор , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
.

— это управляемый излучением прибор с двумя или большим числом взаимодействующих между собой электрических переходов. Его применяют в качестве чувствительного к излучению элемента оптоэлектронных пар и фотоприемных устройств, первичного преобразователя измерительных информационных систем, элемента приемного модуля волоконно-оптических линий связи средней пропускной способности и др. Различают биполярные и полевые . К фототранзисторам также относится фототиристор.

Конструктивно-технологическое
оформление оптронов производится с
учетом оптимизации функциональных,
стоимостных и других параметров. Основным
требованием является обеспечение
эффективной оптической связи и
электрической изоляции между источником
и приемником. На рис. 15.9 показаны наиболее
типичные конструкции оптопар. Применяемые
в настоящее время оптроны являются
гибридными устройствами, что относится
к конструктивным недостаткам.
Разрабатываются также монолитные
оптопары, которые представляют собой
интегрированные твердотельные излучающие
и приемные структуры, изготавливаемые
в одном технологическом процессе.

О
днако
до сих пор ни в одном варианте монолитных
оптронов не удалось добиться сочетания
всех необходимых параметров: долговечности,
надежности, и устойчивости к внешним
факторам. Основными нерешенными
проблемами остаются низкая эффективность
излучательной и фоточувствительной
структур, плохая светопередача и
изоляция, неудовлетворительная
совместимость используемых материалов.

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.

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.

Рассмотрим,
например, работу фототранзистора в
схеме с общим эмиттером при отключенной
базе (рис.15.6). Фототок коллекторного
перехода суммируется с обратным током
коллектора, поэтому в формуле для тока
транзистора вместо I
_К0

следует поставить I
_К0


+
I
_Ф

:

Существует две
разновидности конструкций фототранзисторов:
поперечная и продольная (рис.15.7).
Продольные транзисторы имеют более
простую конструкцию и технологию, удобны
для включения в интегральные схемы, но
уступают по своим функциональным
параметрам.

Д
остоинства
фототранзисторов: наличие механизма
внутреннего усиления, т.е. высокая
фоточувствительность, схемотехническая
гибкость, связанная с наличием третьего
электрода.

Основные недостатки:
ограниченное быстродействие и
температурная зависимость параметров.

4 Фотоприемники на основе фототиристоров

Фототиристор –
полупроводниковый приемник излучения,
содержащий структуру тиристора, которая
обеспечивает переключающие свойства
прибора.

Прибор представляет
собой четырехслойную p-n-p-n структуру,
содержащую соответственно, 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 был
включен в обратном направлении, а оба
эмиттерных – в прямом. При таком включении
переходов, как было рассмотрено в разделе
14.2, тиристор можно представить в виде
двух последовательно включенных
транзисторов p-n-p и n-p-n с положительной
обратной связью через общие базы и
коллекторы. Сильная положительная
обратная связь является причиной
появления на вольтамперной характеристике
прибора участка с отрицательным
динамическим сопротивлением.

Т
иристор
может находиться в одном из двух
устойчивых состояний, закрытом высокоомном
и открытом низкоомном (рис.15.8). Переход
из одного устойчивого состояния в другое
происходит скачком (на отрицательном
участке ВАХ состояние прибора неустойчиво),
когда напряжение на управляющем электроде
(для обычного тиристора) или освещенность
(для фототиристора) превышают некоторое
пороговое значение. При этом переходе
сопротивление тиристора и ток через
него изменяются в 10 ⁶

-10 ⁷

раз: примерно от 10 ⁸

Ом в закрытом состоянии до 10 ^-1

Ом – в открытом. Таким образом, фототиристор
имеет очень высокий коэффициент усиления
по току и по мощности.

Излучение в
фототиристоре поглощается в обеих
базах: с ростом освещенности увеличиваются
токи эмиттеров, происходит накопление
положительных и отрицательных зарядов,
необходимых для перевода во включенное
состояние.

С ростом освещенности
напряжение переключения уменьшается.
Таким образом, свет играет роль
управляющего электрического сигнала
у тиристора с третьим выводом (от базы)
и позволяет бесконтактным способом
управлять токами в различных электрических
цепях.

Выключить
фототиристор можно сняв с него выходное
напряжение, что легко реализуется при
переключении цепей переменного тока.

Главным достоинством
фототиристоров как фотоприемников с
ВАХ S-типа является внутреннее усиление
фототока, что значительно увеличивает
фоточувствительность. По сравнению с
фототранзисторами фототиристоры
обеспечивают большое значение
коммутируемых токов и напряжений, более
высокое по сравнению с составными
фототранзисторами быстродействие
(10-30 мкс). Фототиристоры используются
для управления большими токами в
«силовой» оптоэлектронике.

3. Фототранзисторы и фототиристоры

Фототранзистор

—
это фотоэлектронный прибор, имеющий
транзисторную структуру, ток которого
управляется световым по­током.

Простейший
фототранзистор устроен подобно
биполярному

Рис.
3.23. Фототранзистор: а

— структура; б

— условное графиче­ское обозначение;
в

— схема с общим эмиттером с включенной
ба­зой; г

— схема включения со свободной базой

транзистору
р-п-р

или п-р-п

типа с двумя р-п

переходами: эмиттерным и коллекторным.
Базовый слой выполняется очень тонким.
Кристалл помещается в корпус, имеющий
прозрачное окно для облучения светом
базовой области. Структура фото­транзистора,
его условное графическое обозначение
и схемы включения показаны на рис. 3.23.

Фототранзистор
включается в цепь источника питания
как обычный биполярный транзистор, так
что на эмиттерном перехо­де действует
прямое напряжение, а на коллекторном
— обрат­ное. Чаще всего используют
схему с общим эмиттером (рис.

23. в).

    Получили большое распространение
    также схемы со свободной базой, в
    которых цепь базы разомкнута, причем
    база может не иметь отдельного вывода
    (рис. 3.23, г).

Рассмотрим
принцип действия фототранзистора
р-п-р
-типа
в схеме со свободной базой (рис. 3.24). В
части база — коллек­тор его можно
рассматривать как фотодиод, а вместе
с эмитте­ром он получает дополнительные
усилительные свойства транзис­тора,
что значительно увеличивает его
чувствительность при пре­образовании
световых сигналов в электрические, м
При отсутствии светового потока через
фототранзистор про­

текает
очень малый темновой ток. Он обусловлен
тем, что дырки, которые переходят из
эмиттера в базу, частично доходят до
коллекторного перехода и втягиваются
коллектором. Небольшая величина этого
тока объясняется тем, что в этом процессе
заряд дырок в базе не компенсируется
электронами, концентрация которых в
базе мала, а пополнения электронов при
разомкнутой цепи базы нет. Образующийся
таким образом в л-области базы положительный
объемный заряд дырок увеличивает
потенциаль­ный барьер эмиттерного
перехода и препятствует дальнейшему
проникновению дырок из эмиттера в базу.
В результате коли­чество дырок,
инжектируемых эмиттером в базу,
ограничивается,

Рис.
3.24. Принцип действия фототранзистора
(а) и его вольт-ампер­ные характеристики
(б)

а
следовательно, меньше их переходит в
коллектор под действием приложенного
к коллекторному переходу напряжения.
Таким образом, темновой ток фототранзистора
получается сравнитель­но малым.

При
облучении базовой л-области светом в
ней, как и в фо­тодиоде, за счет световой
энергии разрушаются ковалентные связи
и образуются электронно-дырочные пары.
Дырки под дей­ствием приложенного
напряжения переходят в коллектор,
увели­чивая его ток по сравнению с
темновым током, т. е. появляется фототок
/ _ф
.
Таким образом, в коллекторном переходе
фототран­зистора между базой л-типа
и коллектором р-типа происходят те же
процессы, что и в фотодиоде.

Однако
рассмотренными процессами принцип
действия фото­транзистора не
ограничивается, поскольку в нем имеется
еще эмиттерный переход. Электроны,
образованные фотонами света при
разрушении ковалентных связей,
накапливаются в базе л-ти- па около
эмиттерного перехода и понижают его
потенциальный

На
рис. 3.24, а

темновой ток / _т

показан пунктирными стрелка­ми,
фототок / _ф

— тонкими сплошными, а ток /к — толстыми
сплошными. Общий ток коллектора / _к

фототранзистора, вклю­ченного по
схеме с общим эмиттером и свободной
базой, опре­деляется как сумма трех
составляющих:

/к
=
К

-Ь /ф -f- / _т
—

Подставив
значение / _к
‘
= р/ф, получим:

/ _к

= р/ф -J-
/ф
-J-
/т-

/к
= (Р -+- 1) /ф /т.

Таким
образом, в фототранзисторе наряду с
появлением фо­тотока происходит его
усиление, за счет чего он имеет гораздо
большую интегральную чувствительность,
чем фотодиод.

Чувствительность
фототранзистора

определяется как отноше­ние изменения
тока коллектора к вызвавшему его
изменению светового потока при свободной
базе и коротком замыкании нагрузки:

5 _д
„ф
= при / _б

= 0
;
R
_H



=

0
.

Чувствительность
фототранзисторов составляет сотни
милли­ампер на люмен.

Важный
параметр фототранзистора — коэффициент
усиления по фототоку

/Сф,
который
определяется как отношение тока
кол­лектора освещенного фототранзистора
со свободной базой к фо­тотоку
коллекторного р-п

перехода при отключенном эмиттере при
той же величине светового потока:

/С _ф

= при Ф = const.

Коэффициент
усиления /( _ф

можно определить по формуле: Кф
=

1 + Р = 1 h
21э\

/С _ф

составляет десятки и сотни единиц.

Основные
характеристики фототранзистора —
вольт-амперные и световые.

Вольт-амперная
характеристика

фототранзистора — это зави­симость
тока коллектора от напряжения между
коллектором и эмиттером при постоянном
световом потоке (рис. 3.24, б):

/к
= / (U™)

при
Ф

== const.

Вольт-амперные
характеристики фототранзистора по виду
аналогичны выходным характеристикам
обычного биполярного транзистора, но
постоянной величиной, при которой
снимается каждая характеристика, будет
не ток базы, а световой поток. От
вольт-амперных характеристик фотодиода
они отличаются масштабом оси токов (ток
фототранзистора гораздо больше) и тем,
что все характеристики выходят из начала
координат, т.е. при и
_кэ


=

О / _к

= 0. Чем больше световой поток, тем выше
распо­лагаются характеристики.

Световые
характеристики

фототранзистора линейны и имеют такой
же вид, как характеристики фотодиода,
работающего с внешним источником
питания.

Спектральные
характеристики

зависят от материала и приме­сей и
перекрывают видимую и инфракрасную
часть спектра.

Граничная
частота

биполярных фототранзисторов составляет
10 ⁵

Гц.

В
схеме использования фототранзистора
с включенной цепью базы (см. рис. 3.23, в)

происходят такие же процессы, как в
схеме со свободной базой. При наличии
цепи базы появляется дополнительная
возможность управлять током коллектора
путем изменения тока базы и расширяется
область применения фото­транзисторов:
наряду с преобразованием слабых световых
сигна­лов в электрические и их усилением
внутри фототранзистора можно суммировать
их с электрическими сигналами,
поступаю­щими в цепь базы и усиленными
фототранзистором как обычным биполярным
транзистором.

Помимо
биполярных фототранзисторов разработаны
полевые фототранзисторы с управляющим
р-п

переходом. Они имеют бо­лее высокую
чувствительность — до нескольких ампер
на люмен, допускают большую мощность;
граничная частота их — до 10
⁷
—
10 ⁸

Гц.

Фототранзисторы
наряду с _ч

фоторезисторами и фотодиодами находят
применение в различных областях, в том
числе и в мик­роэлектронике — в
качестве фотоприемников совместно со
свето­диодами, являющимися
фотоизлучателями.

Фототиристор

—
фотоэлектронный прибор, имеющий
четырех­слойную структуру с двумя
выводами (рис. 3.25, а).

Его услов­ное графическое обозначение
показано на рис. 3.25, б.

Фототиристор,
как и обычный полупроводниковый тиристор,

имеет
структуру р-п-р-п

и три р-п

перехода, из которых краиние П\
и П
₃

включены в прямом направлении, а средний
— Я ₂
—
в обратном. Величина напряжения на
фототиристоре выбирается так, что при
отсутствии светового потока он закрыт.
В отличие от обычного тиристора напряжение
включения фототиристора зависит не от
тока управления, а от светового потока.
Фототи­ристор устроен так, что свет
падает на внутренние слои р
₂

и п
_х

,

в
которых за счет энергии фотонов происходит
образование пар электрон — дырка. Дырки
из области п\

переходят в область р ₂
,
в электроны — из области р ₂

в область п\

под действием об-

Рис.
3.25. Фототиристор: а
—

структура и схема включения; б — условное
графическое обозначение; в

— вольт-амперные характеристики

ратного
напряжения на коллекторном переходе
Я ₂
.
При этом возрастает ток через этот
переход, следовательно, увеличивается
ток / во внешней цепи. При определенной
величине тока фото­тиристор включается.
Чем больше световой поток Ф, тем меньше
напряжение и
_вкл
,
при котором включается фототиристор.

Вольт-амперные
характеристики

фототиристора аналогичны вольт-амперным
характеристикам обычного тиристора
(рис. 3.25, в), но каждая из них соответствует
определенному постоян­ному значению
светового потока:

/
= f(U)

при
Ф = const.

При
переходе из закрытого состояния в
открытое сопротивле­ние фототиристора
уменьшается от сотен мегаом до десятых
до­лей ома; это происходит практически
мгновенно — в течение мил­лионных
долей секунды. Фототиристоры используют
для комму­тации электрических цепей
большой мощнрсти при помощи све­товых
сигналов.

Система
обозначения фотоэлектронных приборов.

Электровакуумные
фото­умножители обозначают тремя
буквами — ФЭУ — и числом, определяющим
коли-

чество
динодов во вторично-электронном
умножителе; например, ФЭУ-1 —одно­каскадный
фотоумножитель, ФЭУ-18 — фотоумножитель
многокаскадный, имею­щий 18 динодов.

Полупроводниковые
фотоэлектронные приборы имеют в системе
обозначений четыре элемента:

первый
элемент

— две буквы, определяющие группу прибора
по принципу действия: ФР — фоторезисторы,
ФД — фотоэлектронные прибор.ы с р-п

перехода­ми, ФУ — приборы с р-п
переходами и внутренним усилением;

второй
элемент

— буква, определяющая исходный материал,
из которого изготовляется прибор: К —
кремний, Г — германий;

третий
элемент

— число от 001 до 999 — порядковый номер
разработки при­бора;

четвертый
элемент

— буква, определяющая подгруппу прибора:
Б — биполяр­ный фототранзистор, У —
полевой (униполярный) фототранзистор,
Т — фото­тиристор.

Примеры
обозначений: ФДК9 — фотодиод кремниевый,
порядковый номер разработки 9, ФДК155 —
то же, порядковый номер разработки 155.

1. На
   чем основан принцип действия фоторезистора?

2. Объясните
   процессы, происходящие в фотодиоде при
   работе в фотодиодном режиме, и его
   вольт-амперные характеристики.

3. Объясните
   процессы, происходящие в фотодиоде при
   работе в фотогальвани- ческом режиме.

4. Нарисуйте
   и объясните световые характеристики
   фотодиода в фотодиодном и фотогальваническом
   режиме и назовите его основные параметры.

5. Объясните
   принцип действия и вольт-амперные
   характеристики фототран­зистора и
   фототиристора.

6 Обозначение и маркировка оптоэлектронных приборов

Обозначение
оптронов состоит из трех элементов:

Первый элемент
это буква или цифра, которая обозначает
материал излучателя (А или 3 – GaAs или
GaAlAs); второй элемент — буква — О – оптроны;
третий элемент — буква — тип фотоприемника:
Д — фотодиод, Т – фототранзистор, У –
фототиристор; четвертый элемент – 2 или
3 цифры – номер разработки; после номера
разработки может следовать буква,
обозначающая особенности параметров
оптрона.

Например: АОУ-
103 А
–
тиристорный оптрон на основе арсенида
галлия, номер разработки 103, группа по
параметрам А.

АОТ – 101 АС

– транзисторный оптрон на основе
твердого раствора галлий – алюминий —
мышьяк, номер разработки 101, группа по
параметрам А.

Резисторные оптроны
(исторически первый тип оптронов) имеют
отличающееся обозначение, например:
ОЭП-2

— оптоэлектронный прибор, номер разработки
2.

Биполярный фототранзистор. Устройство и принцип действия.

Один из возможных вариантов конструкции фототранзистора показан на Рис.1. Как видно из этого рисунка, фототранзистор отличается от обычного транзистора лишь прозрачным окном в корпусе; через него световой поток падает на пластину полупроводника, служащую базой, в центре которой путем вплавления создан коллекторный переход.

Возможны и другие варианты расположения электродов, например кольцеобразный коллектор на освещаемой поверхности базы.

Устройство и схема включения биполярного фототранзистора также показаны на Рис.2.а.

Фототранзистор состоит из:

1
— эмиттерной области р+- типа;

2
— области базы n- типа, большая часть которой пассивна и открыта световому потоку;

3
— широкой коллекторной области р- типа.

Пассивная часть базы расположена на Рис.2.а
слева от штрих пунктирной линии. Фототранзистор, как правило, включается по схеме ОЭ
с резистором нагрузки R
н
в коллекторной цепи (Рис.2.а). Входным сигналом фототранзистора является модулированный световой поток, а выходным — изменение напряжения на его коллекторе.

Типовая спектральная чувствительность кремниевого фототранзистора

Рассмотрим принцип работы фототранзистора в схеме с разорванной цепью базы. Оптический сигнал генерирует в коллекторном переходе и области пассивной базы носители. Эти носители диффундируют в базе к коллекторному переходу и разделяются его электрическим полем. Не основные носители создают фототок коллекторного перехода, а основные накапливаются в базе и компенсируют заряд неподвижных ионов примесей на границе эмиттерного перехода. Потенциальный барьер перехода снижается, что усиливает инжекцию носителей из эмиттера в базу. Инжектированные носители диффундируют через базу к коллекторному переходу и втягиваются его электрическим полем в область коллектора. Ток инжектированных носителей, а соответственно и образованный ими коллекторный ток многократно превышает фототок оптически генерируемых носителей.

Общий ток коллектора — это сумма фототока I
фб
и тока I
кр
инжектированных эмиттером дырок, прошедших коллекторный переход.

Коэффициент усиления фототока:

М=(I
фв
+
I
кр
)/I
фб
=
β +1
, если
,

где β
— статический коэффициент передачи по току транзистора в схеме с ОЭ
.

Усиленный в М
раз фототок создает падение напряжения на резисторе нагрузки R
н
, изменяя напряжение коллектора на:

Из этого соотношения следует, что фототранзистор можно представить в виде эквивалентного фотодиода VD
и усилительного транзистора VT
(Рис.2.б).
Эквивалентный фотодиод образован пассивной базой и областью коллектора слева от штрих-пунктирной линии на Рис.2.а, структура усилительного транзистора расположена справа от этой линии. Транзистор увеличил чувствительность эквивалентного фотодиода в (
β +1)
раз.

Вывод базы Б
фототранзистора иногда используется для подачи смещения при выборе рабочей точки на входной и выходной характеристиках транзистора и обеспечения ее температурной стабилизации.

Семейство выходных характеристик фототранзистора в схеме с ОЭ приведено на Рис.2.в. Фототок образован генерируемыми в области базы неравновесными носителями.

Обозначения на схемах фототранзисторов

Схематическое изображение фототранзистора на электрических схемах

VТ1 – фототранзисторы с базой, VТ2 – фототранзисторы без базы.

5 Параметры оптоэлектронных приборов

Элементарный
оптрон представляет собой четырехполюсный
прибор, поэтому имеет 3 основные
характеристики – входную, передаточную
и выходную.

Входная характеристика
представляет собой ВАХ излучателя.
Выходная – соответствующая характеристика
фотоприемника (при заданном токе на
входе оптрона). Передаточная характеристика
– зависимость тока на выходе I ₂

от тока на входе I ₁

(в общем случае нелинейная).

Статический
коэффициент передачи по току

.
Для большинства оптронов K _I

является паспортным параметром (от 0,5%
для диодных до 100% для транзисторных).

Суммарное
быстродействие оптрона часто характеризуют
временем переключения t _n

= t ₁

+ t ₂
,
где t ₁

и t ₂

– времена нарастания и спада сигнала
на выходе оптрона. Быстродействие
оптрона неодинаково у разных типов
оптронов, зависит от режимов работы и
лежит в пределах от 10 ^-9

до 10 ^-1

с. Быстродействие также может
характеризоваться граничной частотой,
f _гр,
которара
лежит в пределах от 5 кГц до 10 МГц.

Параметры изоляции:
максимально допустимое напряжение
между входом и выходом V _из

статическое или пиковое (при работе с
переменными сигналами). Высокое
сопротивление изоляции — R _из

~ 10 ¹²

Ом – исключает обратную связь по току.
Однако, наличие проходной емкости С _пр

(между
входом и выходом оптрона) обуславливает
связь по переменному току, т.е. скачок
напряжения ΔV ₂

на выходе за время Δt приводит к появлению
емкостного тока

.
Значение проходной емкости обычно
составляет ~ 1 пФ.

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.

Преимущества и Недостатки фототранзисторов

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

Фототранзисторы 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.
• Фототранзисторы не сочетаются с работой в лампах, по причине малой скорости носителей заряда

Конструкция корпусов

Приборы, предназначенные для приема внешнего излучения заключают в пластмассовый, металлостеклянный или металлокерамический корпус с прозрачным окошком или линзой, изготовленных из пластмассы или стекла. Исключение составляют фототранзисторы, входящие в состав оптронов, заключенные совместно с источником излучения в непрозрачный корпус.

Приборы, оформленные в металлостеклянных и металлокерамических корпусах, обычно имеют электрический вывод базы.

Применение фототранзисторов

Оптопара с составным транзистором фототранзистор-транзистор по схеме Дарлингтона

Так как фототранзисторы более чувствительны чем фотодиоды их удобно применять в качестве приемников излучения в различных системах автоматики безопасности, системах охранной сигнализации, считывателях перфокарт и перфолент, датчиках положения и расстояния и др. применениях, где некритично быстродействие.

Часто фототранзисторы применяют в оптопарах в качестве приемников излучения в оптронах.

так же фототранзисторы применяются в

• 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.

Характеристики фототранзистора.

Световая характеристика фототранзистора —
это зависимость тока коллектора от светового потока I
к
=f
(Ф)
.
Она линейна только при малых потоках. С увеличением светового потока и ростом концентрации неравновесных носителей в базе повышается вероятность их рекомбинации, снижаются коэффициенты переноса, и инжекции фототранзистора. Прямо пропорциональная зависимость коллекторного тока от светового потока нарушается.

Большинство параметров биполярного фототранзистора аналогично по физическому смыслу параметрам фотодиодов. Кроме того, фототранзистор характеризуется рабочим напряжением питания, емкостями переходов С
к
и С
э
, статическим коэффициентом усиления по току и другими параметрами обычного транзистора.

Вольт-амперные характеристики фототранзистора
(Рис.3) напоминают выходные характеристики обычного транзистора в схеме ОЭ, но параметром здесь служит не ток I
К
, а световой поток Ф
.

Крутой начальный участок этих характеристик соответствует режиму насыщения: при малых U
кэ

коллекторный переход, как и в биполярном транзисторе, за счет накопления дырок в коллекторе открывается . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Наклон характеристик к оси абсцисс в их пологой части объясняется, так же как и для биполярного транзистора, эффектом модуляции ширины базы.

Частотные свойства фототранзисторов
определяются в основном диффузионным движением носителей в базе прибора и процессами заряда емкостей переходов.

С увеличением частоты модуляции светового потока фототок уменьшается так же, как и в фотодиодах (Рис.4).

Одним из важнейших параметров фототранзистора служит коэффициент усиления по фототоку фототранзистора
( К
уф
) — отношение фототока коллектора фототранзистора при отключенной базе к фототоку освещаемого р-n перехода, измеренному в диодном режиме:

Токовая чувствительность фототранзистора
— это отношение изменения электрического тока на выходе фототранзистора к изменению потока излучения при холостом ходе на входе и коротком замыкании на выходе по переменному току. Для схемы с общим эмиттером токовая чувствительность равна:

Эмиттерный переход биполярного фототранзистора включен в прямом направлении. Его удельная емкость около 105
. Постоянная времени заряда емкости эмиттерного перехода увеличивается с ослаблением интенсивности светового потока. При малых световых потоках она определяет в основном инерционность фототранзистора. При больших световых потоках на инерционность фототранзистора влияют время диффузии носителей в базе и емкость коллекторного перехода. Поэтому для фототранзистора выбирают материалы с высокой подвижностью носителей, используют структуру с внутренним электрическим полем в базе или с тонкой базой. Уменьшать емкость коллекторного перехода снижением концентрации примесей в области коллектора удается лишь до некоторого предела. Сокращать для этой цели площадь эквивалентного фотодиода нецелесообразно, так как при этом падает чувствительность фототранзистора.

Для повышения чувствительности фототранзистора следует увеличивать толщину базы,время жизни носителей в базе и, следовательно, выбирать материалы с высоким удельным сопротивлением. Но для повышения его граничной частоты толщину базы и время жизни носителей необходимо уменьшать. Разрешает противоречие между быстродействием и чувствительностью структура фотодиод — транзистор, эквивалентная схема которой показана на Рис.5.
Оба элемента структуры изготовлены в одном кристалле. Параметры фотодиода выбирают из условий достижения максимальной чувствительности и быстродействия, а параметры транзистора — максимальной граничной частоты и усиления. В совокупности оба элемента эквивалентны быстродействующему фототранзистору с высоким коэффициентом усиления

История

Фототранзистор изобрел Джон Нортроп Шив ( John Northrup Shive
) в 1948 г., во время его работы в Bell Laboratories
, но об этом изобретении было заявлено только в 1950 г. Тогда же фототранзисторы были впервые применены в считывателе перфокарт в автоматической телефонной станции.

Схемы подключения биполярных фототранзисторов

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.

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.

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.

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.

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• транзистор
• фоторезистор
• фотосемистр
• фотодиод
  ,
• оптрон

Полевой фототранзистор.

Устройство и схема включения полевого фототранзистора с управляющим р-n переходом показаны на Рис.6.а

где

: 1
— просветляющее покрытие;

2
— диэлектрический слой;

3
— область истока n+ — типа;

4
— канал n- типа;

5
— область затвора р- типа;

6
— стоковая область n+ — типа;

7
— выводы прибора;

R
н
— резистор нагрузки в цепи затвора;

R
н.тр
— резистор нагрузки фототранзистора.

Световой поток генерирует неравновесные носители в области затвора 3 и р-n перехода затвор-канал. Электрическое поле этого перехода разделяет неравновесные носители. В цепи затвора появляется фототок

I
ф
.
Он создает на резисторе R
н
падение напряжения:

Напряжение на затворе увеличивается, ток стока изменяется на:

где

S
— крутизна стокозатворной характеристики полевого транзистора. Проводимость канала возрастает, и соответственно уменьшается напряжение стока на:

Изменение напряжения стока является выходным электрическим сигналом схемы. Таким образом, полевой фототранзистор эквивалентен фотодиоду “затвор-канал” и усилительному полевому транзистору с управляющим р-n переходом (Рис.6.б).

В эквивалентной схеме полевого фототранзистора (Рис.7) источники I
фи
и I
фс
моделируют фототоки р-n переходов “исток-затвор” и “сток-затвор”; источник S

U
з
— усиление в транзисторе; резистор r
ДИФ

— дифференциальное выходное сопротивление транзистора; резисторы R
и
, R
c
и конденсаторы С
и
, С
с
учитывают сопротивление и емкости переходов между областями “исток-затвор”, “сток-затвор”. Резисторы R
пс
, R
пи
, R`
пс
, R`
пи
с учетом сопротивления омических контактов определяют последовательно включенные сопротивления областей между выводом затвора и областью стока, выводом затвора и областью истока, выводом истока и областью затвора, выводом стока и областью затвора. Для источника тока в выходной цепи фототранзистора можно записать:

где I
ф.к.
— фототок p-n перехода “канал-затвор”.

При коротком замыкании цепи “затвор-исток” объемные сопротивления R
пu
, R`
пи
, R
пс
выполняют роль резисторов нагрузки. Постоянными времени (R
пи
+R`
пи
)C
и

и (R
пс
+R`
пс
)C
с
, а также временем пролета носителей в канале определяется предельное быстродействие фототранзистора.

Параметры полевого фототранзистора аналогичны по физическому смыслу параметрам биполярного .

Структуры полевых транзисторов с р-n переходом и МОП фототранзисторов многообразны. Наибольшие быстродействие и чувствительность у структуры фотодиод — полевой транзистор. Фотодиод совмещен с областью истока полевого транзистора — усилительного элемента. Каждая из составляющих структуры оптимизирована: фотодиод — по чувствительности и быстродействию, полевой транзистор — по граничной частоте и усилению.

Сравнительная оценка параметров фототранзисторов показывает, что наибольшая чувствительность у составного фототранзистора, а максимальное быстродействие при хорошей чувствительности у структуры фотодиод — биполярный транзистор (ФД-БТ). Структура фотодиод — полевой транзистор имеет параметры, близкие к параметрам структуры ФД-БТ. Фототранзисторы уступают фотодиодам по быстродействию, но за счет усиления сигнала имеют высокую чувствительность.