диоде свет проходит через тонкую металлическую пленку и поглощается в слое полупроводника. Образующиеся при этом дырки, попадая в металл, мгновенно рекомбинируют. Используя металлические пленки с резонансным спектром пропускания, можно создавать фотодиоды, чувствительные в узком диапазоне длин волн.

Все рассмотренные фотодиоды (кроме лавинных) обладают сравнительно малой чувствительностью, а лавинные диоды отличаются

очень жесткими требованиями к стабильности напряжения питания и температуры.

Этих недостатков лишены инжекционные фотодиоды, разработанные в последние годы. Инжекционный фотодиод представляет собой диод с длинной базовой областью из высокоомного полупроводника. Длина базы в

несколько раз превышает диффузионную длину неосновных носителей заряда. Переход n-р типа включается в прямом направлении, при этом

проводимость базовой области определяется инжектированными n-р переходом носителями. Освещение приводит к изменению

сопротивления базы как за счет непосредственного увеличения концентрации носителей (фоторезистивный эффект), так и за счет изменения параметров, определяющих распределение неравновесных носителей в базовой области, таких как время жизни и биполярная подвижность носителей заряда. Поскольку n-р переход включен в прямом направлении последовательно с сопротивлением базы, то изменение последнего приводит к увеличению тока инжекции и дальнейшему снижению сопротивления базы. Таким образом, обеспечивается усиление первичного фототока, причем вклад

инжектированных носителей в увеличение интегральной проводимости во много раз превышает вклад носителей, генерируемых световым облучением.

В качестве базы используются высокоомные скомпенсированные полупроводники (полуизоляторы), например германий, компенсированный золотом, ртутью, медью или кремний, содержащий глубокие уровни цинка, бора и др. Усиление фототока в инжекционных фотодиодах может достигать нескольких порядков величины, а чувствительность 100 А/лм.

14.2.4. Фототранзисторы и фототиристоры

Фототранзистор – это полупроводниковый фотоприбор с двумя или более n-р переходами. Области применения фототранзисторов – чувствительные элементы оптопар и фотоприемников, в том числе элементы приемного модуля волоконно-оптических линий связи и т.д. Различают биполярные и полевые фототранзисторы. Устройство биполярного фототранзистора и его выходные характеристики показаны нa рис. 14.11.

Фототранзистор обычно включается по схеме с общим эмиттером, база свободна. Световое облучение вызывает генерацию носителей заряда в области базы коллекторного перехода. Эти носители разделяются полем коллекторного перехода следующим образом: неосновные носители проходят через переход и создают коллекторный фототок, а основные накапливаются в базе, частично компенсируя заряд неподвижных ионов

248

примесей вблизи эмиттерного перехода. При этом потенциальный барьер

эмиттерного перехода снижается и происходит инжекция носителей из эмиттера в базу.

Рис. 14.11. Устройство (а), схема (б) и выходные характеристики (в)

биполярного фототранзистора

Инжектированные носители диффундируют через базу и проходят коллекторный переход, создавая ток, многократно превышающий первичный фототок. Общий ток коллектора – это сумма фототока неосновных носителей заряда и тока, создаваемого инжектированными эмиттером носителями.

Общий коэффициент усиления транзистора соответствует статическому коэффициенту передачи по току в схеме с общим эмиттером. Световые

характеристики биполярных фототранзисторов линейны только в ограниченной области световых потоков.

К фототранзисторам может быть отнесен и фототиристор – четырехслойная структура, работающая в ключевом режиме и управляемая световым потоком.

Существует много различных структур полевых фототранзисторов с n- р переходом или МДП-типа. Один из вариантов показан на рис. 14.12.

Рис. 14.12. МДП-фототранзистор со встроенным затвором

249

Световой поток генерирует неравновесные носители в области затвора и n-р перехода канал-затвор. В цепи затвора в результате разделения зарядов появляется фототок, и ток через канал возрастает. При этом уменьшается напряжение на стоке, которое и является выходным сигналом прибора. В

общем случае фототранзистор можно представить себе как сочетание фотодиода с усилительным транзистором в одном приборе.

14.2.5. Оптоэлектронные пары

Оптоэлектронная пара содержит светоизлучатель и фотоприемник, связь между которыми осуществляется оптически, а элементы ее гальванически полностью развязаны. Оптопары используются как элемент электрической развязки в цифровых и импульсных устройствах, системах передачи аналоговой информации, системах автоматики. Они являются составным элементом оптических микросхем. Устройство оптопары показано на рис. 14.13.

5

4

3 1

2

Рис. 14.13. Схема оптопары: 1 – металлические электроды; 2 – светоизлучатель; 3 – прозрачные электроды (оксид олова); 4 – оптическая среда (стекло или полимер); 5 – фотоприемник

В качестве светоизлучателей в оптопаре могут быть использованы светодиоды или лазерные диоды, а в качестве фотоприемников – фотодиоды, фототранзисторы и другие приборы.

Оптоэлектрические пары обеспечивают почти идеальную гальваническую развязку, невосприимчивы к воздействию электрических помех, хорошо совместимы с интегральными микросхемами и имеют широкие функциональные возможности.

Имеется ряд пар источник-фотоприемник, достаточно хорошо согласующихся друг с другом. В качестве примера можно привести следующие пары:

1.Кремниевый р-i-n фотодиод хорошо согласуется со светодиодами GaAs(Zn), GaAlAs, GaAsР и спектрально, и по быстродействию.

2.Кремниевые фототранзисторы и фототиристоры хорошо согласуются с излучателями на основе GaAlAs.

250