7.2. Фототранзисторы

Значительно выше по сравнению с фотодиодами интегральная чувствительность у фототранзисторов. Биполярный фототранзистор представляет собой обычньн транзистор, в корпусе которого сделано прозрачное «окно», через которое световой поток воздействует на область базы. Схема включения биполярногс фототранзистора типа р — п — р со «свободной», т. е. никуда не включенной базой, приведена на рис. 7.3. Как обычно, на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном — обратное.

Рис. 7.3. Структура и схема включения фототранзистора со «свободной» базой

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.

Выходные характеристики фототранзистора показаны на рис. 7.4. Они анало­гичны выходным характеристикам для включения транзистора по схеме с обшим эмиттером, но различные кривые соответствуют различным значениям светового потока, а не тока базы.

Рис. 7.4. Выходные характеристики фототранзистора

В качестве приемников излучения используются и полевые фототранзисторы. На рис. 7.5 показан полевой фототранзистор с каналом n-типа. При облучении n-канала в нем и в прилегающей к нему p-области затвора генерируются электроны и дырки. Переход между n-каналом и p-областью находится под обратным напряжением, и поэтому под действием поля этого перехода происходит разделение носителей заряда. В результате возрастает концентрация электронов в n-канале, уменьшается его сопротивление и увеличивается концентрация дырок в p-области. Ток стока возрастает. Кроме того, возникает фототок в цепи затвора. Этот ток создает падение напряжения на резисторе R₃, за счет чего уменьшается обратное напряжение на управляющем переходе канал —затвор. Это, в свою очередь, приводит к увеличению толщины канала, а следовательно, к дополнительному уменьшению его сопротивления и возрастанию тока стока . Таким образом осуществляется управление током стока с помощью света.

Рис.7.5. Структура и схема включения полевого фототранзистора с каналом n-типа

Разработаны МОП-фототранзисторы с индуцированным каналом. Они имеют полупрозрачный затвор, через который освещается область полупроводника под затвором. В этой области происходит фотогене­рация носителей заряда. За счет этого изменяется значение порогового напря­жения, при котором возникает индуцированный канал, а также крутизна, являю­щаяся основным усилительным параметром такого транзистора. На затвор иногда подают постоянное напряжение для установления начального режима.

7.3. Светодиоды

В качестве малоинерционных полупроводниковых источников излучения применяются светодиоды, работающие при прямом напряжении. А свечение, возникающее в светодиодах, относят к явлению так называемой инспекционной электролюминесценции.

При прямом напря­жении в полупроводниковом диоде происходит инжекция носителей заряда из эмиттерной области в область базы. Инжектированные, например, электроны рекомбинируют с основными носителями базовой области, в данном случае с дыр­ками р-области. При этом выделяется фотон, энергия которого почти равна ширине запрещенной зоны :

. (7.1)

Подставляя в эту формулу постоянные величины, можно определить ширину запрещенной зоны (в электрон-вольтах), необходимую для излучения с той или иной длиной волны (в микрометрах):

. (7.2)

Из этого соотношения следует, что для излучения видимого света с длиной волны от 0,38 до 0,78 мкм полупроводник должен иметь 1,7 эВ. Для современных светодиодов применяют фосфид галлия GaP и карбид кремния SiC.

Помимо светодиодов, дающих видимое свечение, выпускаются светодиоды инфракрасного излучения, изготавливаемые преимущественно из арсенида галлия GaAs и его соединений.