Фотоприймачi з внутрiшнiм пiдсиленням
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
?етичнi характеристики фотоелементiв близькi до лiнiйного при малих опорах навантаження i СФ логарифмiчними (залежнiсть фотовiдповiдi вiд iнтенсивностi засвiтки) при великому навантаженнi.
Типова структура фотодiода i його вольт-амперна характеристика (ВАХ) показанi на мал. 1.3.
Мал.1.3 ВАХ фотодiода (a) i його структурна схема (б).
Оцiнимо розмiр фотоструму для простого випадку, коли випромiнювання поглинаСФться в n-областi i iнтенсивнiсть свiтла постiйна по товщинi (nn маСФ вигляд:
РЖнас = gSLppn / p.
Це cтрум незрiвноважених носiiв заряду, що генеруються з темпом pn/p в шарi бази шириною, рiвною довжинi дифузii неосновних носiiв (дiрок) Lp. За аналогiСФю фотострум
РЖф = qS(р / p),
де p концентрацiя генерованих свiтлом носiiв. Оскiльки << Lp, то
пiдставляючи p = pФ, одержуСФмо:
РЖф = qSФ = qcSФ (1.1)
Тут S площа свiтлоприйомноi поверхнi; c = безрозмiрний коефiцiСФнт, що характеризуСФ частку випромiнювання, що поглинаСФться в базi. У фотодiодiв на основi p-n-переходу СФ багато переваг, головним iз яких СФ мала iнерцiйнiсть.
ФОТОТРАНЗИСТОРИ
Бiполярний фототранзистор являСФ собою напiвпровiдникову структуру, у якiй СФ два p-n-переходи (мал. 1.4). Прилад можна уявити таким що складаСФться iз фотодiода i транзистора .Фотодiодом СФ освiтлювана частина переходу база - колектор, транзистором - частина структури, розташована безпосередньо пiд емiтером. Можливi три схеми включення фотодiода як двохполюсника, коли один iз виводiв залишаСФться вiльним: iз вiльним колектором, iз вiльним емiтером i з вiльною базою. Першi двi з цих схем не вiдрiзняються вiд схеми
вмикання p-n-переходу у фотодiодному режимi.
Мал. 1.4. Включення транзистора з вiдключеною базою.
Розглянемо роботу транзистора в схемi з загальним емiтером (ЗЕ) при вiдключенiй базi за вiдсутностi освiтлення (див. мал. 1.4). Оскiльки колекторний p-n-перехiд включений в оберненому напрямку, уся прикладена напруга падаСФ на ньому i пiсля вмикання струм у ланцюзi дорiвнюСФ оберненому струмовi окремо взятого колекторного переходу РЖКБ0. Цей струм складаСФться з струму дiрок iз бази в колектор i струму електронiв iз колектора в базу. Вiдхiд iз бази дiрок i прихiд у неi електронiв призводить до утворення негативного заряду в базi. Внаслiдок цього потенцiйний барСФр емiтерного переходу знижуСФться i для компенсацii негативного заряду в базу з емiтера входять дiрки. Позначимо через h21Б коефiцiСФнт передачi (пiдсилення) емiтерного струму транзистора: h21Б = (РЖк / РЖе)U=const. Для аналiзованого випадку (ЗЕ) h21Б-а частина iнжектованих дiрок проходить через базу в колектор i в компенсацii негативного заряду в базi бере участь тiльки (1- h21Б)-а частина дiркового струму емiтера РЖе. З умови електронейтральностi струм, що утворюСФ заряд, повинен бути рiвний струмовi, що його компенсуСФ, тобто РЖе (1-h21Б) = РЖКБ0. Струм у всiх дiлянках послiдовного ланцюгу однаковий, тому
РЖ = РЖе = РЖк i I = РЖКБ0/(1- h21Б).
При освiтленнi бази фотострум збiльшуСФ обернений струм колекторного переходу, включеного в оберненому напрямку, тому що фотострум пiдсумовуСФться з колекторним струмом.
На даний час вiдомi складнi iнтегральнi мiкросхеми з фототранзисторами. Прикладом СФ складовий транзистор-тверда схема з трьома транзисторами, сполученими за схемою Дарлiнгтона, яку можна розглядати як емiтерний повторювач. КоефiцiСФнти пiдсилення таких приладiв можуть досягати h321 , що при достатньо великих струмах складаСФ 105 тАж 106. У складових фототранзисторах досягаються малi значення границi чутливостi. Вони вiдрiзняються високим вхiдним опором. Висока фоточутливiсть, широкий температурний дiапазон роботи, простота технологii виготовлення i висока надiйнiсть фототранзистора обумовлюють його застосування в рiзноманiтних оптоелектронних пристроях. Наприклад, на основi фототранзистора розробленi
оптоелектронi перемикачi, що комутують струми до декiлькох десяткiв мiлiампер iз швидкодiСФю приблизно 10-6 с, комутатори аналогових сигналiв, що переключають напруги до 1 мВ, смугою пропускання до десяткiв мегагерц, фотоприйомнi матрицi з накопиченням i iншi пристроi.
Створення кремнiСФвих фотоприймачiв припускаСФ можливiсть використання технологiчних прийомiв виготовлення iнтегральних схем. Це забезпечуСФ високу ефективнiсть iх застосування в системах мiкрофотоелектронiки. Структури деяких кремнiСФвих фотоприймачiв iз внутрiшнiм пiдсиленням приведенi на мал. 1.5.
Мал. 1.5. Планарнi структури фотоприймачiв з внутрiшнiм пiдсиленням:
а - фототранзистор;
б - складовий фототранзистор;
в - фототиристор.
Еквiвалентна електрична схема таких приладiв може бути зведена до комбiнацii фотодiода й одного або декiлькох транзисторiв. Якщо коефiцiСФнт пiдсилення транзисторноi частини еквiвалентноi схеми складаСФ h21ЕКВ, то струмова чутливiсть фотоприймача з пiдсиленням у h21ЕКВ раз вище, нiж чутливiсть еквiвалентного дiода.
РОЗДРЖЛ 2. ФОТОДРЖОДИ З ВНУТРРЖШНРЖМ ПРЖДСИЛЕННЯМ
РЖНЖЕКЦРЖЙНРЖ ФОТОДРЖОДИ