5.8 Фототранзисторы

Фотоприемные приборы, использующие транзисторные структуры с возможностью усиления фототока, называются фототранзисторами. Эти приборы содержат один (в соответствии с рис. 5.14 и 5.16) или несколько транзисторов (в соответствии с рис. 5.17) включенных обычно по схеме с общим эмиттером.

Рис. 5.14. Фототранзистор

В простейшем фототранзисторе (рис. 5.14) оптическое излучение попадает в рабочую область структуры – базу. Здесь обеспечивается генерация фотоносителей, которые затем разделяются р-n – переходом. Разделение фотоносителей сопровождается дополнительным увеличением концентрации за счет механизма электрического усиления.

Дырки уходят через переход в р-область, а электроны остаются в базе. Поле, создаваемое объемным зарядом электронов, не может уменьшить заряд в базе за счет тока базы (I_б=0). Поэтому поле объемных зарядов снижает потенциальный барьер эмиттерного перехода, вызывая дополнительную инжекцию дырок в базу. Фототок в данном случае играет роль тока базы. Входные характеристики фототранзистора аналогичны характеристикам биполярного транзистора, т.е. по сравнению с обычным фотодиодом фототранзистор дает усиление тока, а интегральная чувствительность фототранзистора

S_ф=S_ФД, (5.34)

где S_ФД – токовая чувствительность фотодиода, образованного эмиттерным переходом транзистора;

 – коэффициент усиления тока транзистора.

Выходные характеристики фототранзистора приведены на рис. 5.15.

Рис. 5.15. Семейство ВАХ фототранзистора

Их особенностью является отсутствие четко выраженного участка насыщения коллекторного тока и неравномерное распределение характеристик в семействе. Это объясняется нелинейностью люкс-амперной характеристики: фототок нарастает быстрее пари больших освещениях, чем малых.

Повышение чувствительности – главное преимущество фототранзистора по сравнению с фотодиодом. Однако это преимущество обычно достигается за счет снижения температурной стабильности прибора.

У фототранзисторов снижается так же пороговая чувствительность так, как значительно возрастает темновой ток.

I_T=I_KO(1+), (5.35)

где I_KO – тепловой ток транзистора.

Широкое применение фототранзисторов и улучшение параметров этих приборов затрудняет, в частности, следующее обстоятельство: высокий коэффициент передачи и малое время переключения требует уменьшение толщины базовой области h_б, а это приводит к снижению фоточувствительности. Необходимость компромисса между указанными параметрами определяет относительно низкое быстродействие фототранзисторов (10^-6-10^-5) с.

Повышение быстродействия возможно в интегральных фотоприемниках с внутренним усилением, которые представляют собой соединение фотодиода и транзистора. Раздельная оптимизация структур позволяет получить чувствительный, быстродействующий фотодиод и высококачественный транзистор в единой структуре (в соответствии с рис. 5.16). Такая структура эквивалентна быстродействующему фототранзистору с большим внутренним усилением тока.

Рис. 5.16. Диодно-транзисторный фотоприемник

Еще больше увеличить чувствительность позволяет применение фототранзистора (в соответствии с рис. 5.16). Связь между токами в составном транзисторе имеет вид

I_K=I_K1+I_K2=₁I_б1+₂I_б2=₁I_б1+₂(1+) I_б1. (5.36)

Коэффициент усиления  составного транзистора равен

=I_K1/ I_б1=₁+₂+₁₂₁₂. (5.37)

В результате чувствительность составных фототранзисторов более чем в 10³ раз превышает чувствительность фотодиодов.

Рис. 5.17. Составной фототранзистор

Фотоприемные приборы, рассмотренные в пунктах 5.3 – 5.8 широко используются при разработках волоконно-оптических систем передачи. Чувствительность оптических приемников в зависимости от скорости передачи информации иллюстрирует рис. 5.18.

Рис. 5.18. Чувствительность оптических приемников

в зависимости от скорости передачи информации