ФОТОПРИЕМНИКИ С ВНУТРЕННИМ УСИЛЕНИЕМ

В фотоприемниках с внутренним усилением кроме пре­образования оптического излучения в электрический ток (фототок) имеет место еще и увеличение (усиление) фо­тотока. Основными разновидностями фотоприемников с внутренним усилением, применяемых в настоящее время в оптоэлектронике, являются: фототранзистор, составной фо­тотранзистор и фототиристор^[2].

Через фотоприемное окно оптическое излучение попа­дает в рабочую область структуры. В этой области обеспе­чивается генерация фотоносителей, которые затем разде­ляются р-п переходом. Разделение фотоносителей сопро­вождается дополнительным увеличением их концентрации за счет механизма электрического усиления.

На рис. 2.23 представлены типичные структуры таких фотоприемников.

Фототранзистор. Фототранзистор (рис. 2.23,а) в электрическую цепь включается обычно по схеме с общим

эмиттером. База фототранзистора может не иметь внеш­него вывода (оборванная база). Современные фототран­зисторы часто имеют внешний базовый электрод.

Рассмотрим работу фототранзистора в схеме (рис. 2.24).

Под действием излучения начинается генерация носи­телей в базе, которые разделяются коллекторным перехо­дом. 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. Соответственно выходные характеристики фототранзистора аналогичны характери­стикам биполярного транзистора (рис. 2.25), т. е. по срав­нению с обычным фотодиодом фототранзистор дает уси­ление тока в р раз больше, а интегральная чувствитель­ность фототранзистора

S_ф = S_фдβ (2.29)

где S_фд —токовая чувствительность фотодиода, образован­ного эмиттерным переходом транзистора; β— коэффициент усиления транзистора.

Повышение чувствительности — главное преимущество фототранзистора по сравнению с фотодиодом. Однако это преимущество обычно достигается за счет снижения темпе­ратурной стабильности прибора, так как фототранзистор работает при постоянном токе базы.

Вообще говоря, у фототранзисторов снижается также пороговая чувствительность, так как значительно возра стает темновой ток

I _т= Iко(1+β), (2.30)

где Iко — тепловой ток транзистора.

Применение фототранзисторов и улучшение параметров этих приборов затрудняет, в частности, следующее обстоя­тельство: высокий коэффициент передачи и малое время

Рис. 2.24. Принцип работы фо­тотранзистора

Рис. 2.25. Выходные характе­ристики фототранзистора

переключения требуют уменьшения толщины базовой обла­сти wб, что обычно приводит к снижению фоточувствительности прибора. Компромисс определяет относительно низ­кое быстродействие фототранзисторов (tпер≈10^-5 …10^-6 с).

Повышение быстродействия возможно в интегральных фотоприемниках с внутренним усилением, которые пред­ставляют собой соединение фотодиода и транзистора

(рис. 2.26,6). Раздельная оптимизация структур по­зволяет получить чувстви­тельный, быстродействую­щий фотодиод и высокочастотный транзистор в еди­ной структуре (рис. 2.26,а). Такая структура эквива­лентна быстродействующе­му фототранзистору с боль­шим внутренним усилением по току.

Заключение