Фототранзистор

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Фототранзистор
Схематическое изображение фототранзистора на электрических схемах

Фототранзи́стор — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, вариант биполярного транзистора. Отличается от обычного биполярного транзистора тем, что полупроводниковый базовый слой прибора доступен для воздействия внешнего оптического облучения, за счёт этого ток через прибор зависит от интенсивности этого облучения.

Отличается от фотодиода тем, что обладает внутренним усилением фототока и поэтому большей чувствительностью к потокам оптического излучения.

Фототранзистор может иметь полупроводниковую структуру как n-p-n, так и p-n-p транзистора.

Большинство промышленных типов фототранзисторов не имеют электрического вывода базы, но в некоторых моделях такой вывод имеется и обычно служит для смещения начальной рабочей точки прибора посредством подачи в базу некоторого тока.


История[править | править вики-текст]

Фототранзистор изобрёл Джон Нортроп Шив (John Northrup Shive) в 1948 г., во время его работы в Bell Laboratories[1], но об этом изобретении было заявлено только в 1950 г.[2] Тогда же фототранзисторы были впервые применены в считывателе перфокарт в автоматической телефонной станции.

Принцип работы фототранзистора[править | править вики-текст]

Биполярный фототранзистор — полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами и тремя слоями полупроводника чередующегося типа проводимости — аналог обычного биполярного транзистора с управлением базовым током. Но в фототранзисторе базовым током является фототок. При освещении базового слоя фототранзистора в его базе за счет внутреннего фотоэффекта генерируются электронно-дырочные пары, порождая фототок. Этот процесс снижает потенциальный барьер от контактной разности потенциалов в эмиттерно-базовом переходе, что увеличивает диффузию неосновных носителей (для базы) из эмиттера в базу, то есть можно считать, что в этом приборе фототок является базовым током обычного транзистора. Можно сказать, что фототранзистор подобен обычному биполярному транзистору, между выводами коллектора и базы которого включен обратносмещенный фотодиод.

Как известно, транзистор обладает способностью усиливать базовый ток , коэффициент усиления , поэтому ток коллектора и равный ему ток эмиттера в раз больше исходного фототока. Таким образом, светочувствительность фототранзистора больше светочувствительности фотодиода с равной площадью фотоприемной поверхности в несколько десятков и до нескольких сотен раз.

Основные параметры фототранзистора[править | править вики-текст]

Чувствительность[править | править вики-текст]

Токовая чувствительность по световому потоку фототранзистора определяется отношением тока через прибор к вызвавшему этот ток световому потоку :

Токовая чувствительность современных фототранзисторов достигает нескольких сотен мА/лм.

Темновой ток[править | править вики-текст]

Даже в отсутствие освещения через прибор протекает некоторый ток, называемый темновым током. Этот ток вреден для регистрации слабых световых потоков, так как «маскирует» полезный сигнал и при изготовлении фототранзисторов его стремятся уменьшить разными технологическими приемами. Кроме того, величина темнового тока существенно зависит от температуры полупроводниковой структуры и нарастает при её повышении приблизительно так же, как и обратный ток p-n перехода в любом полупроводниковом приборе. Поэтому для снижения темнового тока иногда применяют принудительное охлаждение прибора.

При прочих равных, величина темнового тока сильно зависит от ширины запрещённой зоны полупроводника и снижается при её увеличении. Поэтому характерные значения темнового тока при комнатной температуре германиевых фототранзисторов порядка единиц мкА, кремниевых — долей мкА, арсенидо-галлиевых — десятков пкА.

Спектральная чувствительность[править | править вики-текст]

Типовая спектральная чувствительность кремниевого фототранзистора

Чувствительность фототранзистора зависит от длины волны падающего излучения. Например, для кремниевых приборов максимум чувствительности находится в диапазоне 850—930 нм — красный и ближний инфракрасный диапазоны. Для ближнего ультрафиолетового излучения (~400 нм) чувствительность снижается в ~10 раз от максимальной. Также чувствительность снижается при увеличении длины волны и для длин волн свыше ~1150 нм — край оптической полосы поглощения кремния, снижается до нуля.

Быстродействие[править | править вики-текст]

Фототранзисторы по сравнению с фотодиодами имеют относительно низкое быстродействие. Это обусловлено конечным временем рассасывания неосновных носителей в базе при снижении освещённости. Кроме того, если напряжение между коллектором и эмиттером изменяется при изменении освещенности, что имеет место в некоторых схемах электрического включения прибора, дополнительно снижает быстродействие эффект Миллера, обусловленный емкостью коллекторно-базового p-n перехода. Практически диапазон рабочих частот фототранзисторов ограничен, в зависимости от схемы включения, несколькими сотнями кГц - единицами МГц.

Включение фототранзисторов в электрические цепи[править | править вики-текст]

Классическое включение прибора — с обратносмещенным коллекторным переходом, то есть для прибора со структурой n-p-n на коллектор подается положительное относительно эмиттера напряжение и наоборот для структуры p-n-p.

Для приборов, имеющих третий электрический вывод базы, возможно включение по любой из схем включения обычного биполярного транзистора — с общим эмиттером, базой или коллектором. При этом ток базы задает положение «темновой рабочей точки» на вольт-амперной характеристике.

Иногда трёхвыводные фототранзисторы для увеличения быстродействия включают как обычный фотодиод, проигрывая при этом в чувствительности.

Преимущества и недостатки фототранзисторов[править | править вики-текст]

Основное преимущество фототранзисторов по сравнению с фотодиодами — высокая чувствительность к потоку излучения.

Недостатки — низкое быстродействие, поэтому эти приборы непригодны для применения в качестве приемников излучения в высокоскоростных оптоволоконных линиях связи. Также недостаток фототранзисторов — относительно большой темновой ток.

Конструкция корпусов[править | править вики-текст]

Приборы, предназначенные для приема внешнего излучения заключают в пластмассовый, металлостеклянный или металлокерамический корпус с прозрачным окошком или линзой, изготовленных из пластмассы или стекла. Исключение составляют фототранзисторы, входящие в состав оптронов, заключенные совместно с источником излучения в непрозрачный корпус.

Приборы, оформленные в металлостеклянных и металлокерамических корпусах, обычно имеют электрический вывод базы.

Применение[править | править вики-текст]

Оптопара с составным транзистором фототранзистор-транзистор по схеме Дарлингтона

Так как фототранзисторы более чувствительны чем фотодиоды их удобно применять в качестве приемников излучения в различных системах автоматики безопасности, системах охранной сигнализации, считывателях перфокарт и перфолент, датчиках положения и расстояния и др. применениях, где некритично быстродействие.

Часто фототранзисторы применяют в оптопарах в качестве приёмников излучения в оптронах.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Michael Riordan, Lillian Hoddeson Crystal Fire: The Invention of the Transistor and the Birth of the Information Age / ISBN 978-0-393-31851-7
  2. Phototransistor