1.5 Фототранзистор

Фототранзистор - это полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним усилением фототока. Структура фототранзистора идентична структуре биполярного транзистора p-n-p типа, который включен в схему с общим эмиттером, однако, в отличие от обычного биполярного транзистора, фототранзистор не имеет электрический контакт базы, и управление током базы осуществляется благодаря изменению ее освещенности. Поэтому конструктивно фототранзистор обладает лишь двумя выводами, а не тремя, как в биполярном, - эмиттер и коллектор.

На Рис. 1.10 изображена схема включения фототранзистора (а), а также его зонная диаграмма во время работы (б) [4].

Рис. 1.10 – (а) Схема p-n-p фототранзистора; (б) зонная диаграмма фототранзистора в режиме работы

Как уже ранее отмечалось, ток фототранзистора регулируется при помощи изменения освещения его базы. Фототранзисторы, как и обычные транзисторы, могут иметь p–n–p– и n–p-n–структуру. Рассмотрим принцип работы фототранзистора на примере зонной диаграммы фототранзистора p-n-p типа.

Световой поток, попадая на n-область базы, генерирует в ней неравновесные электроны и дырки. При этом дырки будут неосновными носителями, и увеличение их концентрации увеличит дрейфовую компоненту тока база-коллектор. Появится первичный фототок . Так как неравновесные дырки уйдут из базы в коллектор, база приобретет отрицательный относительно эмиттера заряд, что равносильно прямому смещению эмиттерного перехода фототранзистора, при котором появляется инжекционная компонента тока эмиттер-база. При коэффициенте передачи эмиттерного тока α в базе рекомбинируют (1 – α) инжектированных носителей или в β раз меньше, чем число инжектированных носителей. В условиях стационарного тока число прорекомбинировавших носителей в базе должно быть равно их числу, ушедшему с первоначальным фототоком. Поэтому инжекционный ток должен быть в β раз больше, чем первичный фототок, отсюда и появляется внутреннее усиление фототока. Ток коллектора в фототранзисторе будет состоять из трех компонент: первичного фототока , инжекционного β и теплового тока :

Далее рассмотрим основные параметры и характеристики фототранзистора.

Семейства вольт-амперных характеристик фототранзистора, представленных на Рис. 1.11, схожи с выходными характеристиками биполярного транзистора в схеме с общим эммитером, но при этом основным параметром служит не ток базы, а Ф или .

Рис. 1.11 – Вольт–амперные характеристики фототранзистора.

Энергетические и спектральные характеристики схожи с т таковыми у фотодиода.

Из основных параметров фототранзистора можно выделить: токовую чувствительность и коэффициент усиления по фототоку.

Токовая чувствительность фототранзистора представляет собой отношение дифференциала электрического тока на выходе прибора к дифференциалу входного (светового потока при КЗ на выходе и при ХХ на входе).

Коэффициент усиления фототока . Определяется как отношение коллекторного фототранзистора со свободной базой к коллекторного р–n перехода, который измерялся в режиме фотодиода (отключен эммитер) при таком же значении светового потока. В промышленных фоторезисторах он может достигать значений в .

Схема установки для исследования характеристик фотоприемников.

Лабораторный стенд состоит из трех фотоприемников (фоторезистора LDR1 и двух фототранзисторов T1 и T2) и трех светодиодов (HL1, HL2, HL3), свет которых проецируется на соответствующий фотоприемник. Блок–схема установки для исследования характеристик данных фотоприемников представлена на рисунке 2.1

Рис.  2.1 – Блок-схема для исследования характеристик фотоприемников.

Электрическая схема сконструированного стенда показана на рисунке 2.2. Блок питания светодиода (ИП СИД) подает необходимое напряжение на соответствующий светодиод (HL1, HL2, HL3). Мощность светового потока, излучаемого СИД, регулируется изменением прямого тока, проходящего через светодиод и контролируемого амперметром (мультиметр 3). Токи, которые при этом появляются в фотоприемнике, измеряются амперметром (мультиметр 1). Дополнительный блок питания (ИП ФП) подает напряжение смещения на фотоприемники. Напряжение на фотоприемниках контролируется вольтметром (мультиметр 2).

Рисунок 2.2 – Электрическая схема лабораторного стенда для исследования характеристик фотоприемников.

Ключи SW1 и SW2 работают синхронно. При переводе ключа SW1 в положение 1, в цепь включается исследуемый нами фототранзистор T1, параллельно ключ SW2 включает в цепь соответствующий светодиод HL1. Если перевести ключ SW1 в положение 2, то он включит в цепь второй фототранзистор T2, а SW2 – второй светодиод HL2. При переходе ключа SW1 в положение 3, в цепь включается фоторезистор LDR1, ключ SW2 включает в цепь последний светодиод HL3. Мощность светового потока , падающего на фотоприемник, регулируется за счет изменения тока, проходящего через СИД. Напряжение на включенном в данный момент в цепь фотоприемнике измеряется вольтметром (мультиметр 2).

Ключ SW3 меняет режим работы цепи. При переводе ключа SW3 в положение 1 происходит обрыв цепи, что соответствует режиму холостого хода (ХХ) – ток в цепи фотоприемников не течет. При переводе ключа SW3 в положение 2 в цепь фотоприемников включается источник питания фотоприемников (ИП ФП). Благодаря переключателю «прямая/обратная» осуществляется смена полярности напряжения, которое подается на фотодетектор. Ток, который при этом начинает протекать в цепи фотоприемников, измеряется с помощью амперметра (мультиметр 1).

Руководство по выполнению лабораторной работы «Исследование характеристик фототранзисторов и фоторезисторов»

1. Используемые в работе источники питания могут обеспечить широкий диапазон подаваемых напряжений и токов, значительно превышающий допустимые параметры, как для светодиода, так и для фотоприемника. Во избежание выхода установки из строя при регулировании значений смещения следует пользоваться только ручкам "FINE" ("Точно") на обоих блоках питания. Блок питания для измерения ВАХ должен быть соединен с дополнительным амперметром. Блок питания светодиода работает отдельно.

2. Убедиться, что ручки регулирования тока на блоке питания светодиода находятся в крайних положениях против часовой стрелки. Включить блок питания светодиода. Убедиться, что блок находится в режиме стабилизации по току (горит красный светодиод на блоке). Во время работы ток не должен превышать 100 мА, во избежание выхода из строя светодиода.

3. Убедиться, что ручки регулирования напряжения на блоке питания для измерения ВАХ находятся в крайних положениях против часовой стрелки. Включить блок питания ВАХ. Убедиться, что блок находится в режиме стабилизации по напряжению (горит зеленый светодиод на блоке). Включить вольтметр и амперметр. Значения тока и напряжения на блоке питания не соответствуют истинным параметрам для фотоприемника. Задаваемое напряжение следует контролировать на дополнительном вольтметре. Значение напряжения на этом вольтметре не должно превышать 1 В для фотодиода, 20 В для фоторезистора и 70 В для фототранзистора при включении КЭ (прямая), при включении ЭК напряжение не должно превышать 5 В (обратная).

4. Исследовать вольт–амперную характеристику фоторезистора без освещения. Выключить питание светодиода (установить ток светодиода равный нулю). Измерить темновую ВАХ фоторезистора, изменяя напряжение на блоке питания ФД от 0 до 10 В через 1 В (значение напряжения следует контролировать по дополнительному вольтметру).

5. Исследовать вольт–амперную характеристику фоторезистора при различных освещенностях чувствительной площадки. Изменять ток на блоке питания светодиода от 20 мА до 100 мА через 20 мА и при каждом токе измерить ВАХ аналогично п. 4.

6. Исследовать зависимость сопротивления фоторезистора от величины светового потока. Для этого переключить в режим «ХХ». Мультиметр, измеряющий напряжение, перевести в режим измерения сопротивления и исследовать зависимость изменяя ток светодиода от 0 до 100 мА через 10 мА.

7. Измерить темновую ВАХ фототранзистора. Перевести в режим измерения фототранзистора. Измерить ВАХ коллектор – эмиттер (переключатель «прямая») до 1 В через 0,2 В, а после 1 до 25 В через 2 В. Измерить ВАХ эмиттер – коллектор (переключатель «обратная») до 4 В через 0,5 В.

8. Провести измерения ВАХ при различных освещенностях чувствительной площадки (ток светодиода от 10 до 100 мА через 20 мА) аналогично пункту 7.

9. Измерить световую характеристику фототранзистора при напряжении коллектор – эмиттер 4 В (переключатель «прямая»). Изменять ток светодиода от 0 до 100 мА через 10 мА и записывать ток коллектора и напряжение на транзисторе.

10. Выключить блок питания светодиодов.

11. Выключить источник питания.

1.4. Обработка результатов и содержание отчета

В отчете должны быть представлены:

1. Цель работы.

2. Электрическая схема измерительной установки для каждого типа измерений.

3. Вольт-амперные характеристики фоторезистора и фототранзистора, измеренные в темноте и при различных освещенностях, изображенные на одном графике для каждого прибора.

4. Зависимость сопротивления фоторезистора от величины светового потока.

5. Световая характеристика фототранзистора.

1.5. Контрольные вопросы

1. Каковы физические основы работы фоторезистора и фототранзистора?

2. Чем определяется спектральная чувствительность фотоприемников?

3. Какие физические явления определяют инерционные свойства фоторезисторов и фототранзисторов?

4. Указать основные области применения полупроводниковых фотоприемников.

5. Какие фотоприемники используются в волоконно-оптических линиях связи?

Список литературы

1. Пихтин, А.Н. Оптическая и квантовая электроника [Текст] : учебник для вузов / А.Н. Пихтин. - М: Высш. школа, 2001.- 496-499 с.

2. Источники и приемники излучения [Текст]: учебник для вузов / Г.Г. Ишанин, Э. Д. Панков, А. Л. Андреев, и др. – СПб.: Политехника, 1991.-94-361 с.

3. Физика МДП приборов [Текст] : электронное учебное пособие / режим доступа : http://dssp.petrsu.ru.

4. Гусев, В.Г Электроника [Текст] / В.Г Гусев, Ю. М. Гусев - М: Высшая школа, 1991 г. - 164-172 с.

5. Гуртов, В. А. Твердотельная электроника [Текст] : Учеб. пособие / В.А Гуртов. - 2-е изд., доп. - М: Техносфера, 2005. - с.307-315.