Оптоэлектроника является одним из самых актуальных направлений современной электроники. Оптоэлектронные приборы характеризуются исключительной функциональной широтой, они успешно используются во всех звеньях информационных систем для генерации, преобразования, передачи, хранения и отображения информации. При создании оптоэлектронных приборов используется много новых физических явлений, синтезируются уникальные материалы, разрабатываются сверхпрецизионные технологии. Оптоэлектроника достигла стадии промышленной зрелости, но это только первоначальный этап, так как перспективы развития многих ее направлений практически безграничны. Новые направления чаще всего возникают как слияние и интеграция ряда уже известных достижений оптоэлектроники и традиционной микроэлектроники: таковы интегральная оптика и волоконно-оптические линии связи; оптические запоминающие устройства, опирающиеся на лазерную технику и голографию; оптические транспаранты, использующие успехи фотоэлектроники и нелинейной оптики; плоские безвакуумные средства отображения информации и др.
Оптоэлектронику как научно-техническое направление характеризуют три отличительные черты.
1. Физическую основу оптоэлектроники составляют явления, методы и средства, для которых принципиальны сочетание и неразрывность оптических и электронных процессов.
2. Техническую основу оптоэлектроники определяют конструктивно-технологические концепции современной микроэлектроники: миниатюризация элементов; предпочтительное развитие твердотельных плоскостных конструкций; интеграция элементов и функций; применение специальных сверхчистых материалов и методов прецизионной групповой обработки.
3. Функциональное назначение оптоэлектроники состоит в решении задач информатики: генерации (формировании) информации путем преобразования внешних воздействий в соответствующие электрические и оптические сигналы; передаче информации; преобразовании информации.
1 ФОТОТРАНЗИСТОР
оптоэлектроника приемник фототранзистор
Фототранзистор имеет структуру n-p-n или p-n-p транзистора и может усиливать ток. Дырки электронно-дырочных пар, рождённых излучением, находятся в базе, а электроны переходят в эмиттер или коллектор. При увеличении положительного потенциала базы происходит усиление фототока за счёт инжекции электронов из эмиттера в базу.
Фототранзистор можно включать по схемам со свободным коллектором, со свободной базой и со свободным эмиттером. На фототранзистор можно подавать оптические и электрические сигналы. Без входного электрического сигнала, который обычно необходим для смещения, компенсирующего наводки, фототранзистор работает как фотодиод с высокой интегральной чувствительностью, небольшой граничной частотой и большим темновым током. Фототранзисторы целесообразно использовать для регистрации больших световых сигналов; при регистрации малых световых сигналов следует подать положительное смещение на базу. Применяют два варианта включения фототранзисторов: диодное — с использованием только двух выводов (эмиттера и коллектора) и транзисторное — с использованием трех выводов, когда на вход подают не только световой, но и электрический сигналы. Фототранзисторы используются в качестве фотоприемников и транзисторных оптопарах.
Проектирование магистральной волоконно-оптической линии связи
... дипломного проекта является проектирование линии связи на основе волоконно-оптических кабелей. В связи с чем особое внимание уделено строительству волоконно-оптической линии связи. 1. Общая часть 1.1 Волоконно-оптические линии связи Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) - линии оптической связи, в которых передача информации осуществляется с помощью волоконно-оптических ...
Биполярный фототранзистор — полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами — предназначен для преобразования светового потока в электрический ток. При освещении фототранзистора в его базе генерируется электронно-дырочные пары. Неосновные носители зарядов переходят в область коллектора и частично в область эмиттера. При этом потенциалы эмиттера и коллектора относительно базы изменяются. Эмиттерный переход смещается в прямом направлении, и даже небольшое изменение его потенциала вызывает большое изменение тока коллектора, то есть фототранзистор является усилителем. Ток коллектора освещенного фототранзистора оказывается достаточно большим — отношение светового потока к темновому велико (несколько сотен).
Фототранзисторы обладают значительной большей, чем фотодиоды, чувствительностью — порядка сотни миллиампер на люмен. Биполярный фототранзистор подобен обычному биполярному транзистору, между выводами коллектора и базы которого включен фотодиод. Таким образом, ток фотодиода оказывается током фототранзистора и создает усиленный в n раз ток в цепи коллектора. Если на фототранзистор подается только электрический сигнал, его параметры почти не отличаются от параметров обычного транзистора.
Применение
Фототранзистор можно включать по схемам со свободным коллектором, со свободной базой и со свободным эмиттером. На фототранзистор можно подавать оптические и электрические сигналы. Без входного электрического сигнала, который обычно необходим для смещения, компенсирующего наводки, фототранзистор работает как фотодиод с высокой интегральной чувствительностью, небольшой граничной частотой и большим темновым током. Фототранзисторы целесообразно использовать для регистрации больших световых сигналов; при регистрации малых световых сигналов следует подать положительное смещение на базу. Применяют два варианта включения фототранзисторов: диодное — с использованием только двух выводов (эмиттера и коллектора) и транзисторное — с использованием трех выводов, когда на вход подают не только световой, но и электрический сигналы. Фототранзисторы используются в качестве фотоприемников и транзисторных оптопарах.
Недостатки
Недостатком фототранзисторов является большая инерционность, что ограничивает их применение в качестве быстродействующих выключателей.
1.1 Принцип работы
Работа различных полупроводниковых приемников излучения (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры) основана на использовании внутреннего фотоэффекта, который состоит в том, что под действием излучения в полупроводниках происходит генерация пар носителей заряда — электронов и дырок. Эти дополнительные носители увеличивают электрическую проводимость. Такая добавочная проводимость, обусловленная действием фотонов, получила название фотопроводимости. У металлов явление фотопроводимости практически отсутствует, так как у них концентрация электронов проводимости огромна (примерно 1022 см -3 ) и не может заметно увеличиться под действием излучения. В некоторых приборах за счет фотогенерации электронов и дырок возникает ЭДС, которую принято называть фото-ЭДС, и тогда эти приборы работают как источники тока. А в результате рекомбинации электронов и дырок в полупроводниках образуются фотоны, и при некоторых условиях полупроводниковые приборы могут работать в качестве источников излучения.
Электронный генератор тока
... рассмотрим. Наиболее простым RC-генератором является так называемая схема с трехфазной фазирующей цепочкой, которая ещ ... коллектор транзистора – нижний (по схеме) вывод контура, вторая – база – верхний вывод контура через кондер С1 и третья точка подключена к эмиттеру ... которое вызывает пульсации тока коллектора транзистора VT. Переменная составляющая коллекторного тока восполняет потери энергии ...
Фототранзистор — фоточувствительный полупроводниковый приемник излучения, по структуре подобный транзистору и обеспечивающий внутреннее усиление сигнала. Его можно представить состоящим из фотодиода и транзистора. Фотодиодом является освещаемая часть перехода база-коллектор, транзистором — часть структуры, расположенная непосредственно под эмиттером. Так как фотодиод и коллекторный переход транзистора конструктивно объединены, то фототок суммируется с коллекторным током. Напряжение питания подводят так, чтобы коллекторный переход был закрыт, а эмиттерный — открыт. База может быть отключенной.
В отличие от биполярного транзистора, у фототранзистора отсутствует электрический контакт к базе, а управление током базы осуществляется путем изменения ее освещенности. По этой причине конструктивно фототранзистор имеет только два вывода — эмиттер и коллектор.
Рисунок 2.1 — а) Схема фототранзистора со структурой p-n-p;
б) зонная диаграмма фототранзистора в активном режиме работы
На рис. 2.1 показаны схема включения фототранзистора и зонная диаграмма в активном режиме работы.
При попадании светового потока на n-область базы в ней генерируются неравновесные электроны и дырки. Дырки будут являться неосновными носителями, увеличение их концентрации приведет к росту дрейфовой компоненты тока из базы в коллектор. Величина первичного «затравочного» фототока будет выражаться такими же соотношениями, как и фототок диода на основе p-n-перехода. Отличие только в том, что неравновесные носители, участвующие в фототоке в фототранзисторе, собираются с области базы, ширина которой W меньше, чем диффузионная длина L p . Поэтому плотность первичного «затравочного» фототока будет:
(2.1)
Вследствие того что неравновесные дырки уходят из базы в коллектор, база заряжена отрицательно относительно эмиттера, что эквивалентно прямому смещению эмиттерного перехода фототранзистора. При прямом смещении эмиттерного p-n-перехода появляется инжекционная компонента тока из эмиттера в базу. При коэффициенте передачи эмиттерного тока б в базе рекомбинируют (1-б) инжектированных носителей или в в 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 в раз больше, чем первичный фототок. Ток коллектора I К будет состоять из трех компонент: первичного фототока Iф , инжекционного вIф и теплового IК0 тока.
I К = Iф+ в Iф =(в+1) Iф + IК0 (2.2)
Используя выражение для коэффициента усиления в базового тока через конструктивно-технологические параметры биполярного транзистора, получаем:
(2.3)
Величина первичного фототока I Ф выражается через параметры светового потока и характеристики полупроводникового материала стандартным образом:
(2.4)
При освещении базы в ней возникают электронно-дырочные пары. Так же как и в фотодиоде, пары, достигшие в результате диффузии коллекторного перехода, разделяются полем перехода, неосновные носители из базы движутся в коллектор, при этом его ток увеличивается. Основные носители остаются в базе, понижая ее потенциал относительно эмиттера. При этом на эмиттерном переходе создается дополнительное прямое напряжение, вызывающее дополнительную инжекцию из эмиттера в базу и соответствующее увеличение тока коллектора.
Рисунок 2.2 — Энергетическая диаграмма фототранзистора (а) и вольтамперные характеристики фототранзистора при разных уровнях освещения (б).
1 .1.1 Работа фототранзистора с общим эмиттером
Рассмотрим, например, работу фототранзистора в схеме с общим эмиттером при отключенной базе. Фототок коллекторного перехода суммируется с обратным током коллектора, поэтому в формуле для тока транзистора вместо J К0 следует поставить
J К0 + JФ /J = (JК0 + JФ )/(1-б).
При J К 0>>JФ J =JФ /(1-б) ? вJФ , т.е. фототок фототранзистора усиливается в в раз по сравнению током фотодиода. Соответственно в в раз увеличивается и чувствительность. Ток может быть усилен в 1000 раз, поэтому чувствительность фототранзистора во много раз больше чувствительности фотодиода. Однако поскольку произведение коэффициента усиления на полосу частот величина постоянная, то предельная частота уменьшается в в раз.
Рисунок 2.3 — Эквивалентная схема фототранзистора.
Наличие диффузии носителей обуславливает значительную инерционность прибора ф = 10- 5 -10-6 с. При сужении базы время диффузии уменьшается, но уменьшается и чувствительность. Для германиевых фототранзисторов SI= 0,2-0,5 А/лм, Vраб = 3 В, Iтемн = 300 мкА, ф = 0,2 мс. В корпусе прибора предусмотрено прозрачное окно, через которое световой поток попадает обычно на базовую область фототранзистора. Площадь фоточувствительной площадки составляет 1-3 мм2 .
1.2 Параметры фототранзисторов
Основные параметры фототранзисторов представлены в таблице 2.1
Таблица 2.1 — Параметры фототранзисторов
|
Условное обозначение |
Единица измерения |
Определение |
|
|
Up |
В |
Рабочее напряжение постоянное напряжение, приложенное к фототранзистору, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной ею работе |
|
|
?л |
мкм |
Область спектральной чувствительности фототранзистора интервал длины волны спектральной характеристики фототранзистора, в котором его чувствительность равна 10% и более от своего максимального значения |
|
|
Условное обозначение |
Единица измерения |
Определение |
|
|
Рmax |
мВт |
Максимально допустимая рассеиваемая мощность — максимальная электрическая мощность, рассеиваемая фототранзистором, при которой отклонение ею параметров от номинальных значений не превышает указанных пределов при длительной работе |
|
|
Iт |
мкА |
Тем новой ток — ток. протекающий через фототранзистор при заданном напряжении на нем в отсутствие потока излучения |
|
|
Iф |
мА |
Фототок (ток фотосигнала) ток, протекающий через фототранзистор при указанном напряжении на нем, обусловленный действием потока излучения |
|
|
S1инт |
А/лм или А/лк |
Токовая интегральная чувствительность — отношение фототока к значению мощности (или освещенности) потока излучения с. заданным спектральным составом, вызвавшего появление фототока |
|
|
Фп |
Вт |
Порог чувствительности — среднеквадратическое значение первой гармоники действующего на фоточувсгвительныи элемент фототранзистора модулированного потока излучения заданного спектрального распределения, при котором среднеквадратическое значение первой гармоники фототока равно среднеквадратическому течению шумового тока в заданной полосе на частоте модуляции потока излучения |
|
|
Условное обозначение |
Единица измерения |
Определение |
|
|
Ку.ф |
отн.ед. |
Коэффициент усилении фототока — отношение фототока коллектора при отключенной базе к фототоку освещаемого перехода, измеренного в фотодиодном режиме |
|
|
2в |
град |
Плоский угол зрения фототранзистора угол в нормальной к фоточувствительному элементу плоскости между крайними направлениями падения параллельного пучка излучения, при которых ток фотосигнала уменьшается до заданного уровня |
|
|
Фср |
мкс |
Постоянная времени до садy фотототока — время в течение которого фототок уменьшается до значения, равного 37 % от максимального, при затемнении фоточувствительного элемента фототранзистора |
|
1.3 Виды и конструкции фототранзисторов
Существует две разновидности конструкций фототранзисторов: поперечная и продольная. Продольные транзисторы имеют более простую конструкцию и технологию, удобны для включения в интегральные схемы, но уступают по своим функциональным параметрам [15].
Рисунок 2.4 — Структура поперечного (а) и продольного (б) фототранзисторов.
Достоинства фототранзисторов: наличие механизма внутреннего усиления, т.е. высокая фоточувствительность, схемотехническая гибкость, связанная с наличием третьего электрода.
Основные недостатки: ограниченное быстродействие и температурная зависимость параметров.
ВЫВОДЫ
В ходе данной работе:
- были рассмотрены общие сведения и принцип работы транзисторов;
- рассчитана линейная зависимость токов в транзисторе
- рассмотрен принцип работы фототранзистора, а также работа фототранзистора с общим эмиттером
- рассмотрены некоторые виды фототранзистора и принципы их работы
1. Ефимов И.Е., Козырь И.Я. Основы микроэлектроники. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1983г. — 384 с.
2. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. — М.: Энергоатомиздат, 1990г. — 376 с.
3. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. — М.: Сов. радио, 1980г.
4. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник. Под ред. Н. Н. Горюнова — М.: Энергоатомиздат, 1985г. — 404 с.
5. Федотов Я. А. Основы физики полупроводниковых приборов. М., “Советское радио”, 1970г. — 392 с.
6. Жеребцов И.П. Основы электроники. — Энергоатомиздат, Ленинградское отд-ние, 1989г. — 352 с.
7. Епифанов Г.И. Физические основы микроэлектроники М.: Сов. радио, 1971 г. — 376 с.
