СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ. 2
1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНЗИСТОРАХ… 4
1.1 Основные понятия. 4
1.2 Принцип работы транзисторов. 6
1.2.1 Расчет линейной зависимоститоков в транзисторе. 10
2 ФОТОТРАНЗИСТОР. 12
2.1 Принцип работы… 12
2.1.1 Работа фототранзистора с общимэмиттером. 15
2.2 Параметры фототранзисторов. 16
2.3 Виды и конструкциифототранзисторов. 18
2.4 МДП-фототранзисторы… 18
2.5 Гетерофототранзисторы… 20
2.5.1 Физические основыгетероперехода. 22
2.5.2 Расчет параметров ихарактеристик фототранзистора на гетеропереходах 24
ВЫВОДЫ… 28
СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ… 29
ВВЕДЕНИЕ
Оптоэлектроника является одним из самых актуальныхнаправлений современной электроники. Оптоэлектронные приборы характеризуютсяисключительной функциональной широтой, они успешно используются во всех звеньяхинформационных систем для генерации, преобразования, передачи, хранения иотображения информации. При создании оптоэлектронных приборов используетсямного новых физических явлений, синтезируются уникальные материалы,разрабатываются сверхпрецизионные технологии. Оптоэлектроника достигла стадиипромышленной зрелости, но это только первоначальный этап, так как перспективыразвития многих ее направлений практически безграничны. Новые направления чащевсего возникают как слияние и интеграция ряда уже известных достиженийоптоэлектроники и традиционной микроэлектроники: таковы интегральная оптика иволоконно-оптические линии связи; оптические запоминающие устройства,опирающиеся на лазерную технику и голографию; оптические транспаранты, использующиеуспехи фотоэлектроники и нелинейной оптики; плоские безвакуумные средстваотображения информации и др.
Оптоэлектронику как научно-техническое направлениехарактеризуют три отличительные черты.
1. Физическую основу оптоэлектроники составляют явления,методы и средства, для которых принципиальны сочетание и неразрывностьоптических и электронных процессов.
2. Техническую основу оптоэлектроники определяютконструктивно-технологические концепции современной микроэлектроники:миниатюризация элементов; предпочтительное развитие твердотельных плоскостныхконструкций; интеграция элементов и функций; применение специальных сверхчистыхматериалов и методов прецизионной групповой обработки.
3. Функциональное назначение оптоэлектроники состоит врешении задач информатики: генерации (формировании) информации путемпреобразования внешних воздействий в соответствующие электрические и оптическиесигналы; передаче информации; преобразовании информации [11].
1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНЗИСТОРАХ
1.1 Основные понятия
В числе электропреобразовательных полупроводниковыхприборов, т. е. приборов, служащих для преобразования электрических величин,важное место занимают транзисторы. Они представляют собой полупроводниковые приборы,пригодные для усиления мощности и имеющие три вывода или больше. В транзисторахможет быть разное число переходов между областями с различнойэлектропроводностью. Наиболее распространены транзисторы с двумяn–р-переходами, называемые биполярными, так как их работа основана наиспользовании носителей заряда обоих знаков. Первые транзисторы были точечными,но они работали недостаточно устойчиво. В настоящее время изготовляются иприменяются исключительно плоскостные транзисторы [6].
/> />
Рисунок 1.1 — Принцип устройства (а) и условное графическоеобозначение (б) плоскостного транзистора
Устройство плоскостного биполярного транзистора показаносхематически на рис. 1.1. Он представляет собой пластину германия, или кремния,или другого полупроводника, в которой созданы три области с различнойэлектропроводностью. Для примера взят транзистор типа n–р–n, имеющий среднююобласть с дырочной, а две крайние области – с электронной электропроводностью.Широко применяются также транзисторы типа р–n–р, в которых дырочнойэлектропроводностью обладают две крайние области, а средняя имеет электроннуюэлектропроводность.
Средняя область транзистора называется базой, одна крайняяобласть – эмиттером, другая – коллектором. Таким образом, в транзисторе имеютсядва n–р-перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный – междубазой и коллектором.
Эмиттером следует называть область транзистора, назначениемкоторой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектором называютобласть, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. Абазой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой областиносители заряда.
Расстояние между ними должно быть очень малым, не болееединиц микрометров, т. е. область базы должна быть очень тонкой. Это являетсяусловием хорошей работы транзистора. Кроме того, концентрация примесей в базевсегда значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере. От базы, эмиттера иколлектора сделаны выводы [15].
Для величин, относящихся к базе, эмиттеру и коллектору,применяют в качестве индексов буквы «б», «э» и «к». Токи в проводах базы,эмиттера и коллектора обозначают соответственно iб, iэ, iк.Напряжения между электродами обозначают двойными индексами, например напряжениемежду базой и эмиттером iб-э, между коллектором и базой uк-б.На условном графическом обозначении транзисторов р–n–р и n–р–n стрелкапоказывает условное (от плюса к минусу) направление тока в проводе эмиттера припрямом напряжении на эмиттерном переходе.
Транзистор может работать в трех режимах в зависимости отнапряжения на его переходах. При работе в активном режиме на эмиттерномпереходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Режим отсечки, илизапирания, достигается подачей обратного напряжения на оба перехода. Если же наобоих переходах напряжение прямое, то транзистор работает в режиме насыщения.Активный режим является основным. Он используется в большинстве усилителей игенераторов. Поэтому мы подробно рассмотрим работу транзистора в активномрежиме. Режимы отсечки и насыщения характерны для импульсной работы транзистораи также будут рассмотрены в дальнейшем.
В схемах с транзисторами обычно образуются две цепи.Входная, или управляющая, цепь служит для управления работой транзистора. Ввыходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источникусиливаемых колебаний включается во входную цепь, а в выходную включаетсянагрузка. Для величин, относящихся к входной и выходной цепи, применяютсоответственно индексы «вх» и «вых» или 1 и 2 [2]. 1.2 Принцип работы транзисторов
Рассмотрим, прежде всего, как работает транзистор, дляпримера типа n–р–n, в режиме без нагрузки, когда включены только источникипостоянных питающих напряжений E1 и Е2 (рис. 1.2, а). Полярностьих такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном –обратное.
Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получениянормального тока в этом переходе достаточно напряжения Е1 в десятыедоли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, и напряжение Е2 обычносоставляет единицы или десятки вольт. Из схемы на рис. 1.2, а видно, чтонапряжения между электродами транзистора связаны простой зависимостью [10]
uк-э =uк-б + uб-э (1.1)
При работе транзистора в активном режиме обычно всегда uб-э«uк-би, следовательно, uк-э »uк-б.
/>
Рисунок 1.2 — Движение электронов и дырок в транзисторах типаn-р-n и р-n-р
Принцип работы транзистора заключается в том, что прямоенапряжение эмиттерного перехода, т. е. участка база – эмиттер (uб-э),существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение,тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишьнезначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение uб-э,т. е. входное напряжение, управляет током коллектора. Усиление электрическихколебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении [9].
Физические процессы в транзисторе происходят следующимобразом. При увеличении прямого входного напряжения uб-э понижаетсяпотенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает токчерез этот переход – ток эмиттера iэ,. Электроны этого токаинжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу вколлекторный переход, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переходработает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды,показанные на рисунке кружками со знаками « + » и « –». Между ними возникаетэлектрическое поле. Оно способствует продвижению (экстракции) черезколлекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягиваютэлектроны в область коллекторного перехода [4].
Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в нейневелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успеваетрекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишьнебольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результатерекомбинации возникает ток базы. Действительно, в установившемся режиме числодырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации каждую секунду сколько-тодырок исчезает; но столько же новых дырок возникает за счет того, что из базыуходит в направлении к плюсу источника Е1 такое же число электронов.Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов. Если некотороечисло инжектированных в базу из эмиттера электронов не доходит до коллектора, аостается в базе, рекомбинируя с дырками, то точно такое же число электроновдолжно уходить из базы в виде тока iб. Поскольку ток коллектораполучается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофавсегда существует следующее соотношение между токами [3]:
iэ = iк + iб (1.2)
Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно,чтобы он был как можно меньше. Обычно i6 составляет малую долю (проценты) токаэмиттера, т. е. iб
Если бы база имела значительную толщину и концентрация дырокв ней была велика, то большая часть электронов эмиттерного тока, диффундируячерез базу, рекомбинировала бы с дырками и не дошла бы до коллекторногоперехода. Ток коллектора почти не увеличивался бы за счет электронов эмиттера,а наблюдалось бы лишь увеличение тока базы.
Когда к эмиттерному переходу напряжение не приложено, топрактически можно считать, что в этом переходе нет тока. В этом случае областьколлекторного перехода имеет большое сопротивление постоянному току, так какосновные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе стороны отграницы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переходпротекает лишь очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречудруг другу неосновных носителей, т. е. электронов из р-области и дырок изобласти.
Но если под действием входного напряжения возникзначительный ток эмиттера, то в область базы со стороны эмиттера инжектируютсяэлектроны, которые для данной области являются неосновными носителями. Неуспевая рекомбинировать с дырками при диффузии через базу, они доходят доколлекторного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходитк коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление.Соответственно увеличивается ток коллектора. Иначе говоря, с увеличением токаэмиттера в базе возрастает концентрация неосновных носителей, инжектированныхиз эмиттера, а чем больше этих носителей, тем больше ток коллекторногоперехода, т. е. ток коллектора iк [4].
Следует отметить, что эмиттер и коллектор можно поменятьместами (так называемый инверсный режим). Но в транзисторах, как правило,коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежелиэмиттерный, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздобольше, чем рассеиваемая в эмиттерном. Поэтому если использовать эмиттер вкачестве коллектора, то транзистор будет работать, но его можно применятьтолько при значительно меньшей мощности, что нецелесообразно. Если площадипереходов сделаны одинаковыми (транзисторы в этом случае называютсимметричными), то любая из крайних областей может с одинаковым успехомработать в качестве эмиттера или коллектора. 1.2.1 Расчет линейной зависимости токов в транзисторе
Поскольку в транзисторе ток эмиттера всегда равен сумметоков коллектора и базы, то приращение тока эмиттера также всегда равно суммеприращений коллекторного и базового тока:
∆iэ = ∆iк + ∆iб (1.3)
Важное свойство транзистора – приблизительно линейнаязависимость между его токами, т. е. все три тока транзистора изменяются почтипропорционально друг другу.
Пусть, для примера, iэ = 10 мА, iк =9,5 мА, iб = 0,5 мА. Если ток эмиттера увеличится, например, на 20%и станет равным
10 + 2 = 12 мА,
то остальные токи возрастут также на 20%;
iб = 0,5 + 0,1 = 0,6 мА,
iK = 9,5+ 1,9 = 11,4 мА,
так как всегда должно быть выполнено равенство (1.2), т. е.
12 мА = 11,4 мА + 0,6 мА.
Для приращения же токов справедливо равенство (1.3), т. е.
2 мА = 1,9 мА + 0,1 мА.
Физические явления в транзисторе типа n–р–n. Подобные жепроцессы происходят в транзисторе типа р–n–р, но в нем меняются ролямиэлектроны и дырки, а также изменяются полярности напряжений и направления токов(рис. 1.2, б). В транзисторе типа р–n–р из эмиттера в базу инжектируются неэлектроны, а дырки, которые являются для базы неосновными носителями. Сувеличением тока эмиттера больше таких дырок проникает через базу кколлекторному переходу. Это вызывает уменьшение его сопротивления и возрастаниетока коллектора [14].
/>
Рисунок 1.3 — Потенциальная диаграмма транзистора
Работу транзистора можно наглядно представить с помощьюпотенциальной диаграммы, которая приведена на рис. 1.3 для транзистора типа n–р–n.Эту диаграмму удобно использовать для создания механической модели транзистора.Потенциал эмиттера принят за нулевой. В эмиттерном переходе имеется небольшойпотенциальный барьер. Чем больше напряжение uб-э, тем ниже этотбарьер. Коллекторный переход имеет значительную разность потенциалов,ускоряющую электроны. В механической модели шарики, аналогичные электронам, засчет своих собственных скоростей поднимаются на барьер, аналогичный эмиттерномупереходу, проходят через область базы, а затем ускоренно скатываются с горки,аналогичной коллекторному переходу [10].
2 ФОТОТРАНЗИСТОР
2.1 Принципработы
Работа различных полупроводниковых приемников излучения(фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры) основана наиспользовании внутреннего фотоэффекта, который состоит в том, что под действиемизлучения в полупроводниках происходит генерация пар носителей заряда —электронов и дырок. Эти дополнительные носители увеличивают электрическуюпроводимость. Такая добавочная проводимость, обусловленная действием фотонов,получила название фотопроводимости. У металлов явление фотопроводимости практическиотсутствует, так как у них концентрация электронов проводимости огромна(примерно 1022 см-3) и не может заметно увеличиться под действиемизлучения. В некоторых приборах за счет фотогенерации электронов и дыроквозникает ЭДС, которую принято называть фото-ЭДС, и тогда эти приборы работаюткак источники тока. А в результате рекомбинации электронов и дырок вполупроводниках образуются фотоны, и при некоторых условиях полупроводниковыеприборы могут работать в качестве источников излучения [5].
Фототранзистор — фоточувствительный полупроводниковыйприемник излучения, по структуре подобный транзистору и обеспечивающийвнутреннее усиление сигнала. Его можно представить состоящим из фотодиода итранзистора. 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 бытьотключенной.
В отличие от биполярного транзистора, у фототранзистораотсутствует электрический контакт к базе, а управление током базыосуществляется путем изменения ее освещенности. По этой причине конструктивнофототранзистор 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 изонная диаграмма в активном режиме работы.
При попадании светового потока на n-область базы в нейгенерируются неравновесные электроны и дырки. Дырки будут являться неосновныминосителями, увеличение их концентрации приведет к росту дрейфовой компонентытока из базы в коллектор. Величина первичного «затравочного» фототока будетвыражаться такими же соотношениями, как и фототок диода на основе p-n-перехода.Отличие только в том, что неравновесные носители, участвующие в фототоке вфототранзисторе, собираются с области базы, ширина которой W меньше, чемдиффузионная длина Lp. Поэтому плотность первичного «затравочного»фототока будет [7]:
/> (2.1)
Вследствие того что неравновесные дырки уходят из базы вколлектор, база заряжена отрицательно относительно эмиттера, что эквивалентнопрямому смещению эмиттерного перехода фототранзистора. При прямом смещенииэмиттерного p-n-перехода появляется инжекционная компонента тока из эмиттера вбазу. При коэффициенте передачи эмиттерного тока α в базе рекомбинируют(1–α) инжектированных носителей или в β раз меньше, чем числоинжектированных носителей. В условиях стационарного тока числопрорекомбинировавших носителей в базе должно быть равно их числу, ушедшему спервоначальным фототоком. Поэтому инжекционный ток должен быть в β разбольше, чем первичный фототок. Ток коллектора IК будет состоять изтрех компонент: первичного фототока Iф, инжекционного βIфи теплового IК0 тока [7].
IК= Iф+β Iф=(β+1)Iф+ IК0 (2.2)
Используя выражение для коэффициента усиления β базовоготока через конструктивно-технологические параметры биполярного транзистора,получаем:
/> (2.3)
Величина первичного фототока IФ выражается черезпараметры светового потока и характеристики полупроводникового материаластандартным образом:
/> (2.4)
При освещении базы в ней возникают электронно-дырочные пары.Так же как и в фотодиоде, пары, достигшие в результате диффузии коллекторногоперехода, разделяются полем перехода, неосновные носители из базы движутся вколлектор, при этом его ток увеличивается. Основные носители остаются в базе,понижая ее потенциал относительно эмиттера. При этом на эмиттерном переходесоздается дополнительное прямое напряжение, вызывающее дополнительную инжекциюиз эмиттера в базу и соответствующее увеличение тока коллектора.
/>
Рисунок 2.2 — Энергетическая диаграмма фототранзистора (а) ивольтамперные характеристики фототранзистора при разных уровнях освещения (б). 2.1.1 Работа фототранзистора с общим эмиттером
Рассмотрим, например, работу фототранзистора в схеме с общимэмиттером при отключенной базе. Фототок коллекторного перехода суммируется собратным током коллектора, поэтому в формуле для тока транзистора вместо JК0следует поставить [17]
JК0 + JФ/J = (JК0 + JФ)/(1-α).
При JК0>>JФ J =JФ/(1-α)≈ βJФ, т.е. фототок фототранзистора усиливается в βраз по сравнению током фотодиода. Соответственно в β раз увеличивается ичувствительность. Ток может быть усилен в 1000 раз, поэтому чувствительностьфототранзистора во много раз больше чувствительности фотодиода. Однакопоскольку произведение коэффициента усиления на полосу частот величинапостоянная, то предельная частота уменьшается в β раз.
/>
Рисунок 2.3 — Эквивалентная схема фототранзистора.
Наличие диффузии носителей обуславливает значительнуюинерционность прибора τ = 10–5-10–6 с. При сужениибазы время диффузии уменьшается, но уменьшается и чувствительность. Длягерманиевых фототранзисторов SI= 0,2-0,5 А/лм, Vраб= 3 В, Iтемн=300 мкА, τ = 0,2 мс. В корпусе прибора предусмотрено прозрачное окно,через которое световой поток попадает обычно на базовую областьфототранзистора. Площадь фоточувствительной площадки составляет 1-3 мм2. 2.2 Параметры фототранзисторов
Основные параметры фототранзисторов представлены в таблице2.1
Таблица 2.1 — Параметры фототранзисторовУсловное обозначение Единица измерения Определение Up В Рабочее напряжение постоянное напряжение, приложенное к фототранзистору, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной ею работе ∆λ 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 2β 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 τср мкс Постоянная времени до садy фотототока — время в течение которого фототок уменьшается до значения, равного 37 % от максимального, при затемнении фоточувствительного элемента фототранзистора 2.3 Виды и конструкции фототранзисторов
Существует две разновидности конструкций фототранзисторов:поперечная и продольная. Продольные транзисторы имеют более простую конструкциюи технологию, удобны для включения в интегральные схемы, но уступают по своимфункциональным параметрам [15].
/>
Рисунок 2.4 — Структура поперечного (а) и продольного (б)фототранзисторов.
Достоинства фототранзисторов: наличие механизма внутреннегоусиления, т.е. высокая фоточувствительность, схемотехническая гибкость,связанная с наличием третьего электрода.
Основные недостатки: ограниченное быстродействие итемпературная зависимость параметров. 2.4 МДП-фототранзисторы
МДП (металл-диэлектрик-проводник) фототранзистор представляетсобой полевой транзистор с изолированным затвором, в котором поглощаемый вподзатворной области световой поток приводит к изменению проводимости каналамежду истоком и стоком. Вызванное светом увеличение тока приводит к изменениюпорогового напряжения и крутизны передаточной характеристики. Электрод затворадолжен быть изготовлен из прозрачного или полупрозрачного материала.МДП-фототранзистор, таким образом, является аналогом фоторезистора, но можетбыть использован в любом режиме подзатворного канала: обогащении, обеднении,инверсии.
/>
Рисунок 2.5 — Структура МДП-фототранзистора.
При использовании в качестве фотоприемников МДП-транзисторових целесообразно применять в сочетании с фотодиодом на основе p-n перехода.Технологически фотодиод и МДП-транзистор изготавливаются на одной пластинеполупроводника и фотодиод подключается к истоку и затвору. Так как ток череззатвор не протекает, то фотодиод работает в режиме генерации фотоЭДС [11]. Приодновременном освещении p-n перехода и МДП-транзистора меняется как напряжениеотсечки, так и фотонапряжение p-n–перехода. Фото ЭДС p-n-перехода изменяетпотенциал затвора, поэтому изменяется ток в цепи исток-сток.
/>
Рисунок 2.6 — Структура (а) и эквивалентная схема (б)МДП-транзистора с фотодиодом на основе p-n перехода.
МДП-фототранзисторы являются удобными фоточувствительнымиэлементами для создания многоэлементных фотоприемников [2]. 2.5 Гетерофототранзисторы
Гетерофототранзисторы (рис. 3.4) основаны на принципедействия обычного биполярного фототранзистора, но в них используются и вседостоинства гетероструктур: широкозонные эмиттерное и коллекторное окна (чтопозволяет создавать конструкции с прямой и обратной — через толстыйколлекторный слой — засветкой); тонкая фотоактивная базовая область, полностьюпоглощающая воздействующее излучение; идеальность гетерограниц, препятствующихпросачиванию основных носителей базы в коллектор и накоплению их в нем. Все этоведет к тому, что гетерофототранзисторы могут иметь не только высокуючувствительность в любом заданном участке спектра, но и очень высокоебыстродействие (в нано- и субнаносекундном диапазоне).
Однако гетерофототранзисторы используются, как правило, лишьв диодном включении (так как вывод от узкой базовой области сделатьзатруднительно), что лишает их схемотехнической гибкости, присущейтранзисторам. По мере усовершенствования и промышленного развития эти приборыстанут «соперниками» ЛФД, выгодно отличаясь от них низким питающимнапряжением, отсутствием жестких требований к стабилизации режима работы идругими достоинствами, присущими транзисторам.
/>
Рисунок 2.7 — Гетерофототранзистор
1-- n+-InP-эмиттер с кольцевым электродом;
2-- p-InGaAsP-база;
3-- n+-n-InP-коллектор (подложка).
Тонкая фотоактивная базовая область, обусловленнаяидеальностью гетерограниц, обеспечивает накопление основных носителей заряда вбазе и отсутствие просачивания неосновных носителей в эмиттер.
/>
Рисунок 2.8 — Структура гетерофототранзистора.
Гетерофототранзисторы имеют высокую фоточувствительность ибыстродействие (10–9-10–10 с), низкое напряжение питания,возможность выбора спектральной области чувствительности [5].
Но в то же время гетерофототранзистор используется обычно вдиодном включении (вывод от узкой базы сложно сделать), поэтому не полностьюреализуются схемотехнические возможности фототранзистора. 2.5.1 Физические основы гетероперехода
Если n- и p-область перехода изготовлены из различныхполупроводников, то такой переход называется гетеропереходом. Отличие отобычного перехода более тонко в том случае, когда полупроводникивзаиморастворимы, а переход плавный. Переходы последнего типа иногда называют«квазигомопереходами». Таким образом, плавные переходы между n-ZnSe иp-ZnTe или между p-GaAs и n-GaР являются квазигомопереходами.
/>
Рисунок 2.9 — Инжекцию неосновных носителей в полупроводнике
Одной из причин обращения к гетеропереходам являетсявозможность получить высокоэффективную инжекцию неосновных носителей вузкозонный полупроводник, т.е. суперинжекция, заключающаяся в том, чтоконцентрация инжектированных в базу носителей может на несколько порядковпревысить их равновесное значение в эмиттерной области (рис.2.9). Это означает,что стремление получить g=1 в широком интервале изменения прямого тока ненакладывает каких-либо ограничений на вид и концентрацию легирующей примеси вэмиттерной и базовой областях — у разработчика оптоэлектронных приборовпоявляется лишняя «степень свободы» [17].
Это свойство гетеропереходов легко понять из рассмотрениярис.3.6. Когда прямое смещение выравнивает валентную зону, дырки нжектируются вn-область. Инжекции же электронов из n-области в p-область препятствует барьерDE = Еg1 — Еg2 (рис. 2.10).
/>
а) б)
Рисунок2.10 — Идеальная зонная схема для гетероперехода.
а) — в условиях равновесия; б) — при прямом смещении V
Очевидно, что в этом случае излучательная рекомбинация будетпроисходить в узкозонной области. Так, в гетеропереходах GaAs — GaSb полосаинжекционной люминесценции находится при энергии 0,7 эВ, что равно ширинезапрещенной зоны GaSb. Оптические свойства эмиттера и базы гетероструктурыразличны и могут в широких пределах изменяться независимо друг от друга.Отсюда, в частности, следует, что широкозонный эмиттер представляет собой«окно» для более длинноволнового излучения, генерируемого (илипоглощаемого) узкозонной базой.
Кроме того, различие в значениях Еg ведет и к различиюпоказателей преломления n, что порождает волноводный эффект, т.е. концентрациюоптической энергии в слое с большим n при распространении излучения вдоль слоя[8].
/>
Рисунок 2.11 – Зоны раздела
На практике гетеропереходам присущи недостатки, связанные сграницей раздела: уровень Ферми оказывается фиксированным на границе из-заповерхностных состояний. Поэтому вместо ровного хода для одной из зон обычноимеет место барьер типа Шоттки, как показано на рис. 3.8, Поскольку барьерШоттки обладает выпрямляющим действием, его присутствие становится очевиднымпри рассмотрении n-n-гетеропереходов — т.е. переходов между двумя различнымиполупроводниками n-типа [7]. 2.5.2 Расчет параметров и характеристик фототранзистора нагетеропереходах
Параметры фототранзистора на гетеропереходах:
- ВАХфототранзистора;
- Энергетическиехарактеристики;
- Спектральныехарактеристики;
- Пороговыйпоток Фn;
- Выявляющаяспособность Д;
- Коэффициентусиления на фототоках />;
- Вольтоваячувствительность he13;
- Тоноваячувствительность;
- Токоваячувствительность с общим эмиттером />;
Выходные данные:
х1 (GaAs) = 4,53 eB; х1(Ge) = 4,66 eB
φ0=0,15 eB; р0=1014см-3;
j0=10-12 A; n0=1015см-3;
Т= 300 К; q=-1.6·1019
Диэлектрическая постоянная вычисляется по формулам:
в p-области /> (2.1)
в n –области /> (2.2)
На границах гетеропереходов при х=0 должно выполнятсяусловие неразрывности нормальной составляющей электрической индукции:
/> (2.3)
φ1(х) и φ2(х), х=0 находим
/> (2.4)
/> (2.5)
где
/> (2.6)
Полная контактная разница потенциалов на границегетеропереходов равна отношению:
φ0= φ1(0) + φ1(0) (2.7)
Теперь найдем толщину объемного заряда:
/> = 0,6·10-7
/> = 0,145·10-7
Теперь рассчитаем толщину объемного заряда:
L=Ln+Lp=0,6·10-7+0,145·10-7=0,745·10-7 см.
Вольтамперная характеристика гетероперехода
/> (2.8)
При І0= const, I=I0–обратное смещение.
При І0≠const, I=I0– прямоесмещение.
/>
Исходя из полученных результатов строим график
/>
Рисунок 2.12 – Вольтамперная характеристика фототранзистора
ВЫВОДЫ
В ходе данной курсовой работе:
- были рассмотрены общие сведения и принцип работы транзисторов;
- рассчитана линейная зависимость токов в транзисторе
- рассмотрен принцип работы фототранзистора, а также работафототранзистора с общим эмиттером
- рассмотрены некоторые виды фототранзистора и принципы их работы
- рассчитаны некоторые параметры прибора на гетеропереходах и построена вольтампернаяхарактеристика фототранзистора.
/>СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ефимов И.Е., Козырь И.Я. Основымикроэлектроники. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1983г. – 384с.
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 физикиполупроводниковых 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 основымикроэлектроники М.: Сов. радио, 1971 г. – 376 с.
8. Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. М.: Высшая школа, 1987г.– 326 с.
9. Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. М.: Советское радио, 1977г.- 232 с.
10. Пасынков В. В., Чиркин Л. К.Полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа, 1987г. 479 c.
11. Бараночников М… Фототранзисторы. Журнал «Радио» № 6,7,8 –1992 г
12. Ніконова З.А., Небеснюк О.Ю. Твердотіла електроніка.Конспект лекцій для студентів напрямку «Електроніка» ЗДІА/ Запоріжжя:Видавництво ЗДІА, 2002. – 99с.
13. Твердотіла електроніка. Навчальний посібник до курсовогопроекту для студентів ЗДІА спеціальності «Фізична та біомедична електроніка»денної та заочної форм навчання /Укл: З.А. Ніконова, О.Ю. Небеснюк,, М.О.Літвіненко, Г.А. Слюсаревська. Запоріжжя, 2005. – 40с.
14. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: Пер. с англ. М.: Мир,1984.
15. Батушев В. А. Электронные приборы. – М., “Высшая школа”1980.
16. Ефимов И.Е., Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Микроэлектроника.Проектирование, виды микросхем, функциональная электроника. – М.: Высшая школа,1987. – 416 с.
17. Федотов Я. А. Основы физики полупроводниковых приборов. М.,“Советское радио”, 1970. – 392 с.