|
ЗМІСТ
- ВСТУП 2
- 1 Загальні відомості про транзисторах 4
- 1.1 Основні поняття 4
- 1.2 Принцип роботи транзисторів 6
- 1.2.1 Розрахунок лінійної залежності струмів в транзисторі 10
- 2 фототранзисторами 12
- 2.1 Принцип роботи 12
- 2.1.1 Робота фототранзистор з загальним емітером 15
- 2.2 Параметри фототранзисторів 16
- 2.3 Види і конструкції фототранзисторів 18
- 2.4 МДП-фототранзистори 18
- 2.5 гетерофототранзістори 20
- 2.5.1 Фізичні основи гетероперехода 22
- 2.5.2 Розрахунок параметрів і характеристик фототранзистор на гетероперехідах 24
- ВИСНОВКИ 28
- Список використаної літератури 29
- ВСТУП
-
- Оптоелектроніка є одним з найактуальніших напрямків сучасної електроніки. Оптоелектронні прилади характеризуються винятковою функціональною широтою, вони успішно використовуються у всіх ланках інформаційних систем для генерації, перетворення, передачі, зберігання і відображення інформації. При створенні оптоелектронних приладів використовується багато нових фізичних явищ, синтезуються унікальні матеріали, розробляються сверхпрецізіонние технології. Оптоелектроніка досягла стадії промислової зрілості, але це тільки початковий етап, так як перспективи розвитку багатьох її напрямків практично безмежні. Нові напрямки найчастіше виникають як злиття і інтеграція ряду вже відомих досягнень оптоелектроніки і традиційної мікроелектроніки: такі інтегральна оптика і волоконно-оптичні лінії зв'язку; оптичні пристрої, що запам'ятовують, що спираються на лазерну техніку і голографію; оптичні транспаранти, які використовують успіхи фотоелектроніки і нелінійної оптики; плоскі безвакуумние засоби відображення інформації та ін.
- Оптоелектроніку як науково-технічний напрямок характеризують три відмітні риси.
- 1. Фізичну основу оптоелектроніки складають явища, методи і засоби, для яких принципові поєднання і нерозривність оптичних та електронних процесів.
- 2. Технічну основу оптоелектроніки визначають конструктивно-технологічні концепції сучасної мікроелектроніки: мініатюризація елементів; переважне розвиток твердотільних площинних конструкцій; інтеграція елементів і функцій; застосування спеціальних надчистих матеріалів і методів прецизійної групової обробки.
- 3. Функціональне призначення оптоелектроніки полягає у вирішенні завдань інформатики: генерації (формуванні) інформації шляхом перетворення зовнішніх впливів у відповідні електричні та оптичні сигнали; передачі інформації; перетворенні інформації [11].
- 1 Загальні відомості про транзисторах
-
1.1 Основні поняття
У числі електропреобразовательних напівпровідникових приладів, т. Е. Приладів, що служать для перетворення електричних величин, важливе місце займають транзистори. Вони являють собою напівпровідникові прилади, придатні для посилення потужності і мають три висновки або більше. У транзисторах може бути різне число переходів між областями з різною електропровідністю. Найбільш поширені транзистори з двома n-р-переходами, звані біполярними, оскільки їх робота заснована на використанні носіїв заряду обох знаків. Перші транзистори були точковими, але вони працювали недостатньо стійко. В даний час виготовляються і застосовуються виключно площинні транзистори [6].
Малюнок 1.1 - Принцип пристрою (а) і умовне графічне позначення (б) площинного транзистора
Пристрій площинного біполярного транзистора показано схематично на рис. 1.1. Він являє собою пластину германію, або кремнію, або іншого напівпровідника, в якій створені три області з різною електропровідністю. Для прикладу взято транзистор типу n-р-n, що має середню область з доречний, а дві крайні області - з електронною електропровідністю. Широко застосовуються також транзистори типу р-n-р, в яких доречний електропровідністю володіють дві крайні області, а середня має електронну електропровідність.
Середня область транзистора називається базою, одна крайня область - емітером, інша - колектором. Таким чином, в транзисторі є два n-р-переходу: емітерний - між емітером і базою і колекторний - між базою і колектором.
Емітером слід називати область транзистора, призначенням якої є інжекція носіїв заряду в базу. Колектором називають область, призначенням якої є екстракція носіїв заряду з бази. А базою є область, в яку инжектируются емітером неосновні для цієї області носії заряду.
Відстань між ними має бути дуже малим, не більше одиниць мікрометрів, т. Е. Область бази повинна бути дуже тонкою. Це є умовою хорошої роботи транзистора. Крім того, концентрація домішок в базі завжди значно менше, ніж в колекторі і емітер. Від бази, емітера і колектора зроблені висновки [15].
Для величин, що відносяться до бази, емітера і колектора, застосовують як індекси букви «б», «е» і «до». Токи в проводах бази, емітера і колектора позначають відповідно i б, i е, i к. Напруження між електродами позначають подвійними індексами, наприклад напруга між базою і емітером i б-е, між колектором і базою u к-б. На умовному графічному позначенні транзисторів р-n-р і n-р-n стрілка показує умовне (від плюса до мінуса) напрям струму в проводі емітера при прямій напрузі на емітерний перехід.
Транзистор може працювати в трьох режимах залежно від напруги на його переходах. При роботі в активному режимі на емітерний перехід напруга пряме, а на колекторному - зворотне. Режим відсічення, або замикання, досягається подачею зворотної напруги на обидва переходу. Якщо ж на обох переходах напруга пряме, то транзистор працює в режимі насичення. Активний режим є основним. Він використовується в більшості підсилювачів і генераторів. Тому ми детально розглянемо роботу транзистора в активному режимі. Режими відсічення і насичення характерні для імпульсної роботи транзистора і також будуть розглянуті в подальшому.
У схемах з транзисторами зазвичай утворюються два ланцюги. Вхідні, або керуюча, ланцюг служить для управління роботою транзистора. У вихідний, або керованої, ланцюги виходять посилені коливання. Джерело підсилюються коливань включається у вхідний ланцюг, а в вихідну включається навантаження. Для величин, що відносяться до вхідний і вихідний ланцюга, застосовують відповідно індекси «вх» і «вих» або 1 і 2 [2].
1.2 Принцип роботи транзисторів
Розглянемо, перш за все, як працює транзистор, для прикладу типу n-р-n, в режимі без навантаження, коли включені тільки джерела постійних живлячих напруг E 1 і Е 2 (рис. 1.2, а). Полярність їх така, що на емітерний перехід напруга пряме, а на колекторному - зворотне.
Тому опір емітерного переходу мало і для отримання нормального струму в цьому переході достатньо напруги Е 1 в десяті частки вольта. Опір колекторного переходу велике, і напруга Е2 зазвичай становить одиниці або десятки вольт. Зі схеми на рис. 1.2, а видно, що напруги між електродами транзистора пов'язані простою залежністю [10]
u к-е = u к-б + u б-е (1.1)
При роботі транзистора в активному режимі зазвичай завжди u б-е «u до - б і, отже, u к-е u к-б.
Малюнок 1.2 - Рух електронів і дірок в транзисторах типу n-р-n і р-n-р
Принцип роботи транзистора полягає в тому, що пряме напруга емітерного переходу, т. Е. Ділянки база - емітер (u б-е), істотно впливає на струми емітера і колектора: чим більше це напруга, тим більше струми емітера і колектора. При цьому зміни струму колектора лише незначно менше змін струму емітера. Таким чином, напруга u б-е, т. Е. Вхідна напруга, управляє струмом колектора. Посилення електричних коливань за допомогою транзистора засноване саме на цьому явищі [9].
Фізичні процеси в транзисторі відбуваються таким чином. При збільшенні прямої вхідної напруги Uб-е знижується потенційний бар'єр в емітерний перехід і відповідно зростає струм через цей перехід - струм емітера i е,. Електрони цього струму инжектируются з емітера в базу і завдяки дифузії проникають крізь базу в колекторний перехід, збільшуючи струм колектора. Так як колекторний перехід працює при зворотній напрузі, то в цьому переході виникають об'ємні заряди, показані на малюнку гуртками зі знаками «+» і «-». Між ними виникає електричне поле. Воно сприяє просуванню (екстракції) через колекторний перехід електронів, які прийшли сюди з емітера, т. Е. Втягують електрони в область колекторного переходу [4].
Якщо товщина бази досить мала і концентрація дірок в ній невелика, то більшість електронів, пройшовши через базу, не встигає рекомбінувати з дірками бази і досягає колекторного переходу. Лише невелика частина електронів рекомбинирует в базі з дірками. В результаті рекомбінації виникає струм бази. Дійсно, в сталому режимі число дірок в базі має бути незмінним. Внаслідок рекомбінації кожну секунду скільки-то дірок зникає; але стільки ж нових дірок виникає за рахунок того, що з бази йде в напрямку до плюса джерела Е1 таке ж число електронів. Інакше кажучи, в базі не може накопичуватися багато електронів. Якщо деяке число інжектованих в базу з емітера електронів не доходить до колектора, а залишається в базі, рекомбініруя з дірками, то точно таке ж число електронів повинно йти з бази у вигляді струму i б. Оскільки струм колектора виходить менше струму емітера, то відповідно до першого закону Кірхгофа завжди існує наступне співвідношення між струмами [3]:
i е = i до + i б (1.2)
Струм бази є непотрібним і навіть шкідливим. Бажано, щоб він був якомога менше. Зазвичай i6 становить малу частку (відсотки) струму емітера, т. Е. I б е, а отже, струм колектора лише незначно менше струму емітера і можна вважати i до «i е. Саме для того, щоб струм i б був якомога менше, базу роблять дуже тонкою і зменшують в ній концентрацію домішок, яка визначає концентрацію дірок. Тоді менше число електронів буде рекомбінувати в базі з дірками.
Якби база мала значну товщину і концентрація дірок в ній була велика, то велика частина електронів емітерного струму, диффундируя через базу, рекомбинированного б з дірками і не дійшла б до колекторного переходу. Струм колектора майже не збільшувався б за рахунок електронів емітера, а спостерігалося б лише збільшення струму бази.
Коли до емітерного переходу напругу не докладено, то практично можна вважати, що в цьому переході немає струму. В цьому випадку область колекторного переходу має великий опір постійному струму, так як основні носії зарядів віддаляються від цього переходу і по обидва боки від кордону створюються області, збіднені цими носіями. Через колекторний перехід протікає лише дуже невеликий зворотний струм, викликаний переміщенням назустріч один одному неосновних носіїв, т. Е. Електронів з р-області і дірок з області.
Але якщо під дією вхідної напруги виник значний струм емітера, то в область бази з боку емітера инжектируются електрони, які для даної області є неосновними носіями.Не встигаючи рекомбінувати з дірками при дифузії через базу, вони доходять до колекторного переходу. Чим більше струм емітера, тим більше електронів приходить до колекторного переходу і тим менше стає його опір. Відповідно збільшується струм колектора. Інакше кажучи, зі збільшенням струму емітера в базі зростає концентрація неосновних носіїв, інжектованих з емітера, а чим більше цих носіїв, тим більше струм колекторного переходу, т. Е. Струм колектора i до [4].
Слід зазначити, що емітер і колектор можна поміняти місцями (так званий інверсний режим). Але в транзисторах, як правило, колекторний перехід робиться зі значно більшою площею, ніж емітерний, так як потужність, що розсіюється в колекторному переході, набагато більше, ніж розсіюється в емітерний. Тому якщо використовувати емітер як колектор, то транзистор буде працювати, але його можна застосовувати тільки при значно меншої потужності, що недоцільно. Якщо площі переходів зроблені однаковими (транзистори в цьому випадку називають симетричними), то будь-яка з крайніх областей може з однаковим успіхом працювати в якості емітера або колектора.
1.2.1 Розрахунок лінійної залежності струмів в транзисторі
Оскільки в транзисторі струм емітера завжди дорівнює сумі струмів колектора і бази, то прирощення струму емітера також завжди дорівнює сумі збільшень колекторного і базового струму:
? i е =? i до +? i б (1.3)
Важлива властивість транзистора - приблизно лінійна залежність між його струмами, т. Е. Все три струму транзистора змінюються майже пропорційно один одному.
Нехай, для прикладу, i е = 10 мА, i к = 9,5 мА, i б = 0,5 мА. Якщо струм емітера збільшиться, наприклад, на 20% і стане рівним
10 + 2 = 12 мА,
то інші струми зростуть також на 20%;
i б = 0,5 + 0,1 = 0,6 мА,
i K = 9,5+ 1,9 = 11,4 мА,
так як завжди повинно бути виконано рівність (1.2), т. е.
12 мА = 11,4 мА + 0,6 мА.
Для збільшення ж струмів справедливо рівність (1.3), т. Е.
2 мА = 1,9 мА + 0,1 мА.
Фізичні явища в транзисторі типу n-р-n. Подібні ж процеси відбуваються в транзисторі типу р-n-р, але в ньому міняються ролями електрони і дірки, а також змінюються полярності напруг і напрямки струмів (рис. 1.2, б). У транзисторі типу р-n-р з емітера в базу инжектируются не електронний, а дірки, які є для бази неосновними носіями. Зі збільшенням струму емітера більше таких дірок проникає через базу до колекторного переходу. Це викликає зменшення його опору і зростання струму колектора [14].
Малюнок 1.3 - Потенційна діаграма транзистора
Роботу транзистора можна наочно представити за допомогою потенційної діаграми, яка наведена на рис. 1.3 для транзистора типу n-р-n. Цю діаграму зручно використовувати для створення механічної моделі транзистора. Потенціал емітера прийнятий за нульовий. У емітерний перехід є невеликий потенційний бар'єр. Чим більша напруга u б-е, тим нижче цей бар'єр. Колекторний перехід має значну різницю потенціалів, що прискорює електрони. У механічної моделі кульки, аналогічні електронам, за рахунок своїх власних швидкостей піднімаються на бар'єр, аналогічний емітерного переходу, проходять через область бази, а потім прискорено скочуються з гірки, аналогічної колекторного переходу [10].
2 фототранзисторами
2.1 Принцип роботи
Робота різних напівпровідникових приймачів випромінювання (фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори, фототиристори) заснована на використанні внутрішнього фотоефекту, який полягає в тому, що під дією випромінювання в напівпровідниках відбувається генерація пар носіїв заряду - електронів і дірок. Ці додаткові носії збільшують електричну провідність. Така додаткова провідність, обумовлена дією фотонів, отримала назву фотопровідності. У металів явище фотопровідності практично відсутній, так як у них концентрація електронів провідності величезна (приблизно тисячу двадцять-два см -3) і не може помітно збільшитися під дією випромінювання. У деяких приладах за рахунок фотогенерації електронів і дірок виникає ЕРС, яку прийнято називати фото-ЕРС, і тоді ці прилади працюють як джерела струму. А в результаті рекомбінації електронів і дірок в напівпровідниках утворюються фотони, і при деяких умовах напівпровідникові прилади можуть працювати в якості джерел випромінювання [5].
Фототранзистор - фоточутливий напівпровідниковий приймач випромінювання, за структурою подібний транзистору і забезпечує внутрішнє посилення сигналу. Його можна уявити що складається з фотодіода і транзистора. Фотодиодом є освітлювана частина переходу база-колектор, транзистором - частина структури, розташована безпосередньо під емітером. Так як фотодіод і колекторний перехід транзистора конструктивно об'єднані, то фотострум підсумовується з колекторним струмом. Напруга живлення підводять так, щоб колекторний перехід був закритий, а емітерний - відкритий. База може бути відключеною.
На відміну від біполярного транзистора, у фототранзистор відсутня електричний контакт до бази, а управління струмом бази здійснюється шляхом зміни її освітленості. З цієї причини конструктивно фототранзистор має тільки два висновки - емітер і колектор.
Малюнок 2.1 - а) Схема фототранзистор зі структурою pnp;
б) зонная діаграма фототранзистор в активному режимі роботи
На рис. 2.1 показані схема включення фототранзистор і зонна діаграма в активному режимі роботи.
При попаданні світлового потоку на n-область бази в ній генеруються нерівноважні електрони і дірки. Дірки будуть неосновними носіями, збільшення їх концентрації призведе до зростання дрейфовой компоненти струму з бази в колектор. Величина первинного «затравочного» фотоструму буде виражатися такими ж співвідношеннями, як і фототок діода на основі pn-переходу. Відмінність тільки в тому, що нерівноважні носії, які беруть участь в фотоструму в фототранзисторі, збираються з області бази, ширина якої W менше, ніж дифузійна довжина L p. Тому щільність первинного «затравочного» фотоструму буде [7]:
(2.1)
Внаслідок того що нерівноважні дірки йдуть з бази в колектор, база заряджена негативно щодо емітера, що еквівалентно прямому зсуву емітерного переходу фототранзистор. При прямому зсуві емітерного pn-переходу з'являється инжекционная компонента струму з емітера в базу. При коефіцієнті передачі емітерного струму б в базі рекомбинируют (1-б) інжектованих носіїв або в в раз менше, ніж число інжектованих носіїв. В умовах стаціонарного струму число прорекомбініровавшіх носіїв в базі має дорівнювати їх числа, який пішов з початковим фотострумом. Тому інжекційні ток повинен бути в у раз більше, ніж первинний фотострум. Струм колектора I К буде складатися з трьох компонент: первинного фотоструму I ф, инжекционного вi ф і теплового I К0 струму [7].
I К = I ф + в I ф = (в + 1) I ф + I К0 (2.2)
Використовуючи вираз для коефіцієнта посилення в базового струму через конструктивно-технологічні параметри біполярного транзистора, отримуємо:
(2.3)
Величина первинного фотоструму I Ф виражається через параметри світлового потоку і характеристики напівпровідникового матеріалу стандартним чином:
(2.4)
При висвітленні бази в ній виникають електронно-діркові пари. Так само як і в фотодіоді, пари, які досягли в результаті дифузії колекторного переходу, розділяються полем переходу, неосновні носії з бази рухаються в колектор, при цьому його струм збільшується. Основні носії залишаються в базі, знижуючи її потенціал щодо емітера. При цьому на емітерний перехід створюється додаткове пряме напруга, що викликає додаткову инжекцию з емітера в базу і відповідне збільшення струму колектора.
Малюнок 2.2 - Енергетична діаграма фототранзистор (а) і вольтамперні характеристики фототранзистора при різних рівнях освітлення (б).
2.1.1 Робота фототранзистор з загальним емітером
Розглянемо, наприклад, роботу фототранзистор в схемі з загальним емітером при відключеною базі. Фотострум колекторного переходу підсумовується зі зворотним струмом колектора, тому у формулі для струму транзистора замість J К0 слід поставити [17]
J К0 + J Ф / J = (J К0 + J Ф) / (1-б).
При J К0 >> J Ф J = J Ф / (1-б)? В j Ф, тобто фототок фототранзистор посилюється в в раз в порівнянні струмом фотодіода. Відповідно в в раз збільшується і чутливість. Струм може бути посилений в 1000 разів, тому чутливість фототранзистора у багато разів більше чутливості фотодіода. Однак оскільки твір коефіцієнта підсилення на смугу частот величина постійна, то гранична частота зменшується в в раз.
Малюнок 2.3 - Еквівалентна схема фототранзистор.
Наявність дифузії носіїв обумовлює значну інерційність приладу ф = 10 5 -10- 6 с. При звуженні бази час дифузії зменшується, але зменшується і чутливість. Для германієвих фототранзисторів SI = 0,2-0,5 А / лм, V раб = 3 В, I темн = 300 мкА, ф = 0,2 мс. У корпусі приладу передбачено прозоре вікно, через яке світловий потік потрапляє зазвичай на базову область фототранзистор. Площа фоточутливої майданчика становить 1-3 мм 2.
2.2 Параметри фототранзисторів
Основні параметри фототранзисторів представлені в таблиці 2.1
Таблиця 2.1 - Параметри фототранзисторів
|
|
Умовне позначення
|
Одиниця виміру
|
визначення
|
|
|
Up
|
В
|
Робоча напруга постійна напруга, прикладена до фототранзисторами, при якому забезпечуються номінальні параметри при тривалій нею роботі
|
|
|
? л
|
мкм
|
Область спектральної чутливості фототранзистор інтервал довжини хвилі спектральної характеристики фототранзистора, в якому його чутливість дорівнює 10% і більше від свого максимального значення
|
|
|
Умовне позначення
|
Одиниця виміру
|
визначення
|
|
|
Рmax
|
мВт
|
Максимально допустима розсіює потужність - максимальна електрична потужність, що розсіюється фототранзистором, при якій відхилення нею параметрів від номінальних значень не перевищує зазначених меж при тривалій роботі
|
|
|
Iт
|
мкА
|
Тим нової ток - ток. протікає через фототранзистор при заданій напрузі на ньому за відсутності потоку випромінювання
|
|
|
iф
|
мА
|
Фотострум (струм фотосігнала) струм, що протікає через фототранзистор при зазначеному напрузі на ньому, обумовлений дією потоку випромінювання
|
|
|
S1інт
|
А / лм
або
А / лк
|
Струмова інтегральна чутливість - відношення фотоструму до значення потужності (або освітленості) потоку випромінювання с.заданим спектральним складом, що викликали появу фотоструму
|
|
|
Фп
|
Вт
|
Поріг чутливості - середньоквадратичне значення першої гармоніки чинного на фоточувсгвітельниі елемент фототранзистор модульованого потоку випромінювання заданого спектрального розподілу, при якому середньоквадратичне значення першої гармоніки фототока одно середньоквадратичного течією шумового струму в заданій смузі на частоті модуляції потоку випромінювання
|
|
|
Умовне позначення
|
Одиниця виміру
|
визначення
|
|
|
Ку.ф
|
отн.ед.
|
Коефіцієнт посилення фотоструму - відношення фотоструму колектора при відключеною базі до фотоструму освітлюється переходу, виміряного в фотодіодному режимі
|
|
|
2в
|
град
|
Плоский кут зору фототранзистор кут в нормальній до фоточутливого елемента площині між крайніми напрямами падіння паралельного пучка випромінювання, при яких струм фотосігнала зменшується до заданого рівня
|
|
|
ФСР
|
мкс
|
Постійна часу до садy фотототока - час протягом якого фотострум зменшується до значення, рівного 37% від максимального, при затемненні фоточутливого елемента фототранзистор
|
|
|
2.3 Види і конструкції фототранзисторів
Існує два різновиди конструкцій фототранзисторів: поперечна і поздовжня. Поздовжні транзистори мають більш просту конструкцію і технологію, зручні для включення в інтегральні схеми, але поступаються за своїми функціональними параметрами [15].
Малюнок 2.4 - Структура поперечного (а) і поздовжнього (б) фототранзисторів.
Переваги фототранзисторів: наявність механізму внутрішнього посилення, тобто висока фоточутливість, схемотехнічна гнучкість, пов'язана з наявністю третього електрода.
Основні недоліки: обмежена швидкодія і температурна залежність параметрів.
2.4 МДП-фототранзистори
МДП (метал-діелектрик-провідник) фототранзистор являє собою польовий транзистор з ізольованим затвором, в якому поглинається в подзатворного області світловий потік призводить до зміни провідності каналу між витоком і стоком. Викликане світлом збільшення струму призводить до зміни порогового напруги і крутизни передавальної характеристики. Електрод затвора повинен бути виготовлений з прозорого або напівпрозорого матеріалу. МДП-фототранзистор, таким чином, є аналогом фоторезистора, але може бути використаний в будь-якому режимі подзатворного каналу: збагаченні, збіднення, інверсії.
Малюнок 2.5 - Структура МДП-фототранзистор.
При використанні в якості фотоприймачів МДП-транзисторів їх доцільно застосовувати в поєднанні з фотодиодом на основі pn переходу. Технологічно фотодіод і МДП-транзистор виготовляються на одній пластині напівпровідника і фотодіод підключається до джерела і затвору. Так як струм через затвор не протікає, то фотодіод працює в режимі генерації фотоЕДС [11]. При одночасному освітленні pn переходу і МДП-транзистора змінюється як напруга відсічення, так і фотонапряженіе pn-переходу. Фото ЕРС pn-переходу змінює потенціал затвора, тому змінюється струм в ланцюзі витік-стік.
Малюнок 2.6 - Структура (а) і еквівалентна схема (б) МДП-транзистора з фотодиодом на основі pn переходу.
МДП-фототранзистори є зручними фоточутливими елементами для створення багатоелементних фотоприймачів [2].
2.5 гетерофототранзістори
Гетерофототранзістори (рис. 3.4) засновані на принципі дії звичайного біполярного фототранзистора, але в них використовуються і всі достоїнства гетероструктур: широкозонні емітерний і коллекторное вікна (що дозволяє створювати конструкції з прямою і зворотної - через товстий колекторний шар - засвіченням); тонка фотоактивного базова область, повністю поглинає впливає випромінювання; ідеальність гетерограніц, що перешкоджають просочуванню основних носіїв бази в колектор і нагромадженню їх у ньому. Все це веде до того, що гетерофототранзістори можуть мати не тільки високу чутливість в будь-якому заданому ділянці спектра, а й дуже високу швидкодію (в нано- та субнаносекундной діапазоні).
Однак гетерофототранзістори використовуються, як правило, лише в діодному включенні (так як висновок від вузької базової області зробити важко), що позбавляє їх схемотехнической гнучкості, властивої транзисторів. У міру вдосконалення і промислового розвитку ці прилади стануть "суперниками" ЛФД, вигідно відрізняючись від них низьким годує напругою, відсутністю жорстких вимог до стабілізації режиму роботи і іншими достоїнствами, властивими транзисторам.
Малюнок 2.7 - гетерофототранзістори
1-- n + -InP-емітер з кільцевих електродом;
2-- p-InGaAsP-база;
3-- n + -n-InP-колектор (підкладка).
Тонка фотоактивного базова область, обумовлена ідеальністю гетерограніц, забезпечує накопичення основних носіїв заряду в базі і відсутність просочування неосновних носіїв в емітер.
Малюнок 2.8 - Структура гетерофототранзістори.
Гетерофототранзістори мають високу фоточутливість і швидкодія (10 9 -10- 10 с), низька напруга живлення, можливість вибору спектральної області чутливості [5].
Але в той же час гетерофототранзістори використовується зазвичай в діодному включенні (висновок від вузької бази складно зробити), тому не повністю реалізуються схемотехнічні можливості фототранзистор.
2.5.1 Фізичні основи гетероперехода
Якщо n- і p-область переходу виготовлені з різних напівпровідників, то такий перехід називається гетеропереходів. Відмінність від звичайного переходу більш тонко в тому випадку, коли напівпровідники розчинність, а перехід плавний. Переходи останнього типу іноді називають "квазігомопереходамі". Таким чином, плавні переходи між n-ZnSe і p-ZnTe або між p-GaAs і n-GaР є квазігомопереходамі.
Малюнок 2.9 - інжекції неосновних носіїв в напівпровіднику
Однією з причин звернення до гетеропереході є можливість отримати високоефективну інжекції неосновних носіїв в вузькозонних напівпровідник, тобто суперінжекція, яка полягає в тому, що концентрація інжектованих в базу носіїв може на кілька порядків перевищити їх рівноважний значення в емітерний області (рис.2.9). Це означає, що прагнення отримати g = 1 в широкому інтервалі зміни прямого струму не накладає жодних обмежень на вид і концентрацію легуючої домішки в емітерний і базової областях - у розробника оптоелектронних приладів з'являється зайва "ступінь свободи" [17].
Це властивість гетеропереходів легко зрозуміти з розгляду рис.3.6. Коли пряме зміщення вирівнює валентну зону, дірки нжектіруются в n-область. Інжекції ж електронів з n-області в p-область перешкоджає бар'єр DE = Еg 1 - Еg 2 (рис. 2.10).
а) б)
Рісунок2.10 - Ідеальна зонная схема для гетероперехода.
а) - в умовах рівноваги; б) - при прямому зміщенні V
Очевидно, що в цьому випадку випромінювальна рекомбінація буде відбуватися в вузькозонних області. Так, в гетероперехідах GaAs - GaSb смуга інжекційно люмінесценції знаходиться при енергії 0,7 еВ, що дорівнює ширині забороненої зони GaSb. Оптичні властивості емітера і бази гетероструктури різняться можуть у широких межах змінюватися незалежно один від одного. Звідси, зокрема, випливає, що ширококутного емітер є "вікно" для більш довгохвильового випромінювання, що генерується (або поглинається) вузькозонних базою.
Крім того, відмінність в значеннях Еg веде і до різниці показників заломлення n, що породжує хвилеводний ефект, тобто концентрацію оптичної енергії в шарі з великим n при поширенні випромінювання уздовж шару [8].
Малюнок 2.11 - Зони розділу
На практиці гетеропереході притаманні недоліки, пов'язані з кордоном розділу: рівень Фермі виявляється фіксованим на кордоні через поверхневих станів. Тому замість рівного ходу до котроїсь із зон зазвичай має місце бар'єр типу Шоттки, як показано на рис. 3.8, Оскільки бар'єр Шотткі володіє випрямляючих дією, його присутність стає очевидним при розгляді nn-гетеропереходов - тобто переходів між двома різними напівпровідниками n-типу [7].
2.5.2 Розрахунок параметрів і характеристик фототранзистор на гетероперехідах
Параметри фототранзистор на гетероперехідах:
- ВАХ фототранзистор;
- Енергетичні характеристики;
- Спектральні характеристики;
- Граничний потік Ф n;
- виявляти здатність Д;
- Коефіцієнт посилення на фотострумів;
- Вольтова чутливість h e 13;
- Тонова чутливість;
- Струмова чутливість із загальним емітером;
Вихідні дані:
х 1 (GaAs) = 4,53 eB; х 1 (Ge) = 4,66 eB
ц 0 = 0,15 eB; р 0 = 10 14 см -3;
j 0 = 10 -12 A; n 0 = 10 15 см -3;
Т = 300 К; q = -1.6 × 10 19
Діелектрична постійна обчислюється за формулами:
в p-області (2.1)
в n-області (2.2)
На кордонах гетеропереходов при х = 0 має виконуватися умова нерозривності нормальної складової електричної індукції:
(2.3)
ц 1 (х) і ц 2 (х), х = 0 знаходимо
(2.4)
(2.5)
де
(2.6)
Повна контактна різниця потенціалів на кордоні гетеропереходов дорівнює відношенню:
ц 0 = ц 1 (0) + ц 1 (0) (2.7)
Тепер знайдемо товщину об'ємного заряду:
= 0,6 · 10 -7
= 0,145 · 10 -7
Тепер розрахуємо товщину об'ємного заряду:
L = Ln + Lp = 0,6 · 10 -7 + 0,145 · 10 -7 = 0,745 · 10 -7 см.
Вольтамперная характеристика гетероперехода
(2.8)
При І 0 = const, I = I 0 -зворотний зміщення.
При І 0? Const, I = I 0 - пряме зміщення.
Виходячи з отриманих результатів будуємо графік
Малюнок 2.12 - Вольтамперная характеристика фототранзистора
ВИСНОВКИ
В ході даної курсової роботи:
- були розглянуті загальні відомості і принцип роботи транзисторів;
- розрахована лінійна залежність струмів в транзисторі
- розглянуто принцип роботи фототранзистор, а також робота фототранзистор з загальним емітером
- розглянуті деякі види фототранзистор і принципи їх роботи
- розраховані деякі параметри приладу на гетероперехідах і побудована вольтамперная характеристика фототранзистора.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1.Єфімов І.Є., Козир І.Я. Основи мікроелектроніки. - 2-е изд., Перераб. і доп. - М .: Вища школа, 1983р. - 384 с.
2. Тугов Н.М., Глєбов Б.А., Чариков Н.А. Напівпровідникові прилади. - М .: Вища школа, 1990р. - 376 с.
3. Степаненко І.П. Основи мікроелектроніки. - М .: Сов. радіо, 1980р.
4. Напівпровідникові прилади: транзистори. Довідник. Під ред. Н. Н. Горюнова - М .: Вища школа, 1985р. - 404 с.
5. Федотов Я. А. Основи фізики напівпровідникових приладів. М., "Радянське радіо", 1970р. - 392 с.
6. Жеребцов І.П. Основи електроніки. - Вища школа, Ленінградське отд-ня, 1989р. - 352 с.
7. Єпіфанов Г.І. Фізичні основи мікроелектроніки М .: Сов. радіо, 1971 г. - 376 с.
8. Єфімов І. Е., Козир І. Я., Горбунов Ю. І. Мікроелектроніка. М .: Вища школа, 1987р. - 326 с.
9. Носов Ю. Р. Оптоелектроніка. М .: Радянське радіо, 1977г.- 232 с.
10. Пасинків В. В., Чиркин Л. К. Напівпровідникові прилади. М .: Вища школа, 1987р. 479 c.
11. бараночніка М .. Фототранзистори. Журнал «Радіо» № 6,7,8 - 1992 р
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 курсового проекту для студентів ЗДІА спеціальності «Фізична та біомедічна електроніка» денної та заочної форм навчання / Укл: З.А. Ніконова, О.Ю. Небеснюк ,, М.О. Літвіненко, Г.А. Слюсаревська. Запоріжжя, 2005. - 40с.
14. Зі С. Фізика напівпровідникових приладів: Пер. з англ. М .: Мир, 1984.
15. Батушев В. А. Електронні прилади. - М., "Вища школа" 1980.
16. Єфімов І.Є., Горбунов Ю.І., Козир І.Я. Мікроелектроніка. Проектування, види мікросхем, функціональна електроніка. - М .: Вища школа, 1987. - 416 с.
17. Федотов Я. А. Основи фізики напівпровідникових приладів. М., "Радянське радіо", 1970. - 392 с.
|