Библиографическое описание:

Тураев А. А., Хайдаров Р. М., Хожиев Ж. Ж. Фотовольтаический эффект в диодном режиме включения полевого транзистора // Молодой ученый. — 2015. — №23. — С. 40-43.

 

В работе приведены результаты исследования полевого фототранзистора при диодном включении в качестве фотопреобразователя. Экспериментально показано, что при интенсивностях освещения до 200 лк наблюдается фотовольтаический эффект с характерной линейной зависимостью тока короткого замыкания и напряжения холостого хода, которые при больших интенсивностях освещения сменяются суперлинейной зависимостью.

 

Повышение потока информации и улучшение параметров линий передачи стало возможным благодаря развитию оптических методов передачи и приема информации и систем их питания. В области разработки энергетических установок и их элементной базы, а также в области разработки систем управления питанием больших мощностей достигнуты существенные результаты. Однако проблемам разработки микромощных источников и устройств уделяется сравнительно мало внимания [1].

В этом аспекте представляет интерес разработка и исследование фотоприемных устройств, которые могут использоваться в системах слежения за Солнцем, в качестве микрофотоэлементов для питания экономичных сенсорных устройств и тиристорных переключателей. В их числе фотовольтаические диоды, микромощные фотопреобразователи, а также фототранзисторы.

Фототранзистор можно представить в виде эквивалентного фотодиода и биполярного усилительного транзистора. Сравнительная оценка параметров фототранзисторов показывает, что наибольшая чувствительность достигается у составного фототранзистора, а максимальное быстродействие при хорошей чувствительности у структуры фотодиод — биполярный транзистор (ФД — БТ) [2].

Аналогично полевой фототранзистор тоже эквивалентен фотодиоду затвор-канал и усилительному полевому транзистору с управляющим р-n-переходом. В обоих фототранзисторах решающим является диодный р-n-переход: коллектор-база и затвор-исток, соответственно. В свою очередь, как биполярный, так и полевой транзистор можно использовать в диодном включении, рис. 1. При этом путем соответствующего диодного включения биполярного транзистора можно получить наибольшее быстродействие или в отдельно взятом переходе база-коллектор, большее рабочее напряжение по сравнению с переходом коллектор-эмиттер [3]. Аналогичным образом можно поступить и с полевыми транзисторами.

Рис. 1. Схемы диодного включения (а) биполярного транзистора (а-Б-К; b-Б-Э; с-БК-Э; d-БЭ-К; e-Б-ЭК) и (б) полевого транзистора (а-С-И; b-С-ЗИ; c-С-З; d-З-И; e-З-СИ)

 

Использование фототранзисторов в диодном включении открывает возможность для их применения в фотодиодном и фотогальваническом режимах.

Фотодиодный режим используется для получения усиленного полезного сигнала. Вентильный режим позволяет получить полную световую добавку тока в режиме тока короткого замыкания и обладает определенными преимуществами по сравнению с фотодиодным. Во-первых, отсутствие источников питания и, во-вторых, чрезвычайно низкий уровень шумов. Весьма малая величина шумов в вентильном режиме (существенно меньшая, чем в фотодиодном) обусловлена в основном тем, что в этом режиме темновой ток равен нулю, в то время как в фотодиодном режиме этот ток имеет значительную величину, флуктуации которого (из-за нестабильности контактов и т. п.) ответственны за шумы [4].

В настоящей работе приводятся результаты исследования кремниевого полевого фототранзистора при диодном включении в фотовольтаическом режиме, то есть без подачи рабочего напряжения.

Исследуемые полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом получены на подложках кремния р-типа проводимости с концентрацией носителей 1·10см, толщиной 200 мкм. Канал n-типа проводимости сформирован эпитаксиальным наращиванием из газовой фазы плёнки кремния с концентрацией носителей 2·10см толщиной 1÷2 мкм. Геометрии контактов стока и истока Ш-образные с шириной 12 мкм. Длина канала — расстояние между контактами стока и истока равна 25 мкм. Ширина канала составляет 1000 мкм. Фоточувствительная площадь составляет 0.025 мм.

Стоковые вольтамперные характеристики имеют типичный вид. Ток стока насыщается при напряжении 2 В. С увеличением запирающего напряжения, ток стока уменьшается и в интервале напряжений от 0.6 до 3.0 В наступает отсечка канала, а максимальный ток стока составляет 1.85÷2 мА. Передаточные характеристики в темноте описываются квадратичной зависимостью [5]. То есть, в координатах корень из темнового тока стока от запирающего напряжения дает прямую линию. Максимальная крутизна вольтамперной характеристики составляет =3.2 мА/В.

Зависимости спектральной чувствительности фототока короткого замыкания и напряжения холостого хода, от длины волны монохроматического излучения, начиная с 0.65 мкм, приобретают нарастающий характер и достигают максимума при 1.0 мкм и затем уменьшаются до минимума при 1.2 мкм, рис. 2.

Рис. 2. Зависимости спектральной чувствительности фототока короткого замыкания и напряжения холостого хода от длины волны

 

Соответственно, как показано на рис. 3 при подсветке канальной области интегральным излучением от вольфрамовой лампы с максимумом при =860 мкм появляется фототок. При нулевом смещении на затворе и рабочем напряжении U=3.0 В фоточувствительность (отношение приращения тока стока от освещения к интенсивности излучения) имея максимум при малой освещенности уменьшается от 0,0005 мА/лк до 0,00015 мА/лк при Ф=400 лк, что находится на уровне чувствительности фототранзисторных структур на основе кремния [6]. То есть, данный полевой транзистор является эффективным для приема слабых оптических сигналов в диапазоне спектра от 0.7 до 1.1 мкм.

На рис. 3 приведена зависимость тока короткого замыкания от интенсивности освещения. Как видно из рисунка фототок короткого замыкания, в отличие от фотодиодных структур с двумя барьерами Шоттки, вместо спада [7], увеличивается линейно вплоть до освещенностей 600 лк и далее наблюдается его нелинейный рост.

Рис. 3. Зависимость тока короткого замыкания от интенсивности освещения

 

Рис. 4. Зависимость напряжения холостого хода от интенсивности освещения

 

Склонность к суперлинейной зависимости тока короткого замыкания от освещенности, по-видимому, можно объяснить с особенностями генерации фотоносителей в тонкопленочном эпитаксиальном канале от интенсивности освещения.

Так, по мере увеличения интенсивности освещения увеличивается глубина поглощения излучения, а контактная разность потенциалов р-n-перехода (диффузионный потенциал которого полностью расположен в n-слое) будет уменьшаться, приводя к увеличению толщины проводящей части канала — n-слоя. Это в свою очередь приведет к увеличению концентрации генерированных фотоносителей пропорционально интенсивности освещения и уменьшению сопротивления канала (толщиной 1–2 мкм) обуславливая суперлинейную зависимость люксамперной характеристики.

Заключение

Исследуемый полевой фототранзистор при диодном включении в качестве фотовольтаического приемника имеет участки линейной зависимости тока короткого замыкания и напряжения холостого хода при интенсивностях освещения до 200 лк, что открывает возможность для его использования в качестве фотовольтаического приемника оптических сигналов. При освещенностях свыше 500 лк обнаружено стремление к суперлинейной зависимости тока короткого замыкания от интенсивности освещения и прирост напряжения холостого хода в отличие от классического кремниевого фотоэлемента, что связано с особенностями генерации фотоносителей в тонкопленочном эпитаксиальном канале от интенсивности освещения.

 

Литература:

 

  1. R.J. M. Vullers, R. van Schaijk, I. Doms, C. Van Hoof, R. Mertens / Micropower energy harvesting. Solid-State Electronics, V.53, 2009, pp.684–693.
  2. Ишанин Г. Г., Панков Э. Д., Андреев А. Л., Польщиков Г. В. Источники и приемники излучения. Санкт-Петербург “Политехника” -1991, -С. 125–133.
  3. Диодное включение биполярного транзистора. http://www.kolbasers.ru/agregat/224/79/index.shtml.
  4. Аксененко М. Д. и др. Микроэлектронные фотоприемные устройства. М.: Энергоатомиздат, 1984.- 209 с.
  5. Sze S. M., Kwok K. Ng. Physics of Semiconductor Devices. Hoboken–New Jersey: Wiley-Interscience, -2007, -3rd ed., -P. 94.
  6. Вартанян С. П. Оптоэлектронные приборы и устройства в полиграфии. Московскийгосударственныйуниверситетпечати. 2000, 187 с.
  7. Karimov A. V., Yodgorova D. M., Kamanova G. O. Photovoltaic silicon structures with two Schottky barriers. Applied solar energy. -2013, -V.49, -№ 2, -pp.67–89.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle