Фототранзисторы, виды, принцип работы

Что такое фототранзистор?

"Фототранзистор - это полупроводниковый прибор, который работает на основе фотоэффекта. Он состоит из полупроводникового кристалла, который может быть изготовлен из кремния, германия или других материалов..."

Полезные статьи:

Фотокатоды, характеристики, принцип работы

Фототок, свойства, принцип работы

Все статьи

 

Фототранзисторы - это фотоприемники на полупроводниковой основе. Необходимо отличать обычные биполярные устройства от полевых фототранзисторов (фотопереходов). 

Оба типа обсуждаются ниже, хотя первый гораздо более распространен. Фототранзисторы используются не так широко, как фотодиоды, при этом коммерчески доступные вариации не охватывают столь широкие области параметров с точки зрения диапазонов длин волн, квантовой эффективности, активной площади, полосы обнаружения и т.д.

Принцип работы фототранзистора

Принцип работы фототранзистора заключается в том, что при попадании света на поверхность кристалла, электроны в его структуре начинают двигаться быстрее, создавая ток. Этот ток можно использовать для управления различными электронными устройствами, такими как реле, светодиоды и т.д.

Фототранзисторы могут быть использованы для создания фотодатчиков, которые используются в системах автоматического управления, робототехнике, медицинской диагностике и других областях. Они также могут быть использованы в качестве компонентов в светодиодных лампах, солнечных батареях и других электронных устройствах.

Принцип работы фототранзистора заключается в следующем:

1. Когда на фототранзистор попадает свет, он начинает генерировать электроны и дырки в полупроводнике, которые начинают двигаться под действием электрического поля.

2. Эти электроны и дырки создают электрический ток, который проходит через эмиттерный переход, создавая напряжение на эмиттере и коллекторе.

3. Коллектор имеет большую площадь, чем эмиттер, что позволяет ему собирать больше электронов, создавая больший ток.

4. Этот ток может быть использован для управления другими электронными устройствами, такими как реле или светодиоды.

5. Фототранзисторы могут быть использованы для создания фотоэлементов, которые преобразуют свет в электричество, что может быть использовано для питания электронных устройств или для зарядки аккумуляторов.

Включение фототранзистора

Фототранзистор - это электронный прибор, который преобразует световое излучение в электрический сигнал. Он состоит из трех основных элементов: фоточувствительного элемента, транзистора и цепи обратной связи.

Когда фоточувствительный элемент (обычно кремниевый фотодиод) поглощает свет, он генерирует электрический заряд, который затем передается на транзистор. Транзистор усиливает этот заряд и передает его на цепь обратной связи, которая может быть использована для управления другими устройствами или для создания сигнала.

Процесс включения фототранзистора происходит следующим образом:

1. Подключите источник питания к фототранзистору. Обычно фототранзисторы питаются от напряжения 5 В или 12 В.

2. Подключите входной сигнал к базе фототранзистора. Входной сигнал может быть светом, звуком или другим физическим сигналом.

3. Проверьте, что входной сигнал соответствует диапазону, который может обработать фототранзистор. Обычно это от 0 до 5 В для аналоговых входов и от 0 до 32767 для цифровых входов.

4. Проверьте, что фототранзистор находится в правильной ориентации. Фототранзисторы могут быть ориентированы как на свет, так и на темноту.

5. Запустите входной сигнал и проверьте, что выходной сигнал фототранзистора изменяется в соответствии с входным сигналом.

3. После этого фототранзистор начнет генерировать электрический сигнал, который усиливается транзистором и передается на выход.

4. Выходной сигнал можно использовать для управления другими электронными устройствами, такими как реле или микроконтроллер.

5. Для выключения фототранзистора нужно просто отключить напряжение питания и сигнал на входе.

Характеристики фототранзистора

Выбор фототранзистора может основываться на ряде параметров и спецификаций.

Ток коллектора

Является мерой чувствительности фототранзистора. Он описывает максимально допустимую токовую нагрузку в коллекторе и измеряется в миллиамперах (мА) или амперах (А). Ток, превышающий этот параметр, может привести к повреждению фототранзистора. 

Пиковая длина волны

Это значение длины волны, при котором фототранзистор наиболее чувствителен. Он измеряется в нанометрах (нм). Фототранзисторы реагируют на свет в широком диапазоне длин волн от флуоресцентных источников света или источников света с лампами накаливания.

Они работают лучше всего в сочетании с инфракрасными (ИК) светодиодными источниками света. Это связано с тем, что фототранзисторы имеют пиковую спектральную характеристику в ближнем ИК-диапазоне при длине волны около 840 нм.

Напряжение пробоя коллектор-эмиттер

Это максимальное напряжение, допустимое между коллектором и эмиттером. Превышение максимального напряжения может привести к необратимому повреждению фототранзистора.

• Напряжение пробоя сборного эмиттера обычно находится в диапазоне от 20 В до 50 В.
• Напряжение пробоя эмиттера-коллектора обычно составляет от 4 В до 6 В.

Темновой ток

Это небольшое количество тока, которое может протекать через фототранзистор, даже если он не подвергается воздействию света.

Темновой ток - это термически генерируемый ток утечки коллектора-эмиттера. Это предотвращает то, что устройство когда-либо будет считаться полностью «выключенным». Темновой ток увеличивается с температурой и измеряется в миллиамперах (мА).

Рассеиваемая мощность фототранзистора, измеряемую в ваттах или милливаттах (мВт). Фактическое рассеивание определяется умножением напряжения на транзисторе и тока через коллектор. Обычно указывается внешняя температура окружающей среды 25 ° C. 

Время нарастания и спада

Являются мерами скорости отклика фототранзистора. И то, и другое выражается в наносекундах (нс).

• Время нарастания — необходимое для увеличения формы импульсного сигнала с 10% до 90% от его максимального значения.
• Время падения — необходимое для падения производительности с 90% до 10%.

Виды фототранзистров

Обозначение фототранзистора

Фототранзистор обозначается как FET (Field Effect Transistor) или CCT (Compound Semiconductor Transistor).

Обозначение фототранзисторов может различаться в зависимости от производителя и модели. Однако, обычно фототранзистор обозначается как "Q" с добавлением номера, например, "Q1", "Q2", и т.д.

Если фототранзистор имеет несколько выводов, то они могут быть обозначены как "1", "2", "3", и т.д., с добавлением буквы "E" для эмиттера, "C" для коллектора и "B" для базы. Например, обозначение фототранзистора с тремя выводами может быть "Q3EBC".

Светодиод-фототранзистор

Светодиод-фототранзистор (LED-phototransistor) - это комбинация светодиода и фототранзистора, которая используется в различных электронных устройствах для контроля света.

Светодиод - это полупроводниковый прибор, который преобразует электрический ток в свет. Светодиоды широко используются в качестве индикаторов на различных устройствах, таких как мобильные телефоны, компьютеры, телевизоры и т.д.

Фототранзистор - это полупроводниковый элемент, который имеет свойство изменять свое сопротивление в зависимости от интенсивности света, падающего на его поверхность. Фототранзисторы используются для измерения уровня света или для управления различными электронными устройствами.

Сочетание светодиода и фототранзистора позволяет создать устройство, которое может контролировать уровень света на определенном участке. Когда свет попадает на фототранзистор, он изменяет свое сопротивление, что приводит к изменению тока, протекающего через светодиод. Это изменение тока может быть использовано для управления другими электронными устройствами, такими как реле или микроконтроллеры.

В целом, светодиод-фототранзистор является очень полезным элементом в электронных устройствах, так как он позволяет контролировать уровень света и использовать его для управления другими компонентами.

Биполярные фототранзисторы

Принцип действия, повышенная чувствительность

Биполярный фототранзистор - это, по сути, электронная транзисторная структура, в которой свет извне может попадать на переход база–коллектор. Созданные электрические носители вводятся в базу, таким образом, оказывая эффект, аналогичный току базы, вводимому по проводу в обычном транзисторе. Результирующий ток коллектора демонстрирует существенное усиление, легко в 100 или более раз.

Чувствительность устройства соответственно выше, чем у фотодиода. Однако это не обязательно приводит к более высокой чувствительности обнаружения, т.е. к более низкой мощности, эквивалентной шуму, поскольку шум фототока также усиливается. То же самое относится к темновому току, протекающему даже без какого-либо падающего света.

Полоса пропускания обнаружения

Существенным недостатком концепции фототранзистора является то, что это обычно приводит к существенно более низкой скорости (полосе обнаружения), ограниченной электрической емкостью соединения коллектор–база. Типичное время нарастания и спада составляет порядка нескольких микросекунд.

Спектральные области

Фототранзисторы могут быть основаны на различных полупроводниковых материалах, таких как германий, кремний и арсенид галлия. Из-за их разной энергии запрещенной зоны они могут использоваться в разных областях с длиной волны – аналогично фотодиодам на основе тех же материалов.

Обратите внимание, что обычный транзистор также был бы светочувствительным, если бы он не был оснащен непрозрачным корпусом. Однако фототранзисторы - это не просто обычные транзисторы с прозрачным корпусом; они имеют дополнительно оптимизированные структуры, например, для эффективного освещения перехода коллектор–база.

Два или три контакта, электрические схемы

В большинстве случаев фототранзистор имеет только два вывода (для эмиттера и коллектора), но существуют также устройства с дополнительным базовым выводом. Первый тип может использоваться в электронных схемах того же типа, что и фотодиоды, например, просто последовательно с резистором, подключенным к постоянному напряжению. 

Результирующее падение напряжения на резисторе в этом случае приблизительно пропорционально интенсивности падающего света. Однако использование транзисторного усилителя обеспечивает лучшую производительность.

Если имеется дополнительный вывод базы, его можно подключить через дополнительный резистор к эмиттеру. Приложенное сопротивление влияет как на чувствительность, так и на темновой ток.

Линейность и температурная зависимость

Линейность отклика (фототок против интенсивность света) фототранзистора существенно менее точна, чем у фотодиода, поскольку коэффициент усиления фототранзистора зависит от тока коллектора.

Фототок также имеет существенно более высокую температурную зависимость, чем для фотодиода, поскольку коэффициент усиления транзистора зависит от температуры.

Фотодарлингтоны

Для еще более высокой чувствительности существуют фотодарлингтоны. По аналогии с обычными транзисторами Дарлингтона, имеется дополнительный внутренний транзистор для дальнейшего умножения тока. К сожалению, пропускная способность таких устройств еще больше снижается. Время нарастания и спада обычно составляет от десятков до сотен микросекунд.

Сравнение с лавинными фотодиодами

Лавинные фотодиоды также обладают существенно повышенной чувствительностью и в этом смысле похожи на фототранзисторы. Однако принцип действия совершенно иной. В лавинообразных фотодиодах используется умножение несущей из-за лавинообразного увеличения несущей в области истощения, а не усиление, подобное транзисторам. 

Для этого требуются значительно более высокие рабочие напряжения, а коэффициент умножения довольно чувствительно зависит от рабочего напряжения. Кроме того, полоса пропускания обнаружения может быть намного выше. В отличие от этого, фототранзисторы могут работать при напряжении всего в несколько вольт, и зависимость чувствительности от напряжения возбуждения не такая сильная.

Фототранзисторы с эффектом поля

Полевые фототранзисторы - это транзисторы, которыми можно управлять с помощью света. Их принципы работы и эксплуатационные характеристики существенно отличаются от таковых у биполярных фототранзисторов. Вентилю такого устройства по существу не требуется ток возбуждения, только напряжение возбуждения. 

Это напряжение не обязательно обеспечивается за счет фотоэлектрического эффекта в устройстве; можно также использовать болометрические эффекты, то есть эффекты нагрева. На основе таких принципов были реализованы очень чувствительные инфракрасные детекторы.

Применение фототранзисторов

Фототранзисторы привлекательны для применений, где интерес представляет более высокая чувствительность по сравнению с чувствительностью фотодиода, в то время как возможные недостатки с точки зрения полосы пропускания и линейности обнаружения не имеют существенного значения. Это может иметь место, например, для некоторых оптоизоляторов и детекторов световых завес.

Приложения

Фототранзисторы могут использоваться для обнаружения света в ряде приложений:

• Мониторинг положения бумаги и контроль полей в принтерах и копировальных аппаратах
• Детектирование в охранных системах
• Измерение скорости и направления в энкодерах
• Дистанционное считывание показаний бытовых электросчетчиков
• Подсчет монет или других предметов
• Пульты дистанционного управления аудиовизуальным оборудованием и приборами
• Управление затвором для фотоаппаратов
• Обнаружение защитных экранов и других систем защиты

А также:

• Системы контроля качества – применяются в системах контроля качества, чтобы определять качество материалов или изделий.
• Медицина – используются в медицинских устройствах для контроля состояния пациента.
• Промышленная автоматизация – применяются в промышленной автоматизации для управления освещением, контроля доступа и других задач.

В целом, фототранзисторы являются важными элементами в современной электронике и находят широкое применение в различных отраслях.