Werkbeginsel van Fotodiodes en Fototransistors
Die ontwikkeling van moderne elektroniese tegnologie steun sterk op sensortoestelle wat lig kan "sien" en dit in elektriese seine kan omskakel. Die twee mees gebruikte komponente vir hierdie doel is fotodiodes en fototransistors. Beide behoort tot die familie van ligsensitiewe halfgeleiers, wat wyd gebruik word in outomatiseringstelsels, optiese kommunikasie, meetinstrumente en verbruikerstoestelle soos afstandbeheerders, drukkers en ligsensors in selfone. Alhoewel beide op lig reageer, het fotodiodes en fototransistors verskillende bedryfsbeginsels, eienskappe en toepassings. Hierdie artikel bespreek hul werksbeginsels in diepte, vergelyk hulle en gee voorbeelde van hul toepassings.
-
1. Basiese beginsels van ligwaarneming in halfgeleiers
Om fotodiodes en fototransistors te verstaan, moet ons die sleutelkonsep van halfgeleiers onthou: ladingdraers, elektrone en gate. Wanneer lig (fotone) 'n halfgeleiermateriaal tref, aktiveer hulle elektrone, wat veroorsaak dat hulle van die valensband na die geleidingsband beweeg. Hierdie proses skep elektron-gat-pare. Hoe meer fotone geabsorbeer word, hoe meer ladingdraerpare word gevorm, wat die hoeveelheid stroom wat kan vloei, verhoog.
Die kernpunt is: lig veroorsaak veranderinge in die elektriese eienskappe van komponente. Hierdie veranderinge kan in die vorm van 'n toename in stroom, 'n afname in weerstand of die verskyning van 'n spanning wees. In fotodiodes en fototransistors word die primêre verandering in die stroom gesien.
-
2. Werkbeginsel van Fotodiode
a. Struktuur en Werkwyse
'n Fotodiode is in wese 'n PN-diode (of variasies soos PIN- en lawine-fotodiodes) wat ontwerp is om sensitief vir lig te wees. Die PN-struktuur vorm 'n uitputtingsgebied, 'n gebied sonder vrye ladingsdraers wat soos 'n gelaaide "skeidingsone" optree.
Fotodiodes kan in verskeie modusse werk, maar die mees algemeen gebruikte is:
1. Fotogeleidende modus (omgekeerde voorspanning)
Die fotodiode is omgekeerd voorgespan. Die uitputtingsgebied word wyer, die reaksie word vinniger, die kapasitansie neem af, en die lineariteit is oor die algemeen goed. Hierdie modus is baie algemeen vir sensors en optiese kommunikasie.
2. Fotovoltaïese modus (geen vooroordeel/nul vooroordeel)
Fotodiodes word nie ekstern bevooroordeel nie. Inkomende lig produseer 'n spanning soortgelyk aan 'n sonsel, alhoewel 'n kleiner een. Dit het die voordeel van laer geraas, wat dit geskik maak vir sekere metings, maar die reaksie kan stadiger wees as omgekeerde voorspanning.
b. Meganisme van omskakeling van lig in stroom
Wanneer die fotodiode aan lig blootgestel word:
1. Fotone word in die uitputtingsgebied of naby die aansluiting geabsorbeer.
2. 'n Elektron-gat-paar word gevorm.
3. Elektriese veld intern by die aansluiting skei die paar:
– Elektrone word na die N-kant gestoot
– Gat na P-kant gestoot
4. Hierdie ladingskeiding produseer 'n fotostroom.
Die totale uitvloei is gewoonlik 'n kombinasie van:
– Donkerstroom: 'n klein stroom wat selfs sonder lig vloei (as gevolg van termiese effekte).
– Fotostroom: stroom wat eweredig is aan ligintensiteit.
Eenvoudig gestel, hoe helderder die lig → hoe groter die fotostroom.
c. Eienskappe van Fotodiodes
Enkele belangrike eienskappe van fotodiodes sluit in:
– Vinnige reaksie (geskik vir hoëfrekwensie seine)
– Lineêre tot ligintensiteit oor 'n sekere reeks
– Die uitsetstroom is relatief klein in vergelyking met 'n fototransistor, daarom benodig dit dikwels 'n versterker (operasionele versterker/transimpedansieversterker)
– Geraas en donkerstroom is belangrike faktore in presisietoepassings.
-
3. Werkbeginsel van Fototransistor
a. Basiese Struktuur van 'n Fototransistor
'n Fototransistor is in wese 'n BJT (gewoonlik NPN) transistor waarvan die basis liggevoelig gemaak is. In 'n fototransistor tree lig op as 'n "basisstroom" wat die kollektor-emitterstroom beheer.
Anders as fotodiodes, wat stroom direk vanaf die fotoneffek genereer, gebruik fototransistors die transistor se wins. As gevolg van die wins kan die fototransistor se uitsetstroom baie groter wees.
b. Werkmeganisme: Lig as 'n plaasvervanger vir basisstroom
Hoe dit werk, kan soos volg verduidelik word:
1. Lig tref die basis-kollektor-area (gewoonlik die BC-aansluiting).
2. Elektron-gat pare word gevorm as gevolg van fotonabsorpsie.
3. Hierdie effek produseer 'n klein stroom gelykstaande aan die fotobasisstroom.
4. In 'n BJT-transistor is die kollektorstroom ongeveer:
\[
I_C \ongefeer β \cdot I_B
\]
Aangesien \(I_B \) deur lig "gemaak" word, sal lig \(I_C \) beheer.
Gevolglik kan klein veranderinge in ligintensiteit groter veranderinge in kollektorstroom veroorsaak as in 'n fotodiode, as gevolg van die versterkingsfaktor β.
c. Kringmodus en Implementering
Fototransistors word dikwels in die volgende modusse gebruik:
– Gemeenskaplike emitter: kollektor na spanning deur 'n weerstand, uitset by die kollektor. Wanneer dit aan lig blootgestel word, is die transistor meer "AAN", die uitsetspanning verander.
– Gemeenskaplike kollektor (emittervolger): uitset by die emitter, nuttig vir sekere maar minder algemeen in eenvoudige sensors.
Soms word die basispen van fototransistors verwyder (3-pen), maar baie het ook slegs 2-pen (die interne basis is nie toeganklik nie).
d. Eienskappe van Fototransistors
– Meer sensitief (groter uitsetstroom)
– Stadiger as fotodiodes as gevolg van die ladingbergingsproses en transistordinamika
– Is geneig om minder lineêr te wees onder sommige toestande, veral naby versadiging
– Geskik vir lig/donker-opsporing, voorwerpwaarneming, optokoppelaars, omwentelingstellers en eenvoudige beheertoepassings.
-
4. Vergelyking van fotodiode teenoor fototransistor
Hier is 'n opsomming van die belangrikste verskille:
1. Reaksiespoed
– Fotodiode: baie vinnig (goed vir optiese kommunikasie, vinnige modulasie)
– Fototransistor: stadiger (voldoende vir algemene sensors)
2. Sensitiwiteit / versterking
– Fotodiode: klein stroom, benodig dikwels versterking
– Fototransistor: groter stroom as gevolg van transistorwins
3. Lineariteit
– Fotodiodes: oor die algemeen meer lineêr
– Fototransistor: kan nie-lineêr wees, maklik versadig
4. Reeks
– Fotodiode: benodig dikwels 'n stroom-tot-spanning versterkerkring
– Fototransistor: kan direk met 'n eenvoudige lasweerstand gebruik word
5. Toepassing
– Fotodiodes: veseloptiese kommunikasie, presisiesensors, gekalibreerde ligmeting
– Fototransistors: objekdetektors, lynsensors, optokoppelaars, ligskakelaars
-
5. Voorbeelde van toepassings in die werklike lewe
1. Optokoppelaar
Baie optokoppelaars gebruik fototransistors omdat die uitsetsein groot genoeg moet wees om digitale of skakelstroombane aan te dryf.
2. Infrarooi ontvanger
In IR-ontvangers (afstandbeheerders) word fotodiodes of fotodiode-gebaseerde IR-ontvangermodules met interne versterkers dikwels gebruik omdat hulle 'n vinnige reaksie op modulasie benodig (bv. 38 kHz).
3. Lynsensor op die robot
Fototransistors word dikwels saam met IR LED's as senders gebruik om ligrefleksies van swart/wit oppervlaktes te lees.
4. Ligintensiteitsmeter
Fotodiodes is meer geskik vir toestelle wat intensiteitsakkuraatheid en lineariteit vereis.
-
6. Gevolgtrekking
Fotodiodes en fototransistors skakel albei lig om in elektriese seine, maar hulle werk met verskillende benaderings. Fotodiodes gebruik die vorming van elektron-gat-pare by die PN-aansluiting om 'n vinnige en relatief lineêre fotostroom te genereer, wat hulle ideaal maak vir hoëspoed-toepassings en presisiemetings. Fototransistors, aan die ander kant, gebruik die effekte van lig om die basisstroom te "vervang" en dit dan te versterk deur die transistor se versterking, wat hulle meer sensitief en makliker maak om in eenvoudige stroombane te gebruik, hoewel hulle tipies stadiger en minder lineêr is.
Deur te verstaan hoe beide werk, kan ons die regte komponente vir ons behoeftes kies: of ons nou op soek is na spoed en akkuraatheid (fotodiodes) of sensitiwiteit en eenvoud (fototransistors). Wanneer dit korrek gebruik word, is albei noodsaaklike fondamente van moderne optiese sensorstelsels .
