Funktionsprincip for fotodioder og fototransistorer
Udviklingen af moderne elektronisk teknologi er i høj grad afhængig af sensorer, der er i stand til at "se" lys og konvertere det til elektriske signaler. De to mest almindeligt anvendte komponenter til dette formål er fotodioder og fototransistorer. Begge tilhører familien af lysfølsomme halvledere, der er meget udbredt i automatiseringssystemer, optisk kommunikation, måleinstrumenter og forbrugerenheder såsom fjernbetjeninger, printere og lyssensorer i mobiltelefoner. Selvom begge reagerer på lys, har fotodioder og fototransistorer forskellige driftsprincipper, egenskaber og anvendelser. Denne artikel diskuterer deres arbejdsprincipper i dybden, sammenligner dem og giver eksempler på deres anvendelser.
—
1. Grundlæggende om lysregistrering i halvledere
For at forstå fotodioder og fototransistorer skal vi huske nøglebegrebet halvledere: ladningsbærere, elektroner og huller. Når lys (fotoner) rammer et halvledermateriale, aktiverer de elektroner, hvilket får dem til at bevæge sig fra valensbåndet til ledningsbåndet. Denne proces skaber elektron-hul-par. Jo flere fotoner der absorberes, jo flere ladningsbærerpar dannes, hvilket øger mængden af strøm, der kan flyde.
Hovedpointen er: lys udløser ændringer i komponenternes elektriske egenskaber. Disse ændringer kan være i form af en stigning i strøm, et fald i modstand eller forekomsten af en spænding. I fotodioder og fototransistorer ses den primære ændring i strømmen.
—
2. Fotodiodens arbejdsprincip
a. Struktur og driftsform
En fotodiode er i bund og grund en PN-diode (eller variationer som PIN- og lavinefotodioder) designet til at være lysfølsom. PN-strukturen danner et udtømningsområde, et område uden frie ladningsbærere, der fungerer som en ladet "separationszone".
Fotodioder kan fungere i flere tilstande, men de mest almindeligt anvendte er:
1. Fotoledende tilstand (omvendt bias)
Fotodioden er omvendt forspændt. Udtømningsområdet udvides, responsen bliver hurtigere, kapacitansen falder, og lineariteten er generelt god. Denne tilstand er meget almindelig for sensorer og optisk kommunikation.
2. Fotovoltaisk tilstand (ingen bias/nul bias)
Fotodioder er ikke eksternt forspændte. Indkommende lys producerer en spænding svarende til en solcelle, omend en mindre en. Dette har den fordel, at det har lavere støj, hvilket gør det egnet til visse målinger, men responsen kan være langsommere end omvendt forspænding.
b. Mekanisme til at omdanne lys til strøm
Når fotodioden udsættes for lys:
1. Fotoner absorberes i udtømningsområdet eller nær forbindelsen.
2. Et elektron-hul-par dannes.
3. Det indre elektriske felt ved overgangen adskiller parret:
– Elektroner skubbes til N-siden
– Hullet skubbet til P-siden
4. Denne ladningsseparation producerer en fotostrøm.
Den samlede udstrømning er normalt en kombination af:
– Mørkestrøm: en lille strøm, der flyder selv uden lys (på grund af termiske effekter).
– Fotostrøm: Strøm, der er proportional med lysintensiteten.
Enkelt sagt, jo lysere lyset er → desto større er fotostrømmen.
c. Fotodioders egenskaber
Nogle vigtige egenskaber ved fotodioder inkluderer:
– Hurtig respons (egnet til højfrekvente signaler)
– Lineær til lysintensitet over et bestemt område
– Udgangsstrømmen er relativt lille sammenlignet med en fototransistor, så den kræver ofte en forstærker (operationsforstærker/transimpedansforstærker)
– Støj og mørkestrøm er vigtige faktorer i præcisionsapplikationer.
—
3. Fototransistorens arbejdsprincip
a. Grundlæggende struktur af en fototransistor
En fototransistor er i bund og grund en BJT-transistor (normalt NPN), hvis base er lavet lysfølsom. I en fototransistor fungerer lys som en "basestrøm", der styrer kollektor-emitterstrømmen.
I modsætning til fotodioder, som genererer strøm direkte fra fotoneffekten, udnytter fototransistorer transistorens forstærkning. På grund af forstærkningen kan fototransistorens udgangsstrøm være meget større.
b. Virkemåde: Lys som erstatning for basisstrøm
Hvordan det fungerer kan forklares som følger:
1. Lys rammer base-kollektor-området (normalt BC-forbindelsen).
2. Elektron-hul-par dannes på grund af fotonabsorption.
3. Denne effekt producerer en lille strøm svarende til fotobasestrømmen.
4. I en BJT-transistor er kollektorstrømmen omtrent:
\[
I_C \approx \beta \cdot I_B
\]
Da \(I_B \) er "skabt" af lys, vil lys kontrollere \(I_C \).
Som følge heraf kan små ændringer i lysintensiteten forårsage større ændringer i kollektorstrømmen end i en fotodiode på grund af forstærkningsfaktoren β.
c. Kredsløbstilstand og implementering
Fototransistorer bruges ofte i følgende tilstande:
– Fælles emitter: Kollektor til spænding gennem en modstand, udgang ved kollektoren. Når transistoren udsættes for lys, er den mere "ON", og udgangsspændingen ændres.
– Fælles kollektor (emitterfølger): udgang ved emitteren, nyttig i visse tilfælde, men mindre almindelig i simple sensorer.
Nogle gange har fototransistorer basebenet fjernet (3-benet), men mange har også kun 2-benet (den interne base er ikke tilgængelig).
d. Karakteristika for fototransistorer
– Mere følsom (større udgangsstrøm)
– Langsommere end fotodioder på grund af ladningslagringsprocessen og transistordynamikken
– Har tendens til at være mindre lineær under visse forhold, især nær mætning
– Velegnet til lys/mørke-detektion, objektregistrering, optokoblere, omdrejningstællere og simple styringsapplikationer.
—
4. Sammenligning af fotodiode vs. fototransistor
Her er en oversigt over de vigtigste forskelle:
1. Reaktionshastighed
– Fotodiode: meget hurtig (god til optisk kommunikation, hurtig modulation)
– Fototransistor: langsommere (tilstrækkelig til generelle sensorer)
2. Følsomhed / forstærkning
– Fotodiode: lille strøm, kræver ofte forstærkning
– Fototransistor: større strøm på grund af transistorforstærkning
3. Linearitet
– Fotodioder: generelt mere lineære
– Fototransistor: kan være ikke-lineær, let mættet
4. Serie
– Fotodiode: kræver ofte et strøm-til-spændings forstærkerkredsløb
– Fototransistor: kan bruges direkte med en simpel belastningsmodstand
5. Anvendelse
– Fotodioder: fiberoptisk kommunikation, præcisionssensorer, kalibreret lysmåling
– Fototransistorer: objektdetektorer, linjesensorer, optokoblere, lyskontakter
—
5. Eksempler på anvendelser i det virkelige liv
1. Optokobler
Mange optokoblere bruger fototransistorer, fordi udgangssignalet skal være stort nok til at drive digitale kredsløb eller switching-kredsløb.
2. Infrarød modtager
I IR-modtagere (fjernbetjeninger) anvendes ofte fotodioder eller fotodiodebaserede IR-modtagermoduler med interne forstærkere, fordi de kræver en hurtig reaktion på modulation (f.eks. 38 kHz).
3. Linjesensor på robotten
Fototransistorer bruges ofte sammen med IR-LED'er som sendere til at aflæse lysrefleksioner fra sort/hvide overflader.
4. Lysintensitetsmåler
Fotodioder er mere egnede til enheder, der kræver intensitetsnøjagtighed og linearitet.
—
6. Kesimpulan
Fotodioder og fototransistorer konverterer begge lys til elektriske signaler, men de fungerer ved hjælp af forskellige tilgange. Fotodioder bruger dannelsen af elektron-hul-par ved PN-overgangen til at generere en hurtig og relativt lineær fotostrøm, hvilket gør dem ideelle til højhastighedsapplikationer og præcisionsmålinger. Fototransistorer bruger derimod lysets effekter til at "erstatte" basisstrømmen og derefter forstærke den gennem transistorens forstærkning, hvilket gør dem mere følsomme og lettere at bruge i simple kredsløb, selvom de typisk er langsommere og mindre lineære.
Ved at forstå, hvordan begge fungerer, kan vi vælge de rigtige komponenter til vores behov: uanset om vi leder efter hastighed og nøjagtighed (fotodioder) eller følsomhed og enkelhed (fototransistorer). Når de bruges korrekt, er begge essentielle fundamenter for moderne optiske sensorsystemer.
