A fotodiódák és fototranzisztorok működési elve
A modern elektronikai technológia fejlődése nagymértékben támaszkodik az olyan érzékelőeszközökre, amelyek képesek "látni" a fényt, és elektromos jelekké alakítani azt. A két leggyakrabban használt alkatrész erre a célra a fotodiódák és a fototranzisztorok. Mindkettő a fényérzékeny félvezetők családjába tartozik, amelyeket széles körben használnak automatizálási rendszerekben, optikai kommunikációban, mérőműszerekben és fogyasztói eszközökben, például távirányítókban, nyomtatókban és mobiltelefonok fényérzékelőiben. Bár mindkettő reagál a fényre, a fotodiódák és a fototranzisztorok működési elvei, jellemzői és alkalmazásai eltérőek. Ez a cikk részletesen tárgyalja működési elveiket, összehasonlítja őket, és példákat mutat be alkalmazásukra.
-
1. A félvezetőkben történő fényérzékelés alapjai
A fotodiódák és fototranzisztorok megértéséhez emlékeznünk kell a félvezetők kulcsfogalmára: töltéshordozók, elektronok és lyukak. Amikor a fény (fotonok) egy félvezető anyagba érnek, energiával töltik fel az elektronokat, aminek következtében azok a vegyértéksávból a vezetési sávba kerülnek. Ez a folyamat elektron-lyuk párokat hoz létre. Minél több foton nyelődik el, annál több töltéshordozó pár alakul ki, növelve az átfolyó áram mennyiségét.
A lényeg a következő: a fény változásokat idéz elő az alkatrészek elektromos tulajdonságaiban. Ezek a változások lehetnek áramerősség-növekedés, ellenállás-csökkenés vagy feszültség megjelenése. A fotodiódákban és fototranzisztorokban az elsődleges változás az áramerősségben figyelhető meg.
-
2. A fotodióda működési elve
a. Szerkezet és működési mód
A fotodióda lényegében egy PN-dióda (vagy annak variációi, mint például a PIN és a lavina-fotodiódák), amelyet fényérzékenyre terveztek. A PN-struktúra egy kiürülési területet alkot, egy olyan területet, amelyben nincsenek szabad töltéshordozók, és amely egy töltött "elválasztási zónaként" működik.
A fotodiódák többféle üzemmódban működhetnek, de a leggyakrabban használtak a következők:
1. Fotovezető mód (fordított előfeszítés)
A fotodióda fordított előfeszítésű. A kimerülési tartomány kiszélesedik, a válasz gyorsabbá válik, a kapacitás csökken, és a linearitás általában jó. Ez a mód nagyon gyakori az érzékelőknél és az optikai kommunikációnál.
2. Fotovoltaikus üzemmód (nincs előfeszítés/nulla előfeszítés)
A fotodiódák nincsenek külsőleg előfeszítve. A bejövő fény a napelemhez hasonló feszültséget hoz létre, bár kisebbet. Ennek az az előnye, hogy alacsonyabb a zajszint, így bizonyos mérésekhez alkalmas, de a válasz lassabb lehet, mint a fordított előfeszítés esetén.
b. A fény árammá alakításának mechanizmusa
Amikor a fotodiódát fény éri:
1. A fotonok a kimerülési régióban vagy az átmenet közelében nyelődnek el.
2. Elektron-lyuk pár keletkezik.
3. A csatlakozásnál fellépő belső elektromos mező elválasztja a párt:
– Az elektronok az N oldalra lökődnek
– Lyuk a P oldalra tolva
4. Ez a töltésszétválás fotoáramot hoz létre.
A teljes kiáramlás általában a következők kombinációja:
– Sötétáram: egy kis áram, amely fény nélkül is folyik (hőhatások miatt).
– Fotoáram: a fényerősséggel arányos áramerősség.
Egyszerűen fogalmazva, minél erősebb a fény → annál nagyobb a fotoáram.
c. A fotodiódák jellemzői
A fotodiódák néhány fontos jellemzője a következő:
– Gyors válaszidő (nagyfrekvenciás jelekhez alkalmas)
– Lineáris a fényintenzitással egy bizonyos tartományon belül
– A kimeneti áram viszonylag kicsi egy fototranzisztorhoz képest, ezért gyakran erősítőt (műveleti erősítőt/transzimpedancia erősítőt) igényel.
– A zaj és a sötétáram fontos tényezők a precíziós alkalmazásokban.
-
3. A fototranzisztor működési elve
a. A fototranzisztor alapvető szerkezete
A fototranzisztor lényegében egy BJT (általában NPN) tranzisztor, amelynek bázisa fényérzékeny. A fototranzisztorban a fény „bázisáramként” működik, amely a kollektor-emitter áramot szabályozza.
A fotodiódákkal ellentétben, amelyek közvetlenül a fotonhatásból generálnak áramot, a fototranzisztorok a tranzisztor erősítését használják ki. Az erősítés miatt a fototranzisztor kimeneti árama sokkal nagyobb lehet.
b. Működési mechanizmus: Fény, mint az alapáram helyettesítője
A működése a következőképpen magyarázható:
1. A fény az alap-kollektor területet éri (általában a BC átmenetet).
2. A fotonok abszorpciója miatt elektron-lyuk párok keletkeznek.
3. Ez a hatás a fotoalap áramának megfelelő kis áramot hoz létre.
4. Egy BJT tranzisztorban a kollektoráram körülbelül:
\[
I_C \approx \beta \cdot I_B
\]
Mivel az \(I_B \)-t fény „készíti”, a fény fogja szabályozni az \(I_C \)-t.
Ennek eredményeként a fényintenzitás kis változásai nagyobb változásokat okozhatnak a kollektoráramban, mint egy fotodiódában, az erősítési tényező (\béta\) miatt.
c. Áramköri mód és megvalósítás
A fototranzisztorokat gyakran a következő módokban használják:
– Közös emitter: kollektorról feszültségre egy ellenálláson keresztül, kimenet a kollektoron. Fény hatására a tranzisztor bekapcsolt állapotban van, a kimeneti feszültség megváltozik.
– Közös kollektor (emitterkövető): kimenet az emitternél, bizonyos érzékelőknél hasznos, de ritkábban fordul elő egyszerű érzékelőknél.
A fototranzisztoroknak néha eltávolítják az alaptűt (3 tűs), de sok esetben csak 2 tűs van (a belső alap nem hozzáférhető).
d. A fototranzisztorok jellemzői
– Érzékenyebb (nagyobb kimeneti áram)
– Lassabb, mint a fotodiódák a töltéstárolási folyamat és a tranzisztor dinamikája miatt
– Bizonyos körülmények között, különösen telítettség közelében, kevésbé lineáris
– Alkalmas fény-/sötétségérzékeléshez, tárgyérzékeléshez, optocsatolókhoz, fordulatszámszámlálókhoz és egyszerű vezérlési alkalmazásokhoz.
-
4. A fotodióda és a fototranzisztor összehasonlítása
Íme a főbb különbségek összefoglalása:
1. Válaszsebesség
– Fotodióda: nagyon gyors (jó optikai kommunikációhoz, gyors moduláció)
– Fototranzisztor: lassabb (általános érzékelőkhöz megfelelő)
2. Érzékenység / erősítés
– Fotodióda: kis áramerősség, gyakran erősítést igényel
– Fototranzisztor: nagyobb áram a tranzisztor erősítése miatt
3. Linearitás
– Fotodiódák: általában lineárisabbak
– Fototranzisztor: lehet nemlineáris, könnyen telíthető
4. Sorozat
– Fotodióda: gyakran áram-feszültség erősítő áramkört igényel
– Fototranzisztor: közvetlenül használható egy egyszerű terhelőellenállással
5. Alkalmazás
– Fotodiódák: optikai szálas kommunikáció, precíziós érzékelők, kalibrált fénymérés
– Fototranzisztorok: tárgydetektorok, vonalérzékelők, optocsatolók, villanykapcsolók
-
5. Alkalmazási példák a való életben
1. Optocsatoló
Sok optocsatoló fototranzisztorokat használ, mivel a kimeneti jelnek elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy digitális vagy kapcsoló áramköröket hajtson meg.
2. Infravörös vevő
Az infravörös vevőkben (távirányítókban) gyakran használnak fotodiódákat vagy fotodióda alapú, beépített erősítővel rendelkező infravörös vevőmodulokat, mivel ezek gyors modulációs választ igényelnek (pl. 38 kHz).
3. Vonalérzékelő a roboton
A fototranzisztorokat gyakran használják infravörös LED-ekkel együtt adóként a fekete/fehér felületekről visszaverődő fény leolvasására.
4. Fényintenzitás-mérő
A fotodiódák alkalmasabbak olyan eszközökhöz, amelyek intenzitáspontosságot és linearitást igényelnek.
-
6. Kesimpulan
A fotodiódák és a fototranzisztorok egyaránt a fényt elektromos jelekké alakítják, de eltérő megközelítést alkalmaznak. A fotodiódák az elektron-lyuk párok kialakulását használják ki a PN-átmenetben, hogy gyors és viszonylag lineáris fotoáramot hozzanak létre, így ideálisak nagy sebességű alkalmazásokhoz és precíziós mérésekhez. A fototranzisztorok ezzel szemben a fény hatását használják fel a bázisáram „helyettesítésére”, majd a tranzisztor erősítésén keresztül erősítik azt, így érzékenyebbek és könnyebben használhatók egyszerű áramkörökben, bár jellemzően lassabbak és kevésbé lineárisak.
Ha megértjük mindkettő működését, kiválaszthatjuk az igényeinknek megfelelő alkatrészeket: akár a sebességet és a pontosságot (fotodiódák), akár az érzékenységet és az egyszerűséget (fototranzisztorok) keressük. Helyes használat esetén mindkettő a modern optikai érzékelőrendszerek alapvető alapja.
