Ֆոտոդիոդների և ֆոտոտրանզիստորների աշխատանքի սկզբունքը

Ֆոտոդիոդների և ֆոտոտրանզիստորների աշխատանքի սկզբունքը

Ժամանակակից էլեկտրոնային տեխնոլոգիաների զարգացումը մեծապես կախված է լույսը «տեսնելու» և այն էլեկտրական ազդանշանների վերածելու ունակ սենսորային սարքերից: Այս նպատակով ամենատարածված երկու բաղադրիչներն են լուսադիոդները և լուսատրանսիստորները: Երկուսն էլ պատկանում են լուսազգայուն կիսահաղորդիչների ընտանիքին, որոնք լայնորեն օգտագործվում են ավտոմատացման համակարգերում, օպտիկական կապի մեջ, չափիչ գործիքներում և սպառողական սարքերում, ինչպիսիք են հեռակառավարման վահանակները, տպիչները և բջջային հեռախոսների լույսի սենսորները: Չնայած երկուսն էլ արձագանքում են լույսին, լուսադիոդներն ու լուսատրանսիստորները ունեն տարբեր աշխատանքային սկզբունքներ, բնութագրեր և կիրառություններ: Այս հոդվածը մանրամասն քննարկում է դրանց աշխատանքային սկզբունքները, համեմատում դրանք և բերում դրանց կիրառման օրինակներ:

-

1. Կիսահաղորդիչներում լույսի զգայունության հիմունքները

Ֆոտոդիոդներն ու ֆոտոտրանզիստորները հասկանալու համար մենք պետք է հիշենք կիսահաղորդիչների հիմնական հասկացությունը՝ լիցքակիրներ, էլեկտրոններ և անցքեր: Երբ լույսը (ֆոտոնները) հարվածում են կիսահաղորդչային նյութին, դրանք էներգիա են հաղորդում էլեկտրոններին՝ ստիպելով դրանք տեղափոխվել վալենտային գոտուց հաղորդականության գոտի: Այս գործընթացը ստեղծում է էլեկտրոն-անցք զույգեր: Որքան շատ ֆոտոններ են կլանվում, այնքան շատ լիցքակիր զույգեր են ձևավորվում, ինչը մեծացնում է հոսող հոսանքի քանակը:

Հիմնական կետն այն է, որ լույսը փոփոխություններ է առաջացնում բաղադրիչների էլեկտրական հատկություններում: Այս փոփոխությունները կարող են լինել հոսանքի աճի, դիմադրության նվազման կամ լարման ի հայտ գալու տեսքով: Ֆոտոդիդներում և ֆոտոտրանզիստորներում հիմնական փոփոխությունը նկատվում է հոսանքի մեջ:

-

2. Ֆոտոդիոդի աշխատանքային սկզբունքը

ա. Կառուցվածքը և գործունեության եղանակը
Ֆոտոդիոդը, ըստ էության, PN դիոդ է (կամ տարբերակներ, ինչպիսիք են PIN և ձնահոսքի ֆոտոդիոդները), որը նախատեսված է լույսի նկատմամբ զգայուն լինելու համար: PN կառուցվածքը ձևավորում է սպառման շրջան՝ ազատ լիցքակիրներից զուրկ շրջան, որը գործում է որպես լիցքավորված «բաժանման գոտի»:

Ֆոտոդիոդները կարող են աշխատել մի քանի ռեժիմներով, բայց ամենատարածվածներն են՝

1. Լուսահաղորդիչ ռեժիմ (հակառակ կողմնակալություն)
Ֆոտոդիոդը հակադարձ թերագնահատված է։ Սպառման տիրույթը լայնանում է, արձագանքը դառնում է ավելի արագ, տարողունակությունը նվազում է, և գծայնությունը ընդհանուր առմամբ լավ է։ Այս ռեժիմը շատ տարածված է սենսորների և օպտիկական կապի համար։

2. Ֆոտովոլտային ռեժիմ (առանց շեղման/զրոյական շեղման)
Ֆոտոդիոդները արտաքինից չեն շեղվում։ Մուտքային լույսը ստեղծում է արեգակնային մարտկոցին նման լարում, թեև ավելի փոքր։ Սա ունի ցածր աղմուկի առավելություն, ինչը այն հարմար է դարձնում որոշակի չափումների համար, սակայն արձագանքը կարող է ավելի դանդաղ լինել, քան հակադարձ շեղումը։

բ. Լույսը հոսանքի վերածելու մեխանիզմը
Երբ ֆոտոդիոդը ենթարկվում է լույսի ազդեցությանը՝

1. Ֆոտոնները կլանվում են սպառման շրջանում կամ միացման մոտ։
2. Առաջանում է էլեկտրոն-անցք զույգ։
3. Հանգույցի ներքին էլեկտրական դաշտը բաժանում է զույգը.
– Էլեկտրոնները մղվում են դեպի N կողմը
– Անցքը մղված է P կողմ
4. Այս լիցքի բաժանումը առաջացնում է լուսահոսանք։

Ընդհանուր արտահոսքը սովորաբար հետևյալի համադրություն է.
– Մութ հոսանք. փոքր հոսանք, որը հոսում է նույնիսկ առանց լույսի (ջերմային էֆեկտների պատճառով):
— Լուսահոսք՝ հոսանք, որը համեմատական ​​է լույսի ինտենսիվությանը։

Պարզ ասած՝ որքան պայծառ է լույսը → այնքան մեծ է լուսահոսանքը։

գ. Ֆոտոդիոդների բնութագրերը
Ֆոտոդիոդների որոշ կարևոր բնութագրեր ներառում են.
- Արագ արձագանք (հարմար է բարձր հաճախականության ազդանշանների համար)
– Գծային լույսի ինտենսիվություն որոշակի միջակայքում
– Ելքային հոսանքը համեմատաբար փոքր է ֆոտոտրանզիստորի համեմատ, ուստի այն հաճախ պահանջում է ուժեղացուցիչ (օպերացիոն ուժեղացուցիչ/տրանզիմպեդանսային ուժեղացուցիչ):
– Աղմուկը և մութ հոսանքը կարևոր գործոններ են ճշգրիտ կիրառություններում։

-

3. Ֆոտոտրանզիստորի աշխատանքային սկզբունքը

ա. Ֆոտոտրանզիստորի հիմնական կառուցվածքը
Ֆոտոտրանզիստորը, ըստ էության, BJT (սովորաբար NPN) տրանզիստոր է, որի հիմքը լուսազգայուն է։ Ֆոտոտրանզիստորում լույսը գործում է որպես «բազային հոսանք», որը կարգավորում է կոլեկտոր-ճառագայթիչ հոսանքը։

Ի տարբերություն ֆոտոդիոդների, որոնք հոսանք են առաջացնում անմիջապես ֆոտոնային էֆեկտից, ֆոտոտրանզիստորները օգտագործում են տրանզիստորի ուժեղացումը։ Ուժեղացման պատճառով ֆոտոտրանզիստորի ելքային հոսանքը կարող է շատ ավելի մեծ լինել։

բ. Աշխատանքային մեխանիզմ. Լույսը որպես բազային հոսանքի փոխարինող
Ինչպես է այն գործում, կարելի է բացատրել հետևյալ կերպ.

1. Լույսը ընկնում է հիմք-կոլեկտոր տարածքի վրա (սովորաբար BC հանգույցի վրա):
2. Էլեկտրոն-անցք զույգերը ձևավորվում են ֆոտոնների կլանման շնորհիվ։
3. Այս էֆեկտը առաջացնում է փոքր հոսանք, որը համարժեք է լուսանկարի բազային հոսանքին։
4. BJT տրանզիստորում կոլեկտորի հոսանքը մոտավորապես հետևյալն է.
\[
I_C \մոտավորապես \բետա \cdot I_B
\]
Քանի որ I_B-ն «ստեղծված» է լույսի կողմից, լույսը կկառավարի I_C-ն։

Արդյունքում, լույսի ինտենսիվության փոքր փոփոխությունները կարող են ավելի մեծ փոփոխություններ առաջացնել կոլեկտորի հոսանքի մեջ, քան ֆոտոդիոդում՝ ուժեղացման գործակցի՝ β-ի պատճառով։

գ. Շղթայական ռեժիմ և իրականացում
Ֆոտոտրանզիստորները հաճախ օգտագործվում են հետևյալ ռեժիմներով.
– Ընդհանուր ճառագայթիչ. կոլեկտորից դեպի լարում դիմադրության միջոցով, ելքը կոլեկտորում է։ Լույսի ազդեցության տակ տրանզիստորն ավելի «միացված» է, ելքային լարումը փոխվում է։
– Ընդհանուր կոլեկտոր (ճառագայթիչի հետևորդ). ելք ճառագայթիչում, օգտակար է որոշակի սենսորների համար, բայց ավելի քիչ տարածված է պարզ սենսորների դեպքում։

Երբեմն ֆոտոտրանզիստորների հիմքի ամրակը հանված է (3-ամրակ), բայց շատերն ունեն նաև միայն 2-ամրակ (ներքին հիմքը հասանելի չէ):

դ. Ֆոտոտրանզիստորների բնութագրերը
– Ավելի զգայուն (ավելի մեծ ելքային հոսանք)
– Ավելի դանդաղ, քան ֆոտոդիոդները՝ լիցքի կուտակման գործընթացի և տրանզիստորային դինամիկայի պատճառով
– Որոշ պայմաններում, հատկապես հագեցվածության մոտ, հակված է ավելի քիչ գծային լինելու
– Հարմար է լույսի/մթության հայտնաբերման, օբյեկտների զգայունացման, օպտոմիակցիչների, պտույտների հաշվիչների և պարզ կառավարման կիրառությունների համար։

-

4. Ֆոտոդիոդի և ֆոտոտրանզիստորի համեմատությունը

Ահա հիմնական տարբերությունների ամփոփումը.

1. Արձագանքի արագություն
– Ֆոտոդիոդ. շատ արագ (լավ է օպտիկական կապի համար, արագ մոդուլյացիա)
– Ֆոտոտրանզիստոր. ավելի դանդաղ (բավարար է ընդհանուր սենսորների համար)

2. Զգայունություն / ուժեղացում
– Ֆոտոդիոդ. փոքր հոսանք, հաճախ պահանջում է ուժեղացում
– Ֆոտոտրանզիստոր. ավելի մեծ հոսանք՝ տրանզիստորի ուժեղացման պատճառով

3. Գծայնություն
– Ֆոտոդիոդներ՝ ընդհանուր առմամբ ավելի գծային
– Ֆոտոտրանզիստոր. կարող է լինել ոչ գծային, հեշտությամբ հագեցած

4. Սերիա
– Ֆոտոդիոդ. հաճախ անհրաժեշտ է հոսանք-լարման ուժեղացուցիչի սխեմա
– Ֆոտոտրանզիստոր. կարող է օգտագործվել անմիջապես պարզ բեռի դիմադրության հետ

5. Դիմում
– Ֆոտոդիոդներ՝ օպտիկամանրաթելային կապ, ճշգրիտ սենսորներ, տրամաչափված լույսի չափում
– Ֆոտոտրանզիստորներ՝ օբյեկտների դետեկտորներ, գծային սենսորներ, օպտոմիակցիչներ, լույսի անջատիչներ

-

5. Կիրառությունների օրինակներ իրական կյանքում

1. Օպտոկուպլեր
Շատ օպտոկուպլերներ օգտագործում են ֆոտոտրանզիստորներ, քանի որ ելքային ազդանշանը պետք է բավականաչափ մեծ լինի թվային կամ անջատիչ սխեմաները կառավարելու համար։

2. Ինֆրակարմիր ընդունիչ
Ինֆրակարմիր ընդունիչներում (հեռակառավարիչներում) հաճախ օգտագործվում են ֆոտոդիոդներ կամ ֆոտոդիոդի վրա հիմնված ինֆրակարմիր ընդունիչ մոդուլներ՝ ներքին ուժեղացուցիչներով, քանի որ դրանք պահանջում են արագ արձագանք մոդուլյացիային (օրինակ՝ 38 կՀց):

3. Գծի սենսոր ռոբոտի վրա
Ֆոտոտրանզիստորները հաճախ օգտագործվում են ինֆրակարմիր լուսադիոդների հետ որպես փոխանցիչներ՝ սև/սպիտակ մակերեսներից լույսի անդրադարձումները կարդալու համար:

4. Լույսի ինտենսիվության չափիչ
Ֆոտոդիոդները ավելի հարմար են այն սարքերի համար, որոնք պահանջում են ինտենսիվության ճշգրտություն և գծայնություն։

-

6. Քեսիմպուլան

Ֆոտոդիոդները և ֆոտոտրանզիստորները լույսը փոխակերպում են էլեկտրական ազդանշանների, սակայն դրանք գործում են տարբեր մոտեցումներով: Ֆոտոդիոդները օգտագործում են PN միացման կետում էլեկտրոն-անցք զույգերի առաջացումը՝ արագ և համեմատաբար գծային ֆոտոհոսանք առաջացնելու համար, ինչը դրանք իդեալական է դարձնում բարձր արագության կիրառությունների և ճշգրիտ չափումների համար: Մյուս կողմից, ֆոտոտրանզիստորները օգտագործում են լույսի էֆեկտները՝ բազային հոսանքը «փոխարինելու» և այնուհետև այն տրանզիստորի ուժեղացման միջոցով ուժեղացնելու համար, ինչը դրանք դարձնում է ավելի զգայուն և հեշտ օգտագործման պարզ սխեմաներում, չնայած դրանք սովորաբար ավելի դանդաղ են և պակաս գծային:

Հասկանալով, թե ինչպես են երկուսն էլ գործում, մենք կարող ենք ընտրել մեր կարիքներին համապատասխանող ճիշտ բաղադրիչները՝ անկախ նրանից, թե մենք փնտրում ենք արագություն և ճշգրտություն (ֆոտոդիոդներ), թե զգայունություն և պարզություն (ֆոտոտրանզիստորներ): Ճիշտ օգտագործման դեպքում երկուսն էլ ժամանակակից օպտիկական սենսորային համակարգերի էական հիմքն են: