ფოტოდიოდებისა და ფოტოტრანსისტორების მუშაობის პრინციპი

ფოტოდიოდებისა და ფოტოტრანსისტორების მუშაობის პრინციპი

თანამედროვე ელექტრონული ტექნოლოგიების განვითარება დიდწილად ეყრდნობა სენსორულ მოწყობილობებს, რომლებსაც შეუძლიათ სინათლის „დანახვა“ და მისი ელექტრულ სიგნალებად გარდაქმნა. ამ მიზნით ორი ყველაზე ხშირად გამოყენებული კომპონენტია ფოტოდიოდები და ფოტოტრანზისტორები. ორივე მათგანი მიეკუთვნება სინათლისადმი მგრძნობიარე ნახევარგამტარების ოჯახს, რომლებიც ფართოდ გამოიყენება ავტომატიზაციის სისტემებში, ოპტიკურ კომუნიკაციებში, საზომ ინსტრუმენტებსა და სამომხმარებლო მოწყობილობებში, როგორიცაა დისტანციური მართვის პულტები, პრინტერები და მობილურ ტელეფონებში სინათლის სენსორები. მიუხედავად იმისა, რომ ორივე რეაგირებს სინათლეზე, ფოტოდიოდებსა და ფოტოტრანზისტორებს აქვთ განსხვავებული მუშაობის პრინციპები, მახასიათებლები და გამოყენება. ეს სტატია დეტალურად განიხილავს მათ მუშაობის პრინციპებს, ადარებს მათ და მოჰყავს მათი გამოყენების მაგალითები.

-

1. ნახევარგამტარებში სინათლის აღქმის საფუძვლები

ფოტოდიოდებისა და ფოტოტრანზისტორების გასაგებად, უნდა გვახსოვდეს ნახევარგამტარების ძირითადი კონცეფცია: მუხტის მატარებლები, ელექტრონები და ხვრელები. როდესაც სინათლე (ფოტონები) ნახევარგამტარ მასალას ეჯახება, ისინი ელექტრონებს ენერგიას მატებენ, რაც მათ ვალენტური ზონიდან გამტარობის ზოლში გადაადგილებისკენ უბიძგებს. ეს პროცესი ელექტრონ-ხვრელის წყვილებს ქმნის. რაც უფრო მეტი ფოტონი შეიწოვება, მით უფრო მეტი მუხტის მატარებლის წყვილი წარმოიქმნება, რაც ზრდის დენის რაოდენობას, რომლის გავლაც შესაძლებელია.

მთავარი საკითხია: სინათლე იწვევს კომპონენტების ელექტრული თვისებების ცვლილებებს. ეს ცვლილებები შეიძლება იყოს დენის ზრდის, წინააღმდეგობის შემცირების ან ძაბვის გაჩენის სახით. ფოტოდიოდებსა და ფოტოტრანზისტორებში პირველადი ცვლილება დენშია.

-

2. ფოტოდიოდის მუშაობის პრინციპი

ა. სტრუქტურა და მოქმედების რეჟიმი
ფოტოდიოდი არსებითად არის PN დიოდი (ან ისეთი ვარიაციები, როგორიცაა PIN და ზვავის ფოტოდიოდები), რომელიც შექმნილია სინათლის მიმართ მგრძნობიარედ. PN სტრუქტურა ქმნის გამოფიტვის რეგიონს, რეგიონს თავისუფალი მუხტის მატარებლებისგან და რომელიც დამუხტული „გამყოფი ზონის“ მსგავსად მოქმედებს.

ფოტოდიოდებს შეუძლიათ რამდენიმე რეჟიმში მუშაობა, მაგრამ ყველაზე ხშირად გამოყენებულია:

1. ფოტოგამტარი რეჟიმი (უკუღმა გადახრა)
ფოტოდიოდი უკუმიკერძოებულია. დაშლის რეგიონი ფართოვდება, რეაქცია უფრო სწრაფი ხდება, ტევადობა მცირდება და წრფივობა ზოგადად კარგია. ეს რეჟიმი ძალიან გავრცელებულია სენსორებისა და ოპტიკური კომუნიკაციებისთვის.

2. ფოტოელექტრული რეჟიმი (გადახრის გარეშე/ნულოვანი გადახრის გარეშე)
ფოტოდიოდები გარედან არ არის მიკერძოებული. შემომავალი სინათლე წარმოქმნის მზის ელემენტის მსგავს ძაბვას, თუმცა უფრო მცირე ძაბვით. ამას აქვს დაბალი ხმაურის უპირატესობა, რაც მას გარკვეული გაზომვებისთვის შესაფერისს ხდის, თუმცა რეაქცია შეიძლება იყოს უფრო ნელი, ვიდრე უკუმიკერძოება.

ბ. სინათლის დენად გარდაქმნის მექანიზმი
როდესაც ფოტოდიოდი სინათლის ზემოქმედების ქვეშაა:

1. ფოტონები შეიწოვება გამოფიტვის რეგიონში ან შეერთების წერტილთან ახლოს.
2. წარმოიქმნება ელექტრონ-ხვრელის წყვილი.
3. ელექტრული ველი შიდა შეერთების ადგილას წყვილს ჰყოფს:
– ელექტრონები N მხარეს გადაინაცვლებენ
– ხვრელი P მხარეს გადაწეულია
4. მუხტის ეს გამოყოფა ფოტოდენს წარმოქმნის.

საერთო გადინება, როგორც წესი, შემდეგი ფაქტორების ერთობლიობაა:
– ბნელი დენი: მცირე დენი, რომელიც სინათლის გარეშეც კი მიედინება (თერმული ეფექტების გამო).
– ფოტოდენი: დენი, რომელიც პროპორციულია სინათლის ინტენსივობის.

მარტივად რომ ვთქვათ, რაც უფრო კაშკაშაა სინათლე → მით უფრო დიდია ფოტოდენი.

გ. ფოტოდიოდების მახასიათებლები
ფოტოდიოდების რამდენიმე მნიშვნელოვანი მახასიათებელია:
– სწრაფი რეაგირება (შესაფერისი მაღალი სიხშირის სიგნალებისთვის)
– სინათლის ინტენსივობა გარკვეულ დიაპაზონში ხაზოვანია
– გამომავალი დენი შედარებით მცირეა ფოტოტრანზისტორთან შედარებით, ამიტომ ხშირად საჭიროა გამაძლიერებელი (ოპერაციული გამაძლიერებელი/ტრანსიმპედანსური გამაძლიერებელი)
– ხმაური და ბნელი დენი მნიშვნელოვანი ფაქტორებია ზუსტ აპლიკაციებში.

-

3. ფოტოტრანზისტორის მუშაობის პრინციპი

ა. ფოტოტრანზისტორის ძირითადი სტრუქტურა
ფოტოტრანზისტორი არსებითად BJT (ჩვეულებრივ NPN) ტრანზისტორია, რომლის ბაზაც სინათლის მიმართ მგრძნობიარეა. ფოტოტრანზისტორში სინათლე მოქმედებს როგორც „ბაზისური დენი“, რომელიც აკონტროლებს კოლექტორ-ემიტერის დენს.

ფოტოდიოდებისგან განსხვავებით, რომლებიც დენს პირდაპირ ფოტონის ეფექტიდან წარმოქმნიან, ფოტოტრანზისტორები ტრანზისტორის გაძლიერებას იყენებენ. გაძლიერების გამო, ფოტოტრანზისტორის გამომავალი დენი შეიძლება გაცილებით დიდი იყოს.

ბ. მუშაობის მექანიზმი: სინათლე, როგორც ბაზისური დენის შემცვლელი
როგორ მუშაობს ეს, შეიძლება აიხსნას შემდეგნაირად:

1. სინათლე ეცემა ბაზა-კოლექტორის არეს (როგორც წესი, BC შეერთებას).
2. ელექტრონ-ხვრელის წყვილები წარმოიქმნება ფოტონის შთანთქმის გამო.
3. ეს ეფექტი წარმოქმნის მცირე დენს, რომელიც ფოტო-ბაზის დენის ეკვივალენტურია.
4. BJT ტრანზისტორში, კოლექტორის დენი დაახლოებით:
\[
I_C \დაახლოებით \ბეტა \cdot I_B
\]
რადგან \(I_B \) „შექმნილია“ სინათლის მიერ, სინათლე გააკონტროლებს \(I_C \).

შედეგად, სინათლის ინტენსივობის მცირე ცვლილებებმა შეიძლება გამოიწვიოს კოლექტორის დენის უფრო დიდი ცვლილებები, ვიდრე ფოტოდიოდში, გაძლიერების კოეფიციენტის (beta) გამო.

გ. წრედის რეჟიმი და იმპლემენტაცია
ფოტოტრანზისტორები ხშირად გამოიყენება შემდეგ რეჟიმებში:
– საერთო ემიტერი: კოლექტორი რეზისტორის მეშვეობით ძაბვამდე, გამოსასვლელი კოლექტორზე. სინათლის ზემოქმედებისას, ტრანზისტორი უფრო მეტად „ჩართულია“, გამოსასვლელი ძაბვა იცვლება.
– საერთო კოლექტორი (ემიტერის მიმდევარი): გამომავალი სიგნალი ემიტერზე, სასარგებლოა გარკვეული სენსორებისთვის, მაგრამ ნაკლებად გავრცელებულია მარტივ სენსორებში.

ზოგჯერ ფოტოტრანზისტორებს ბაზისური პინი მოხსნილი აქვთ (3-პინიანი), მაგრამ ბევრს მხოლოდ 2-პინიანი აქვს (შიდა ბაზაზე წვდომა შეუძლებელია).

დ. ფოტოტრანზისტორების მახასიათებლები
– უფრო მგრძნობიარე (უფრო დიდი გამომავალი დენი)
– ფოტოდიოდებთან შედარებით უფრო ნელია მუხტის დაგროვების პროცესისა და ტრანზისტორის დინამიკის გამო
– ზოგიერთ პირობებში, განსაკუთრებით გაჯერების ტემპერატურასთან ახლოს, ნაკლებად წრფივია.
– გამოდგება სინათლის/სიბნელის აღმოჩენისთვის, ობიექტის ამოცნობისთვის, ოპტოკუპლერებისთვის, ბრუნვის მრიცხველებისთვის და მარტივი მართვის აპლიკაციებისთვის.

-

4. ფოტოდიოდისა და ფოტოტრანზისტორის შედარება

აქ მოცემულია ძირითადი განსხვავებების შეჯამება:

1. რეაგირების სიჩქარე
– ფოტოდიოდი: ძალიან სწრაფი (კარგია ოპტიკური კომუნიკაციებისთვის, სწრაფი მოდულაცია)
– ფოტოტრანზისტორი: ნელი (საკმარისი ზოგადი სენსორებისთვის)

2. მგრძნობელობა / გაძლიერება
– ფოტოდიოდი: მცირე დენი, ხშირად საჭიროებს გაძლიერებას
– ფოტოტრანზისტორი: ტრანზისტორის გაძლიერების გამო უფრო დიდი დენი

3. ხაზოვანება
– ფოტოდიოდები: ზოგადად უფრო ხაზოვანი
– ფოტოტრანზისტორი: შეიძლება იყოს არაწრფივი, ადვილად გაჯერებული

4. სერია
– ფოტოდიოდი: ხშირად საჭიროებს დენის ძაბვის გამაძლიერებელ წრედს
– ფოტოტრანზისტორი: შეიძლება გამოყენებულ იქნას პირდაპირ მარტივ დატვირთვის რეზისტორთან ერთად

5. აპლიკაცია
– ფოტოდიოდები: ბოჭკოვანი ოპტიკური კომუნიკაცია, ზუსტი სენსორები, დაკალიბრებული სინათლის გაზომვა
– ფოტოტრანზისტორები: ობიექტის დეტექტორები, ხაზოვანი სენსორები, ოპტოკუპლერები, სინათლის ჩამრთველები

-

5. რეალურ ცხოვრებაში გამოყენების მაგალითები

1. ოპტოკუპლერი
ბევრი ოპტოკუპლერი იყენებს ფოტოტრანზისტორებს, რადგან გამომავალი სიგნალი საკმარისად დიდი უნდა იყოს ციფრული ან გადართვის სქემების მართვისთვის.

2. ინფრაწითელი მიმღები
ინფრაწითელ მიმღებებში (დისტანციურ მოწყობილობებში) ხშირად გამოიყენება ფოტოდიოდები ან ფოტოდიოდზე დაფუძნებული ინფრაწითელი მიმღების მოდულები შიდა გამაძლიერებლებით, რადგან ისინი საჭიროებენ მოდულაციაზე სწრაფ რეაგირებას (მაგ., 38 kHz).

3. რობოტზე არსებული ხაზის სენსორი
ფოტოტრანზისტორები ხშირად გამოიყენება ინფრაწითელ LED-ებთან ერთად გადამცემებად, რათა წაიკითხონ შავი/თეთრი ზედაპირებიდან სინათლის არეკვლის წყარო.

4. სინათლის ინტენსივობის მრიცხველი
ფოტოდიოდები უფრო შესაფერისია იმ მოწყობილობებისთვის, რომლებიც მოითხოვენ ინტენსივობის სიზუსტეს და წრფივობას.

-

6. კესიმპულანი

ფოტოდიოდები და ფოტოტრანზისტორები სინათლეს ელექტრულ სიგნალებად გარდაქმნიან, თუმცა ისინი სხვადასხვა მიდგომით მუშაობენ . ფოტოდიოდები იყენებენ ელექტრონ-ხვრელის წყვილების ფორმირებას PN შეერთებაზე სწრაფი და შედარებით წრფივი ფოტოდენის გენერირებისთვის, რაც მათ იდეალურს ხდის მაღალსიჩქარიანი აპლიკაციებისა და ზუსტი გაზომვებისთვის. მეორეს მხრივ, ფოტოტრანზისტორები იყენებენ სინათლის ეფექტებს ბაზისური დენის „შესაცვლელად“ და შემდეგ მის გასაძლიერებლად ტრანზისტორის გაძლიერების გზით, რაც მათ უფრო მგრძნობიარეს და მარტივ გამოსაყენებელს ხდის მარტივ წრედებში, თუმცა ისინი, როგორც წესი, უფრო ნელი და ნაკლებად წრფივია.

ორივეს მუშაობის პრინციპის გაგებით, ჩვენ შეგვიძლია ავირჩიოთ ჩვენი საჭიროებებისთვის შესაფერისი კომპონენტები: იქნება ეს სიჩქარე და სიზუსტე (ფოტოდიოდები) თუ მგრძნობელობა და სიმარტივე (ფოტოტრანზისტორები). სწორად გამოყენების შემთხვევაში, ორივე თანამედროვე ოპტიკური სენსორული სისტემების აუცილებელი საფუძველია.