Фотодиод ба фототранзисторуудын ажиллах зарчим
Орчин үеийн электрон технологийн хөгжил нь гэрлийг "харж", цахилгаан дохио болгон хувиргах чадвартай мэдрэгч төхөөрөмжүүдээс ихээхэн хамаардаг. Энэ зорилгоор хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг хоёр бүрэлдэхүүн хэсэг нь фотодиод ба фототранзистор юм. Хоёулаа гэрэлд мэдрэмтгий хагас дамжуулагчийн гэр бүлд багтдаг бөгөөд автоматжуулалтын систем, оптик холбоо, хэмжих хэрэгсэл, алсын удирдлага, принтер, гар утасны гэрлийн мэдрэгч зэрэг хэрэглээний төхөөрөмжүүдэд өргөн хэрэглэгддэг. Хэдийгээр хоёулаа гэрэлд хариу үйлдэл үзүүлдэг ч фотодиод ба фототранзисторууд нь өөр өөр ажиллах зарчим, шинж чанар, хэрэглээтэй байдаг. Энэ нийтлэлд тэдгээрийн ажиллах зарчмуудыг гүнзгийрүүлэн авч үзэх, харьцуулах, хэрэглээний жишээг өгөх болно.
-
1. Хагас дамжуулагч дахь гэрлийг мэдрэх үндэс
Фотодиод ба фототранзисторыг ойлгохын тулд бид хагас дамжуулагчийн гол ойлголтыг санах хэрэгтэй: цэнэг зөөгч, электрон ба нүхнүүд. Гэрэл (фотонууд) хагас дамжуулагч материалд хүрэхэд электронуудыг идэвхжүүлж, валентийн зурвасаас дамжуулах зурвас руу шилжихэд хүргэдэг. Энэ процесс нь электрон-нүхний хосуудыг үүсгэдэг. Илүү их фотон шингээх тусам илүү их цэнэг зөөгч хосууд үүсч, урсах гүйдлийн хэмжээг нэмэгдүүлдэг.
Гол санаа нь: гэрэл нь эд ангиудын цахилгаан шинж чанарт өөрчлөлт оруулдаг. Эдгээр өөрчлөлтүүд нь гүйдлийн өсөлт, эсэргүүцлийн бууралт эсвэл хүчдэлийн харагдах хэлбэрээр байж болно. Фотодиод ба фототранзисторуудад анхдагч өөрчлөлт нь гүйдэлд ажиглагддаг.
-
2. Фотодиодын ажиллах зарчим
а. Бүтэц ба үйл ажиллагааны хэлбэр
Фотодиод нь үндсэндээ гэрэлд мэдрэмтгий байхаар бүтээгдсэн PN диод (эсвэл PIN болон цасан нурангийн фотодиод гэх мэт хувилбарууд) юм. PN бүтэц нь цэнэгтэй "тусгаарлах бүс" шиг ажилладаг чөлөөт цэнэг зөөгчгүй бүс болох хомсдолын бүсийг үүсгэдэг.
Фотодиодууд хэд хэдэн горимд ажиллах боломжтой боловч хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг нь:
1. Фото дамжуулагч горим (урвуу хазайлт)
Фотодиод нь урвуу чиглэлтэй. Сулралын бүс өргөжиж, хариу үйлдэл хурдан болж, багтаамж буурч, шугаман байдал ерөнхийдөө сайн байдаг. Энэ горим нь мэдрэгч болон оптик холбооны хувьд маш түгээмэл байдаг.
2. Фотоволтайк горим (хэвийлтгүй/тэг хэвийлтгүй)
Фотодиодууд нь гаднаасаа хазайдаггүй. Ирж буй гэрэл нь нарны зайтай төстэй хүчдэл үүсгэдэг боловч бага хүчдэл үүсгэдэг. Энэ нь дуу чимээ багатай тул тодорхой хэмжилтэд тохиромжтой боловч хариу үйлдэл нь урвуу хазайлтаас удаан байж болно.
b. Гэрлийг гүйдэл болгон хувиргах механизм
Фотодиод гэрэлд өртөх үед:
1. Фотонууд нь хомсдолын бүсэд эсвэл уулзварын ойролцоо шингэдэг.
2. Электрон-нүхний хос үүснэ.
3. Уулзвар дээрх дотоод цахилгаан орон нь хосыг тусгаарладаг:
– Электронууд N тал руу түлхэгдэнэ
– Нүхийг P тал руу түлхсэн
4. Энэхүү цэнэгийн тусгаарлалт нь фотогүйдэл үүсгэдэг.
Нийт гарц нь ихэвчлэн дараахь зүйлсийн хослол юм.
– Харанхуй гүйдэл: гэрэлгүй ч гэсэн урсдаг жижиг гүйдэл (дулааны нөлөөллөөс болж).
– Фото гүйдэл: гэрлийн эрчимтэй пропорциональ гүйдэл.
Энгийнээр хэлбэл, гэрэл илүү тод байх тусам → фотогүйдэл их байна.
в. Фотодиодын шинж чанарууд
Фотодиодын зарим чухал шинж чанарууд нь:
– Хурдан хариу үйлдэл (өндөр давтамжийн дохионд тохиромжтой)
– Тодорхой хязгаарт шугаман ба гэрлийн эрчим
– Гаралтын гүйдэл нь фототранзистортой харьцуулахад харьцангуй бага тул ихэвчлэн өсгөгч (op-amp/transimpedance amp) шаарддаг.
– Дуу чимээ болон харанхуй гүйдэл нь нарийвчлалтай хэрэглээнд чухал хүчин зүйл болдог.
-
3. Фототранзисторын ажиллах зарчим
а. Фототранзисторын үндсэн бүтэц
Фототранзистор нь үндсэндээ BJT (ихэвчлэн NPN) транзистор бөгөөд түүний суурь нь гэрэлд мэдрэмтгий байдаг. Фототранзисторт гэрэл нь коллектор-эмиттерийн гүйдлийг хянадаг "суурь гүйдэл" болж ажилладаг.
Фотоны эффектээс шууд гүйдэл үүсгэдэг фотодиодоос ялгаатай нь фототранзисторууд нь транзисторын олшруулалтыг ашигладаг. Олшруулалтын улмаас фототранзисторын гаралтын гүйдэл хамаагүй их байж болно.
b. Ажлын механизм: Суурийн гүйдлийн орлуулагч болгон ашиглах гэрэл
Үүнийг хэрхэн ажилладагийг дараах байдлаар тайлбарлаж болно.
1. Гэрэл суурь-цуглуулагч хэсэгт (ихэвчлэн BC уулзвар) тусдаг.
2. Фотоны шингээлтийн улмаас электрон нүхний хосууд үүсдэг.
3. Энэ нөлөө нь фото суурийн гүйдэлтэй тэнцэх хэмжээний бага гүйдэл үүсгэдэг.
4. BJT транзистор дээр коллекторын гүйдэл ойролцоогоор:
\[
I_C \approx \beta \cdot I_B
\]
\(I_B \) нь гэрлээр “бүтээгдсэн” тул гэрэл \(I_C \)-г хянах болно.
Үүний үр дүнд гэрлийн эрчим дэх бага зэргийн өөрчлөлтүүд нь олшруулах коэффициент \(\бета\)-ийн улмаас фотодиодтой харьцуулахад коллекторын гүйдлийн илүү их өөрчлөлтийг үүсгэж болно.
в. Хэлхээний горим ба хэрэгжилт
Фототрансисторуудыг ихэвчлэн дараах горимд ашигладаг.
– Нийтлэг эмиттер: коллектороос резистороор дамжуулан хүчдэл рүү, коллектор дээр гаралт. Гэрэлд өртөх үед транзистор илүү “АСААЛТТАЙ” болж, гаралтын хүчдэл өөрчлөгддөг.
– Нийтлэг цуглуулагч (эмиттер дагалдагч): эмиттер дээрх гаралт, тодорхой мэдрэгчүүдэд ашигтай боловч энгийн мэдрэгчүүдэд бага түгээмэл байдаг.
Заримдаа фототранзисторууд нь суурийн зүүг салгасан байдаг (3 зүүтэй), гэхдээ олонх нь зөвхөн 2 зүүтэй байдаг (дотоод суурь нь хүртээмжгүй).
d. Фототранзисторуудын шинж чанарууд
– Илүү мэдрэмтгий (гаралтын гүйдэл их)
– Цэнэг хадгалах процесс болон транзисторын динамикаас шалтгаалан фотодиодоос удаан
– Зарим нөхцөлд, ялангуяа ханасан үед шугаман бус байх хандлагатай байдаг
– Гэрэл/харанхуй илрүүлэх, объект мэдрэгч, оптик холбогч, эргэлтийн тоолуур болон энгийн удирдлагын хэрэглээнд тохиромжтой.
-
4. Фотодиод ба Фототранзисторын харьцуулалт
Үндсэн ялгаануудын хураангуйг энд оруулав:
1. Хариу өгөх хурд
– Фотодиод: маш хурдан (оптик холбоо, хурдан модуляцид сайн)
– Фототранзистор: удаан (ерөнхий мэдрэгчүүдэд хангалттай)
2. Мэдрэмж / олшруулалт
– Фотодиод: бага гүйдэлтэй, ихэвчлэн олшруулалтыг шаарддаг
– Фототранзистор: транзисторын олшруулалтаас болж илүү их гүйдэл
3. Шугаман байдал
– Фотодиодууд: ерөнхийдөө илүү шугаман
– Фототранзистор: шугаман бус, амархан ханасан байж болно
4. Цуврал
– Фотодиод: ихэвчлэн гүйдэл-хүчдэлийн өсгөгчийн хэлхээ шаарддаг
– Фототранзистор: энгийн ачааллын резистортой шууд ашиглаж болно
5. Хэрэглээ
– Фотодиод: шилэн кабелийн холбоо, нарийвчлалтай мэдрэгч, тохируулсан гэрлийн хэмжилт
– Фототранзисторууд: объект илрүүлэгч, шугаман мэдрэгч, оптик холбогч, гэрлийн унтраалга
-
5. Бодит амьдрал дахь хэрэглээний жишээнүүд
1. Опто холбогч
Олон оптокоплерууд фототранзистор ашигладаг, учир нь гаралтын дохио нь дижитал эсвэл шилжүүлэгч хэлхээг ажиллуулахад хангалттай том байх шаардлагатай.
2. Хэт улаан туяаны хүлээн авагч
Хэт улаан туяаны хүлээн авагчид (алсын удирдлага) нь дотоод өсгөгчтэй фотодиод эсвэл фотодиод дээр суурилсан хэт улаан туяаны хүлээн авагчийн модулиудыг ихэвчлэн ашигладаг, учир нь тэдгээр нь модуляцид хурдан хариу үйлдэл үзүүлэхийг шаарддаг (жишээлбэл, 38 кГц).
3. Робот дээрх шугам мэдрэгч
Хар/цагаан гадаргуугаас гэрлийн тусгалыг уншихын тулд фототранзисторуудыг ихэвчлэн IR LED-тэй хамт дамжуулагч болгон ашигладаг.
4. Гэрлийн эрчим хэмжигч
Фотодиодууд нь эрчимжилтийн нарийвчлал болон шугаман байдлыг шаарддаг төхөөрөмжүүдэд илүү тохиромжтой.
-
6. Кесимпулан
Фотодиод болон фототранзисторууд хоёулаа гэрлийг цахилгаан дохио болгон хувиргадаг боловч өөр өөр аргыг ашиглан ажилладаг. Фотодиодууд нь PN уулзвар дээр электрон-нүхний хос үүсэхийг ашиглан хурдан бөгөөд харьцангуй шугаман фото гүйдэл үүсгэдэг бөгөөд энэ нь тэдгээрийг өндөр хурдны хэрэглээ болон нарийвчлалтай хэмжилт хийхэд тохиромжтой болгодог. Нөгөөтэйгүүр, фототранзисторууд нь гэрлийн нөлөөг ашиглан үндсэн гүйдлийг "орлуулж", дараа нь транзисторын олшруулалтаар дамжуулан өсгөдөг бөгөөд энэ нь тэдгээрийг илүү мэдрэмтгий, энгийн хэлхээнд ашиглахад хялбар болгодог боловч тэдгээр нь ихэвчлэн удаан бөгөөд шугаман бус байдаг.
Хоёулаа хэрхэн ажилладагийг ойлгосноор бид хэрэгцээндээ тохирсон зөв бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг сонгож чадна: хурд, нарийвчлал (фотодиод) эсвэл мэдрэмж, энгийн байдлыг (фототранзистор) эрэлхийлж байгаа эсэхээс үл хамааран. Зөв ашигласан тохиолдолд хоёулаа орчин үеийн оптик мэдрэгч системийн чухал үндэс суурь болдог.
