फोटोडायोड र फोटोट्रान्जिस्टरको कार्य सिद्धान्त
आधुनिक इलेक्ट्रोनिक प्रविधिको विकास प्रकाशलाई "हेर्न" र विद्युतीय संकेतहरूमा रूपान्तरण गर्न सक्षम सेन्सर उपकरणहरूमा धेरै निर्भर गर्दछ। यस उद्देश्यका लागि सबैभन्दा धेरै प्रयोग हुने दुई घटकहरू फोटोडायोड र फोटोट्रान्जिस्टर हुन्। दुबै प्रकाश-संवेदनशील अर्धचालकहरूको परिवारसँग सम्बन्धित छन्, जुन स्वचालन प्रणाली, अप्टिकल सञ्चार, मापन उपकरणहरू, र रिमोट कन्ट्रोल, प्रिन्टरहरू, र मोबाइल फोनहरूमा प्रकाश सेन्सर जस्ता उपभोक्ता उपकरणहरूमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ। यद्यपि दुबैले प्रकाशलाई प्रतिक्रिया दिन्छन्, फोटोडायोड र फोटोट्रान्जिस्टरहरूमा फरक सञ्चालन सिद्धान्तहरू, विशेषताहरू र अनुप्रयोगहरू छन्। यस लेखले तिनीहरूको कार्य सिद्धान्तहरू गहिराइमा छलफल गर्दछ, तिनीहरूलाई तुलना गर्दछ, र तिनीहरूको अनुप्रयोगहरूको उदाहरणहरू प्रदान गर्दछ।
-
१. अर्धचालकहरूमा प्रकाश संवेदनको आधारभूत कुराहरू
फोटोडायोड र फोटोट्रान्जिस्टरहरू बुझ्नको लागि, हामीले अर्धचालकहरूको मुख्य अवधारणा सम्झनु पर्छ: चार्ज वाहकहरू, इलेक्ट्रोनहरू र प्वालहरू। जब प्रकाश (फोटोनहरू) अर्धचालक पदार्थमा ठोक्किन्छन्, तिनीहरूले इलेक्ट्रोनहरूलाई ऊर्जा दिन्छन्, जसले गर्दा तिनीहरू भ्यालेन्स ब्यान्डबाट चालकता ब्यान्डमा सर्छन्। यो प्रक्रियाले इलेक्ट्रोन-प्वाल जोडीहरू सिर्जना गर्दछ। जति धेरै फोटोनहरू अवशोषित हुन्छन्, त्यति नै धेरै चार्ज वाहक जोडीहरू बन्छन्, जसले गर्दा प्रवाह हुन सक्ने प्रवाहको मात्रा बढ्छ।
मुख्य कुरा यो हो: प्रकाशले कम्पोनेन्टहरूको विद्युतीय गुणहरूमा परिवर्तन ल्याउँछ। यी परिवर्तनहरू विद्युत् प्रवाहमा वृद्धि, प्रतिरोधमा कमी वा भोल्टेजको उपस्थितिको रूपमा हुन सक्छन्। फोटोडायोड र फोटोट्रान्जिस्टरहरूमा, प्राथमिक परिवर्तन विद्युत् प्रवाहमा देखिन्छ।
-
२. फोटोडायोडको कार्य सिद्धान्त
क. संरचना र सञ्चालन विधि
फोटोडायोड मूलतः एक PN डायोड (वा PIN र हिमस्खलन फोटोडायोड जस्ता भिन्नताहरू) हो जुन प्रकाशको लागि संवेदनशील हुन डिजाइन गरिएको हो। PN संरचनाले एक डिप्लेशन क्षेत्र बनाउँछ, एक क्षेत्र जहाँ फ्री चार्ज वाहकहरू हुँदैनन् जसले चार्ज गरिएको "पृथकीकरण क्षेत्र" जस्तै काम गर्दछ।
फोटोडायोडहरू धेरै मोडहरूमा सञ्चालन हुन सक्छन्, तर सबैभन्दा धेरै प्रयोग हुनेहरू निम्न हुन्:
१. फोटोकन्डक्टिभ मोड (रिभर्स बायस)
फोटोडायोड उल्टो-पक्षपाती छ। डिप्लेशन क्षेत्र फराकिलो हुन्छ, प्रतिक्रिया छिटो हुन्छ, क्यापेसिटन्स घट्छ, र रेखीयता सामान्यतया राम्रो हुन्छ। यो मोड सेन्सर र अप्टिकल संचारको लागि धेरै सामान्य छ।
२. फोटोभोल्टिक मोड (कुनै पूर्वाग्रह/शून्य पूर्वाग्रह छैन)
फोटोडायोडहरू बाह्य रूपमा पक्षपाती हुँदैनन्। आगमन प्रकाशले सौर्य सेल जस्तै भोल्टेज उत्पादन गर्छ, यद्यपि सानो। यसको फाइदा कम आवाज हो, जसले गर्दा यो निश्चित मापनको लागि उपयुक्त हुन्छ, तर प्रतिक्रिया उल्टो पक्षपात भन्दा ढिलो हुन सक्छ।
ख. प्रकाशलाई विद्युत् प्रवाहमा रूपान्तरण गर्ने संयन्त्र
जब फोटोडायोड प्रकाशको सम्पर्कमा आउँछ:
१. फोटानहरू डिप्लेशन क्षेत्रमा वा जंक्शन नजिकै अवशोषित हुन्छन्।
२. इलेक्ट्रोन-प्वाल जोडी बनाइन्छ।
३. जंक्शनमा रहेको आन्तरिक विद्युतीय क्षेत्रले जोडीलाई अलग गर्छ:
- इलेक्ट्रोनहरूलाई N तर्फ धकेलिन्छ
- प्वाललाई P तर्फ धकेलिएको
४. यो चार्ज विभाजनले फोटोकरेन्ट उत्पादन गर्छ।
कुल बहिर्गमन सामान्यतया निम्नको संयोजन हुन्छ:
– अँध्यारो धारा: एउटा सानो धारा जुन प्रकाश बिना पनि बग्छ (तापीय प्रभावका कारण)।
- फोटोकरेन्ट: प्रकाशको तीव्रतासँग समानुपातिक हुने धारा।
सरल शब्दमा भन्नु पर्दा, प्रकाश जति उज्यालो हुन्छ → फोटोकरेन्ट त्यति नै बढी हुन्छ।
ग. फोटोडायोडका विशेषताहरू
फोटोडायोडका केही महत्त्वपूर्ण विशेषताहरू समावेश छन्:
- छिटो प्रतिक्रिया (उच्च आवृत्ति संकेतहरूको लागि उपयुक्त)
- निश्चित दायरामा रेखीय देखि प्रकाश तीव्रता
- फोटोट्रान्जिस्टरको तुलनामा आउटपुट करेन्ट तुलनात्मक रूपमा सानो हुन्छ, त्यसैले यसलाई प्रायः एम्पलीफायर (अप-एम्प/ट्रान्सिम्पेडेन्स एम्पलीफायर) चाहिन्छ।
- परिशुद्धता अनुप्रयोगहरूमा आवाज र अँध्यारो प्रवाह महत्त्वपूर्ण कारकहरू हुन्।
-
३. फोटोट्रान्जिस्टरको कार्य सिद्धान्त
a. फोटोट्रान्जिस्टरको आधारभूत संरचना
फोटोट्रान्जिस्टर अनिवार्य रूपमा एक BJT (सामान्यतया NPN) ट्रान्जिस्टर हो जसको आधार प्रकाश-संवेदनशील बनाइएको हुन्छ। फोटोट्रान्जिस्टरमा, प्रकाशले "बेस करेन्ट" को रूपमा काम गर्दछ जसले कलेक्टर-एमिटर करेन्टलाई नियन्त्रण गर्दछ।
फोटोडायोडहरू भन्दा फरक, जसले फोटोन प्रभावबाट सिधै विद्युत प्रवाह उत्पन्न गर्दछ, फोटोट्रान्जिस्टरहरूले ट्रान्जिस्टरको लाभ प्रयोग गर्छन्। लाभको कारणले गर्दा, फोटोट्रान्जिस्टरको आउटपुट प्रवाह धेरै ठूलो हुन सक्छ।
ख. कार्य संयन्त्र: आधार धारा को विकल्पको रूपमा प्रकाश
यो कसरी काम गर्छ भनेर निम्नानुसार व्याख्या गर्न सकिन्छ:
१. प्रकाश आधार-संकलक क्षेत्र (सामान्यतया BC जंक्शन) मा ठोक्किन्छ।
२. फोटोन अवशोषणको कारणले इलेक्ट्रोन-प्वाल जोडीहरू बन्छन्।
३. यो प्रभावले फोटो बेस करेन्ट बराबरको सानो करेन्ट उत्पादन गर्छ।
४. BJT ट्रान्जिस्टरमा, कलेक्टर करेन्ट लगभग हुन्छ:
\[
I_C \लगभग \बिटा \cdot I_B
\]
\( I_B \) प्रकाशद्वारा "बनाइएको" भएकोले, प्रकाशले \( I_C \) लाई नियन्त्रण गर्नेछ।
फलस्वरूप, प्रकाशको तीव्रतामा हुने सानो परिवर्तनले फोटोडायोडको तुलनामा कलेक्टर करेन्टमा ठूलो परिवर्तन ल्याउन सक्छ, जसको कारण लाभ कारक \(\beta\) हो।
ग. सर्किट मोड र कार्यान्वयन
फोटोट्रान्जिस्टरहरू प्रायः निम्न मोडहरूमा प्रयोग गरिन्छ:
– सामान्य उत्सर्जक: रेजिस्टर मार्फत कलेक्टरबाट भोल्टेज, कलेक्टरमा आउटपुट। प्रकाशको सम्पर्कमा आउँदा, ट्रान्जिस्टर बढी "चालु" हुन्छ, आउटपुट भोल्टेज परिवर्तन हुन्छ।
- सामान्य सङ्कलक (उत्सर्जक अनुयायी): उत्सर्जकमा आउटपुट, निश्चितका लागि उपयोगी तर साधारण सेन्सरहरूमा कम सामान्य।
कहिलेकाहीँ फोटोट्रान्जिस्टरहरूमा आधार पिन हटाइन्छ (३-पिन), तर धेरैमा २-पिन मात्र हुन्छ (आन्तरिक आधार पहुँचयोग्य हुँदैन)।
घ. फोटोट्रान्जिस्टरका विशेषताहरू
- बढी संवेदनशील (अधिक आउटपुट करेन्ट)
- चार्ज भण्डारण प्रक्रिया र ट्रान्जिस्टर गतिशीलताको कारणले फोटोडायोडहरू भन्दा ढिलो
- केही अवस्थाहरूमा, विशेष गरी संतृप्तिको नजिक, कम रेखीय हुने गर्छ।
- प्रकाश/अँध्यारो पत्ता लगाउने, वस्तु संवेदन गर्ने, अप्टोकप्लरहरू, क्रान्ति काउन्टरहरू, र साधारण नियन्त्रण अनुप्रयोगहरूको लागि उपयुक्त।
-
४. फोटोडायोड बनाम फोटोट्रान्जिस्टरको तुलना
यहाँ मुख्य भिन्नताहरूको सारांश छ:
१. प्रतिक्रिया गति
- फोटोडायोड: धेरै छिटो (अप्टिकल सञ्चारको लागि राम्रो, छिटो मोड्युलेसन)
- फोटोट्रान्जिस्टर: ढिलो (सामान्य सेन्सरहरूको लागि पर्याप्त)
२. संवेदनशीलता / प्रवर्धन
– फोटोडायोड: सानो धारा, प्रायः प्रवर्धन आवश्यक पर्दछ
- फोटोट्रान्जिस्टर: ट्रान्जिस्टरको वृद्धिका कारण ठूलो प्रवाह
३. रेखीयता
- फोटोडायोडहरू: सामान्यतया बढी रेखीय
- फोटोट्रान्जिस्टर: ननलाइनर, सजिलै संतृप्त हुन सक्छ
४. शृङ्खला
- फोटोडायोड: प्रायः करेन्ट-टु-भोल्टेज एम्पलीफायर सर्किट चाहिन्छ
- फोटोट्रान्जिस्टर: साधारण लोड रेजिस्टरको साथ सिधै प्रयोग गर्न सकिन्छ।
५. आवेदन
- फोटोडायोडहरू: फाइबर अप्टिक सञ्चार, सटीक सेन्सरहरू, क्यालिब्रेटेड प्रकाश मापन
- फोटोट्रान्जिस्टरहरू: वस्तु डिटेक्टरहरू, लाइन सेन्सरहरू, अप्टोकप्लरहरू, प्रकाश स्विचहरू
-
वास्तविक जीवनमा अनुप्रयोगहरूको उदाहरणहरू
१. अप्टोकप्लर
धेरै अप्टोकप्लरहरूले फोटोट्रान्जिस्टरहरू प्रयोग गर्छन् किनभने आउटपुट सिग्नल डिजिटल वा स्विचिङ सर्किटहरू चलाउन पर्याप्त ठूलो हुनुपर्छ।
२. इन्फ्रारेड रिसीभर
IR रिसीभरहरू (रिमोटहरू) मा, आन्तरिक एम्पलीफायरहरू भएका फोटोडायोडहरू वा फोटोडायोड-आधारित IR रिसीभर मोड्युलहरू प्रायः प्रयोग गरिन्छ किनभने तिनीहरूलाई मोड्युलेसनमा द्रुत प्रतिक्रिया चाहिन्छ (जस्तै 38 kHz)।
३. रोबोटमा लाइन सेन्सर
कालो/सेतो सतहहरूबाट प्रकाश परावर्तन पढ्नको लागि फोटोट्रान्जिस्टरहरू प्रायः IR LEDs सँग ट्रान्समिटरको रूपमा प्रयोग गरिन्छ।
४. प्रकाश तीव्रता मिटर
फोटोडायोडहरू ती उपकरणहरूको लागि बढी उपयुक्त हुन्छन् जसलाई तीव्रता शुद्धता र रेखीयता चाहिन्छ।
-
७. केसिम्पुलन
फोटोडायोड र फोटोट्रान्जिस्टर दुवैले प्रकाशलाई विद्युतीय संकेतहरूमा रूपान्तरण गर्छन्, तर तिनीहरू फरक दृष्टिकोणहरू प्रयोग गरेर सञ्चालन गर्छन्। फोटोडायोडहरूले PN जंक्शनमा इलेक्ट्रोन-प्वाल जोडीहरूको गठनलाई छिटो र अपेक्षाकृत रेखीय फोटोकरेन्ट उत्पन्न गर्न प्रयोग गर्छन्, जसले तिनीहरूलाई उच्च-गति अनुप्रयोगहरू र सटीक मापनको लागि आदर्श बनाउँछ। अर्कोतर्फ, फोटोट्रान्जिस्टरहरूले आधार प्रवाहलाई "प्रतिस्थापन" गर्न प्रकाशको प्रभावहरू प्रयोग गर्छन् र त्यसपछि ट्रान्जिस्टरको लाभ मार्फत यसलाई प्रवर्द्धन गर्छन्, तिनीहरूलाई सरल सर्किटहरूमा प्रयोग गर्न अझ संवेदनशील र सजिलो बनाउँछन्, यद्यपि तिनीहरू सामान्यतया ढिलो र कम रेखीय हुन्छन्।
दुबैले कसरी काम गर्छन् भनेर बुझेर, हामी हाम्रा आवश्यकताहरूको लागि सही कम्पोनेन्टहरू छनौट गर्न सक्छौं: चाहे हामी गति र शुद्धता (फोटोडायोड) खोजिरहेका छौं वा संवेदनशीलता र सरलता (फोटोट्रान्जिस्टर)। सही रूपमा प्रयोग गर्दा, दुबै आधुनिक अप्टिकल सेन्सर प्रणालीहरूको आवश्यक जग हुन्।
