Werkingsprincipe van fotodiodes en fototransistors
De ontwikkeling van moderne elektronische technologie is sterk afhankelijk van sensoren die licht kunnen 'zien' en omzetten in elektrische signalen. De twee meest gebruikte componenten hiervoor zijn fotodiodes en fototransistors. Beide behoren tot de familie van lichtgevoelige halfgeleiders, die veelvuldig worden gebruikt in automatiseringssystemen, optische communicatie, meetinstrumenten en consumentenapparaten zoals afstandsbedieningen, printers en lichtsensoren in mobiele telefoons. Hoewel beide reageren op licht, hebben fotodiodes en fototransistors verschillende werkingsprincipes, eigenschappen en toepassingen. Dit artikel bespreekt hun werkingsprincipes in detail, vergelijkt ze en geeft voorbeelden van hun toepassingen.
-
1. Basisprincipes van lichtdetectie in halfgeleiders
Om fotodiodes en fototransistors te begrijpen, moeten we het belangrijkste concept van halfgeleiders onthouden: ladingsdragers, elektronen en gaten. Wanneer licht (fotonen) een halfgeleidermateriaal raakt, geeft het energie aan elektronen, waardoor deze van de valentieband naar de geleidingsband bewegen. Dit proces creëert elektronen-gatparen. Hoe meer fotonen worden geabsorbeerd, hoe meer ladingsdragerparen er worden gevormd, waardoor de hoeveelheid stroom die kan vloeien toeneemt.
Het belangrijkste punt is: licht veroorzaakt veranderingen in de elektrische eigenschappen van componenten. Deze veranderingen kunnen zich uiten als een toename van de stroomsterkte, een afname van de weerstand of het ontstaan van een spanning. Bij fotodiodes en fototransistors is de belangrijkste verandering te zien in de stroomsterkte.
-
2. Werkingsprincipe van een fotodiode
a. Structuur en werkingswijze
Een fotodiode is in essentie een PN-diode (of varianten zoals PIN- en lawinefotodiodes) die ontworpen is om lichtgevoelig te zijn. De PN-structuur vormt een depletiegebied, een gebied zonder vrije ladingsdragers dat fungeert als een geladen "scheidingszone".
Fotodiodes kunnen in verschillende modi werken, maar de meest gebruikte zijn:
1. Fotogeleidende modus (omgekeerde polarisatie)
De fotodiode is in sperrichting geschakeld. Het depletiegebied wordt breder, de respons wordt sneller, de capaciteit neemt af en de lineariteit is over het algemeen goed. Deze modus wordt veel gebruikt voor sensoren en optische communicatie.
2. Fotovoltaïsche modus (geen bias/nul bias)
Fotodiodes worden niet extern voorgespannen. Invallend licht wekt een spanning op die vergelijkbaar is met die van een zonnecel, zij het een kleinere. Dit heeft als voordeel dat er minder ruis is, waardoor het geschikt is voor bepaalde metingen, maar de respons kan trager zijn dan bij omgekeerde voorspanning.
b. Mechanisme voor het omzetten van licht in stroom
Wanneer de fotodiode aan licht wordt blootgesteld:
1. Fotonen worden geabsorbeerd in het depletiegebied of in de buurt van de junctie.
2. Er wordt een elektron-gatpaar gevormd.
3. Elektrisch veld De binnenkant van het knooppunt scheidt het paar:
– Elektronen worden naar de N-kant geduwd
– Gat naar de P-zijde verschoven
4. Deze ladingsscheiding produceert een fotostroom.
De totale uitstroom bestaat doorgaans uit een combinatie van:
– Donkerstroom: een kleine stroom die zelfs zonder licht vloeit (door thermische effecten).
– Fotostroom: stroom die evenredig is met de lichtintensiteit.
Simpel gezegd: hoe feller het licht, hoe groter de fotostroom.
c. Kenmerken van fotodiodes
Enkele belangrijke kenmerken van fotodiodes zijn:
– Snelle respons (geschikt voor hoogfrequente signalen)
– Lineair evenredig met de lichtintensiteit over een bepaald bereik
– De uitgangsstroom is relatief klein in vergelijking met een fototransistor, waardoor vaak een versterker (op-amp/transimpedantieversterker) nodig is.
Ruis en lekstroom zijn belangrijke factoren bij precisietoepassingen.
-
3. Werkingsprincipe van een fototransistor
a. Basisstructuur van een fototransistor
Een fototransistor is in essentie een BJT-transistor (meestal een NPN-transistor) waarvan de basis lichtgevoelig is gemaakt. In een fototransistor fungeert licht als een "basisstroom" die de collector-emitterstroom regelt.
In tegenstelling tot fotodiodes, die rechtstreeks stroom genereren door het fotoneffect, maken fototransistors gebruik van de versterking van de transistor. Dankzij deze versterking kan de uitgangsstroom van een fototransistor veel groter zijn.
b. Werkingsmechanisme: Licht als vervanging voor de basisstroom
De werking ervan kan als volgt worden uitgelegd:
1. Het licht valt op het basis-collectorgebied (meestal de BC-junctie).
2. Door fotonabsorptie worden elektron-gatparen gevormd.
3. Dit effect produceert een kleine stroom die gelijk is aan de stroom van de fotobasis.
4. In een BJT-transistor is de collectorstroom ongeveer:
\[
I_C \approx \beta \cdot I_B
\]
Omdat \( I_B \) door licht wordt “gemaakt”, zal licht \( I_C \) controleren.
Hierdoor kunnen kleine veranderingen in lichtintensiteit grotere veranderingen in de collectorstroom veroorzaken dan bij een fotodiode, vanwege de versterkingsfactor \(\beta\).
c. Circuitmodus en implementatie
Fototransistors worden vaak op de volgende manieren gebruikt:
– Gemeenschappelijke emitter: collector naar spanning via een weerstand, uitgang aan de collector. Wanneer de transistor aan licht wordt blootgesteld, is deze meer "aan" en verandert de uitgangsspanning.
– Common collector (emitter follower): uitgang bij de emitter, nuttig voor bepaalde toepassingen maar minder gebruikelijk bij eenvoudige sensoren.
Soms is bij fototransistors de basispin verwijderd (3-pins), maar veel hebben ook maar 2 pinnen (de interne basis is niet toegankelijk).
d. Kenmerken van fototransistors
– Gevoeliger (grotere uitgangsstroom)
– Langzamer dan fotodiodes vanwege het ladingsopslagproces en de transistordynamiek.
– Onder bepaalde omstandigheden is het verloop minder lineair, vooral in de buurt van verzadiging.
– Geschikt voor licht/donkerdetectie, objectdetectie, optokoppelaars, toerentellers en eenvoudige besturingstoepassingen.
-
4. Vergelijking van fotodiode versus fototransistor
Hieronder een samenvatting van de belangrijkste verschillen:
1. Reactiesnelheid
– Fotodiode: zeer snel (geschikt voor optische communicatie, snelle modulatie)
– Fototransistor: langzamer (voldoende voor algemene sensoren)
2. Gevoeligheid / versterking
– Fotodiode: kleine stroom, vereist vaak versterking
– Fototransistor: grotere stroomsterkte door transistorversterking
3. Lineariteit
– Fotodiodes: over het algemeen lineairder
– Fototransistor: kan niet-lineair zijn en raakt gemakkelijk verzadigd.
4. Serie
– Fotodiode: vereist vaak een stroom-naar-spanningsversterkerschakeling
– Fototransistor: kan direct worden gebruikt met een eenvoudige belastingsweerstand
5. Aanvraag
– Fotodiodes: glasvezelcommunicatie, precisiesensoren, gekalibreerde lichtmeting
– Fototransistors: objectdetectoren, lijnsensoren, optokoppelaars, lichtschakelaars
-
5. Voorbeelden van toepassingen in de praktijk
1. Optocoupler
Veel optocouplers gebruiken fototransistors omdat het uitgangssignaal groot genoeg moet zijn om digitale of schakelende circuits aan te sturen.
2. Infraroodontvanger
In infraroodontvangers (afstandsbedieningen) worden vaak fotodiodes of op fotodiodes gebaseerde infraroodontvangermodules met interne versterkers gebruikt, omdat deze een snelle respons op modulatie vereisen (bijv. 38 kHz).
3. Lijnsensor op de robot
Fototransistors worden vaak gebruikt in combinatie met infrarood-LED's als zenders om lichtreflecties van zwart-witte oppervlakken te meten.
4. Lichtintensiteitsmeter
Fotodiodes zijn geschikter voor apparaten die nauwkeurige intensiteit en lineariteit vereisen.
-
6. Kesimpulan
Fotodiodes en fototransistors zetten beide licht om in elektrische signalen, maar ze werken op verschillende manieren. Fotodiodes maken gebruik van de vorming van elektron-gatparen bij de PN-overgang om een snelle en relatief lineaire fotostroom te genereren, waardoor ze ideaal zijn voor snelle toepassingen en precisiemetingen. Fototransistors daarentegen gebruiken de effecten van licht om de basisstroom te "vervangen" en versterken deze vervolgens via de versterkingsfactor van de transistor. Dit maakt ze gevoeliger en gemakkelijker te gebruiken in eenvoudige schakelingen, hoewel ze doorgaans trager en minder lineair zijn.
Door te begrijpen hoe beide werken, kunnen we de juiste componenten voor onze behoeften kiezen: of we nu op zoek zijn naar snelheid en nauwkeurigheid (fotodiodes) of gevoeligheid en eenvoud (fototransistors). Bij correct gebruik vormen beide essentiële fundamenten van moderne optische sensorsystemen .
