Arbeidsprinsipp for fotodioder og fototransistorer
Utviklingen av moderne elektronisk teknologi er i stor grad avhengig av sensorer som er i stand til å "se" lys og konvertere det til elektriske signaler. De to mest brukte komponentene for dette formålet er fotodioder og fototransistorer. Begge tilhører familien av lysfølsomme halvledere, som er mye brukt i automatiseringssystemer, optisk kommunikasjon, måleinstrumenter og forbrukerenheter som fjernkontroller, skrivere og lyssensorer i mobiltelefoner. Selv om begge reagerer på lys, har fotodioder og fototransistorer forskjellige driftsprinsipper, egenskaper og bruksområder. Denne artikkelen diskuterer deres arbeidsprinsipper i dybden, sammenligner dem og gir eksempler på bruksområdene deres.
-
1. Grunnleggende om lysføling i halvledere
For å forstå fotodioder og fototransistorer må vi huske nøkkelbegrepet halvledere: ladningsbærere, elektroner og hull. Når lys (fotoner) treffer et halvledermateriale, aktiverer de elektroner, noe som får dem til å bevege seg fra valensbåndet til ledningsbåndet. Denne prosessen skaper elektron-hull-par. Jo flere fotoner som absorberes, desto flere ladningsbærerpar dannes, noe som øker mengden strøm som kan flyte.
Hovedpoenget er: lys utløser endringer i komponentenes elektriske egenskaper. Disse endringene kan være i form av en økning i strøm, en reduksjon i motstand eller tilstedeværelsen av en spenning. I fotodioder og fototransistorer sees den primære endringen i strømmen.
-
2. Virkemåte for fotodiode
a. Struktur og virkemåte
En fotodiode er i hovedsak en PN-diode (eller varianter som PIN- og lavinefotodioder) som er designet for å være lysfølsomme. PN-strukturen danner et uttømmingsområde, et område uten frie ladningsbærere som fungerer som en ladet "separasjonssone".
Fotodioder kan operere i flere moduser, men de mest brukte er:
1. Fotoledende modus (revers forspenning)
Fotodioden er reversforspent. Uttømmingsområdet utvides, responsen blir raskere, kapasitansen avtar, og lineariteten er generelt god. Denne modusen er veldig vanlig for sensorer og optisk kommunikasjon.
2. Fotovoltaisk modus (ingen bias/null bias)
Fotodioder er ikke eksternt forspent. Innkommende lys produserer en spenning som ligner på en solcelle, om enn en mindre. Dette har fordelen med lavere støy, noe som gjør den egnet for visse målinger, men responsen kan være tregere enn reversforspenning.
b. Mekanisme for å konvertere lys til strøm
Når fotodioden utsettes for lys:
1. Fotoner absorberes i uttømmingsområdet eller nær knutepunktet.
2. Et elektron-hull-par dannes.
3. Elektrisk felt indre ved krysset skiller paret:
– Elektroner skyves mot N-siden
– Hullet skyves mot P-siden
4. Denne ladningsseparasjonen produserer en fotostrøm.
Den totale utstrømningen er vanligvis en kombinasjon av:
– Mørkestrøm: en liten strøm som flyter selv uten lys (på grunn av termiske effekter).
– Fotostrøm: strøm som er proporsjonal med lysintensiteten.
Enkelt sagt, jo sterkere lyset er → desto større er fotostrømmen.
c. Fotodioders egenskaper
Noen viktige egenskaper ved fotodioder inkluderer:
– Rask respons (egnet for høyfrekvente signaler)
– Lineær til lysintensitet over et visst område
– Utgangsstrømmen er relativt liten sammenlignet med en fototransistor, så den krever ofte en forsterker (operasjonsforsterker/transimpedansforsterker)
– Støy og mørkstrøm er viktige faktorer i presisjonsapplikasjoner.
-
3. Virkemåte for fototransistor
a. Grunnleggende struktur av en fototransistor
En fototransistor er i hovedsak en BJT-transistor (vanligvis NPN) med en lysfølsom base. I en fototransistor fungerer lys som en «basestrøm» som styrer kollektor-emitterstrømmen.
I motsetning til fotodioder, som genererer strøm direkte fra fotoneffekten, utnytter fototransistorer transistorens forsterkning. På grunn av forsterkningen kan fototransistorens utgangsstrøm være mye større.
b. Arbeidsmekanisme: Lys som erstatning for basisstrøm
Hvordan det fungerer kan forklares slik:
1. Lys treffer base-kollektor-området (vanligvis BC-overgangen).
2. Elektron-hull-par dannes på grunn av fotonabsorpsjon.
3. Denne effekten produserer en liten strøm tilsvarende fotobasestrømmen.
4. I en BJT-transistor er kollektorstrømmen omtrent:
\[
I_C \approx \beta \cdot I_B
\]
Siden \(I_B \) er «laget» av lys, vil lys kontrollere \(I_C \).
Som et resultat kan små endringer i lysintensitet forårsake større endringer i kollektorstrømmen enn i en fotodiode, på grunn av forsterkningsfaktoren β.
c. Kretsmodus og implementering
Fototransistorer brukes ofte i følgende moduser:
– Felles emitter: kollektor til spenning gjennom en motstand, utgang ved kollektoren. Når transistoren utsettes for lys, er den mer «PÅ», og utgangsspenningen endres.
– Felles kollektor (emitterfølger): utgang ved emitteren, nyttig for visse formål, men mindre vanlig i enkle sensorer.
Noen ganger har fototransistorer basepinnen fjernet (3-pinners), men mange har også bare 2-pinners (den interne basen er ikke tilgjengelig).
d. Kjennetegn ved fototransistorer
– Mer følsom (større utgangsstrøm)
– Saktere enn fotodioder på grunn av ladningslagringsprosessen og transistordynamikken
– Har en tendens til å være mindre lineær under noen forhold, spesielt nær metning
– Egnet for lys-/mørkedeteksjon, objektregistrering, optokoblere, omdreiningstellere og enkle kontrollapplikasjoner.
-
4. Sammenligning av fotodiode vs. fototransistor
Her er et sammendrag av de viktigste forskjellene:
1. Responshastighet
– Fotodiode: veldig rask (bra for optisk kommunikasjon, rask modulering)
– Fototransistor: tregere (tilstrekkelig for generelle sensorer)
2. Følsomhet / forsterkning
– Fotodiode: liten strøm, krever ofte forsterkning
– Fototransistor: større strøm på grunn av transistorforsterkning
3. Linearitet
– Fotodioder: generelt mer lineære
– Fototransistor: kan være ikke-lineær, lett mettet
4. Serie
– Fotodiode: krever ofte en strøm-til-spenningsforsterkerkrets
– Fototransistor: kan brukes direkte med en enkel lastmotstand
5. Søknad
– Fotodioder: fiberoptisk kommunikasjon, presisjonssensorer, kalibrert lysmåling
– Fototransistorer: objektdetektorer, linjesensorer, optokoblere, lysbrytere
-
5. Eksempler på anvendelser i det virkelige liv
1. Optokobler
Mange optokoblere bruker fototransistorer fordi utgangssignalet må være stort nok til å drive digitale kretser eller svitsjekretser.
2. Infrarød mottaker
I IR-mottakere (fjernkontroller) brukes ofte fotodioder eller fotodiodebaserte IR-mottakermoduler med interne forsterkere fordi de krever rask respons på modulering (f.eks. 38 kHz).
3. Linjesensor på roboten
Fototransistorer brukes ofte med IR-LED-er som sendere for å lese lysrefleksjoner fra svart/hvite overflater.
4. Lysintensitetsmåler
Fotodioder er mer egnet for enheter som krever intensitetsnøyaktighet og linearitet.
-
6. Kesimpulan
Både fotodioder og fototransistorer konverterer lys til elektriske signaler, men de bruker forskjellige metoder. Fotodioder bruker dannelsen av elektron-hull-par ved PN-overgangen for å generere en rask og relativt lineær fotostrøm, noe som gjør dem ideelle for høyhastighetsapplikasjoner og presisjonsmålinger. Fototransistorer bruker derimot effekten av lys til å "erstatte" basisstrømmen og forsterker den deretter gjennom transistorens forsterkning, noe som gjør dem mer følsomme og enklere å bruke i enkle kretser, selv om de vanligvis er tregere og mindre lineære.
Ved å forstå hvordan begge fungerer, kan vi velge de riktige komponentene for våre behov: enten vi er ute etter hastighet og nøyaktighet (fotodioder) eller følsomhet og enkelhet (fototransistorer). Når de brukes riktig, er begge deler viktige grunnlag for moderne optiske sensorsystemer .
