ෆොටෝ ඩයෝඩ සහ ෆොටෝ ට්රාන්සිස්ටරවල ක්රියාකාරීත්වයේ මූලධර්මය
නවීන ඉලෙක්ට්රොනික තාක්ෂණයේ දියුණුව බොහෝ දුරට රඳා පවතින්නේ ආලෝකය "දැකීමට" සහ එය විද්යුත් සංඥා බවට පරිවර්තනය කිරීමට හැකියාව ඇති සංවේදක උපාංග මත ය. මේ සඳහා බහුලව භාවිතා වන සංරචක දෙක වන්නේ ෆොටෝඩයෝඩ සහ ෆොටෝට්රාන්සිස්ටර ය. දෙකම ස්වයංක්රීයකරණ පද්ධති, දෘශ්ය සන්නිවේදනය, මිනුම් උපකරණ සහ ජංගම දුරකථනවල දුරස්ථ පාලක, මුද්රණ යන්ත්ර සහ ආලෝක සංවේදක වැනි පාරිභෝගික උපාංගවල බහුලව භාවිතා වන ආලෝක සංවේදී අර්ධ සන්නායක පවුලට අයත් වේ. දෙකම ආලෝකයට ප්රතිචාර දැක්වුවද, ෆොටෝඩයෝඩ සහ ෆොටෝට්රාන්සිස්ටරවලට විවිධ මෙහෙයුම් මූලධර්ම, ලක්ෂණ සහ යෙදුම් ඇත. මෙම ලිපියෙන් ඒවායේ ක්රියාකාරී මූලධර්ම ගැඹුරින් සාකච්ඡා කරයි, ඒවා සංසන්දනය කරයි සහ ඒවායේ යෙදුම් සඳහා උදාහරණ සපයයි.
-
1. අර්ධ සන්නායකවල ආලෝක සංවේදනය පිළිබඳ මූලික කරුණු
ප්රකාශ ඩයෝඩ සහ ප්රකාශ ට්රාන්සිස්ටර තේරුම් ගැනීමට, අර්ධ සන්නායකවල ප්රධාන සංකල්පය අප මතක තබා ගත යුතුය: ආරෝපණ වාහක, ඉලෙක්ට්රෝන සහ සිදුරු. ආලෝකය (ෆෝටෝන) අර්ධ සන්නායක ද්රව්යයකට පහර දෙන විට, ඒවා ඉලෙක්ට්රෝන ශක්තියෙන් පුරවන අතර එමඟින් ඒවා සංයුජතා කලාපයේ සිට සන්නායක කලාපයට ගමන් කරයි. මෙම ක්රියාවලිය ඉලෙක්ට්රෝන-සිදුරු යුගල නිර්මාණය කරයි. ෆෝටෝන වැඩි වන තරමට, ආරෝපණ වාහක යුගල සෑදී ඇති අතර, ගලා යා හැකි ධාරාවේ ප්රමාණය වැඩි වේ.
ප්රධාන කරුණ නම්: ආලෝකය සංරචකවල විද්යුත් ගුණාංගවල වෙනස්කම් ඇති කරයි. මෙම වෙනස්කම් ධාරාවේ වැඩි වීමක්, ප්රතිරෝධයේ අඩුවීමක් හෝ වෝල්ටීයතාවයක පෙනුම වැනි ආකාරවලින් විය හැකිය. ෆොටෝඩයෝඩ සහ ෆොටෝට්රාන්සිස්ටරවල, ප්රාථමික වෙනස ධාරාවේ දක්නට ලැබේ.
-
2. ෆොටෝඩයෝඩයේ ක්රියාකාරී මූලධර්මය
අ. ව්යුහය සහ ක්රියාකාරීත්වයේ ආකාරය
ප්රකාශ ඩයෝඩයක් යනු අත්යවශ්යයෙන්ම ආලෝකයට සංවේදී වීම සඳහා නිර්මාණය කර ඇති PN ඩයෝඩයක් (හෝ PIN සහ හිම කුණාටු ප්රකාශ ඩයෝඩ වැනි වෙනස්කම්) වේ. PN ව්යුහය ක්ෂය වීමේ කලාපයක් සාදයි, එය ආරෝපිත "වෙන් කිරීමේ කලාපයක්" ලෙස ක්රියා කරන නිදහස් ආරෝපණ වාහක නොමැති කලාපයකි.
ෆොටෝඩියෝඩ ආකාර කිහිපයකින් ක්රියා කළ හැකි නමුත් බහුලව භාවිතා වන්නේ:
1. ප්රකාශ සන්නායක මාදිලිය (ප්රතිලෝම නැඹුරුව)
ෆොටෝ ඩයෝඩය ප්රතිලෝම-පක්ෂග්රාහී වේ. ක්ෂය වීමේ කලාපය පුළුල් වේ, ප්රතිචාරය වේගවත් වේ, ධාරණාව අඩු වේ, සහ රේඛීයතාව සාමාන්යයෙන් හොඳයි. මෙම මාදිලිය සංවේදක සහ දෘශ්ය සන්නිවේදනය සඳහා ඉතා සුලභ වේ.
2. ප්රකාශ වෝල්ටීයතා මාදිලිය (පක්ෂග්රාහී/ශුන්ය නැඹුරුවක් නැත)
ෆොටෝඩයෝඩ බාහිරව පක්ෂග්රාහී නොවේ. එන ආලෝකය සූර්ය කෝෂයකට සමාන වෝල්ටීයතාවයක් නිපදවයි, නමුත් කුඩා එකක්. මෙය අඩු ශබ්දයේ වාසියක් ඇති අතර එමඟින් ඇතැම් මිනුම් සඳහා සුදුසු වේ, නමුත් ප්රතිචාරය ප්රතිලෝම නැඹුරුවට වඩා මන්දගාමී විය හැකිය.
ආ. ආලෝකය ධාරාව බවට පරිවර්තනය කිරීමේ යාන්ත්රණය
ෆොටෝ ඩයෝඩය ආලෝකයට නිරාවරණය වන විට:
1. ෆෝටෝන අවශෝෂණය වන්නේ ක්ෂය වීමේ කලාපයේ හෝ හන්දිය අසල ය.
2. ඉලෙක්ට්රෝන-සිදුරු යුගලයක් සෑදී ඇත.
3. හන්දියේ අභ්යන්තර විද්යුත් ක්ෂේත්රය යුගලය වෙන් කරයි:
- ඉලෙක්ට්රෝන N පැත්තට තල්ලු කරනු ලැබේ.
– සිදුර P පැත්තට තල්ලු කර ඇත
4. මෙම ආරෝපණ වෙන්වීම ප්රකාශ ධාරාවක් නිපදවයි.
මුළු පිටතට ගලායාම සාමාන්යයෙන් පහත සඳහන් සංයෝගවලින් එකකි:
– අඳුරු ධාරාව: ආලෝකය නොමැතිව පවා ගලා යන කුඩා ධාරාවක් (තාප බලපෑම් හේතුවෙන්).
– ප්රකාශ ධාරාව: ආලෝක තීව්රතාවයට සමානුපාතික වන ධාරාව.
සරලව කිවහොත්, ආලෝකය → දීප්තිමත් වන තරමට ප්රකාශ ධාරාව වැඩි වේ.
ඇ. ෆොටෝඩියෝඩ වල ලක්ෂණ
ෆොටෝ ඩයෝඩවල සමහර වැදගත් ලක්ෂණ අතර:
- වේගවත් ප්රතිචාරය (ඉහළ සංඛ්යාත සංඥා සඳහා සුදුසු)
- යම් පරාසයක් තුළ රේඛීය සිට ආලෝක තීව්රතාවය දක්වා
– ප්රතිදාන ධාරාව ෆොටෝ ට්රාන්සිස්ටරයකට සාපේක්ෂව කුඩා බැවින් එයට බොහෝ විට ඇම්ප්ලිෆයර් (op-amp/transimpedance amplifier) අවශ්ය වේ.
- නිරවද්ය යෙදීම්වල දී ශබ්දය සහ අඳුරු ධාරාව වැදගත් සාධක වේ.
-
3. ෆොටෝ ට්රාන්සිස්ටරයේ ක්රියාකාරී මූලධර්මය
a. ෆොටෝ ට්රාන්සිස්ටරයක මූලික ව්යුහය
ප්රකාශ ට්රාන්සිස්ටරයක් යනු අත්යවශ්යයෙන්ම BJT (සාමාන්යයෙන් NPN) ට්රාන්සිස්ටරයක් වන අතර එහි පාදය ආලෝක සංවේදී කර ඇත. ප්රකාශ ට්රාන්සිස්ටරයක, ආලෝකය එකතු කරන්නා-විමෝචක ධාරාව පාලනය කරන "පාදක ධාරාවක්" ලෙස ක්රියා කරයි.
ෆෝටෝන ආචරණයෙන් සෘජුවම ධාරාව ජනනය කරන ෆොටෝ ඩයෝඩ මෙන් නොව, ෆොටෝ ට්රාන්සිස්ටර ට්රාන්සිස්ටරයේ ලාභය භාවිතා කරයි. ලාභය නිසා, ෆොටෝ ට්රාන්සිස්ටරයේ ප්රතිදාන ධාරාව බොහෝ විශාල විය හැකිය.
b. ක්රියාකාරී යාන්ත්රණය: මූලික ධාරාව සඳහා ආදේශකයක් ලෙස ආලෝකය
එය ක්රියාත්මක වන ආකාරය පහත පරිදි පැහැදිලි කළ හැකිය:
1. ආලෝකය පාදම–එකතු කරන්නා ප්රදේශයට (සාමාන්යයෙන් BC හන්දිය) වදියි.
2. ෆෝටෝන අවශෝෂණය හේතුවෙන් ඉලෙක්ට්රෝන-සිදුරු යුගල සෑදී ඇත.
3. මෙම ආචරණය ෆොටෝබැස් ධාරාවට සමාන කුඩා ධාරාවක් නිපදවයි.
4. BJT ට්රාන්සිස්ටරයක, එකතු කරන්නා ධාරාව ආසන්න වශයෙන්:
\[
I_C \ආසන්න වශයෙන් \බීටා \cdot I_B
\]
\( I_B \) ආලෝකයෙන් "සෑදී" ඇති බැවින්, ආලෝකය \( I_C \) පාලනය කරනු ඇත.
එහි ප්රතිඵලයක් ලෙස, ආලෝක තීව්රතාවයේ කුඩා වෙනස්වීම්, ලාභ සාධකය \(\beta\) හේතුවෙන්, ප්රකාශ ඩයෝඩයකට වඩා එකතු කරන්නා ධාරාවේ විශාල වෙනස්කම් ඇති කළ හැකිය.
c. පරිපථ මාදිලිය සහ ක්රියාත්මක කිරීම
ප්රභා ට්රාන්සිස්ටර බොහෝ විට පහත සඳහන් ආකාරවලින් භාවිතා වේ:
– පොදු විමෝචකය: ප්රතිරෝධකයක් හරහා වෝල්ටීයතාවයට එකතු කරන්නා, එකතු කරන්නා වෙත ප්රතිදානය. ආලෝකයට නිරාවරණය වන විට, ට්රාන්සිස්ටරය වඩාත් “ක්රියාත්මක” වේ, ප්රතිදාන වෝල්ටීයතාවය වෙනස් වේ.
– පොදු එකතු කරන්නා (විමෝචක අනුගාමිකයා): විමෝචකයේ ප්රතිදානය, නිශ්චිත සංවේදක සඳහා ප්රයෝජනවත් නමුත් සරල සංවේදකවල එතරම් සුලභ නොවේ.
සමහර විට ෆොටෝ ට්රාන්සිස්ටරවල පාදක පින් එක ඉවත් කර ඇත (3-පින්), නමුත් බොහෝ ඒවායේ ඇත්තේ 2-පින් පමණි (අභ්යන්තර පාදම ප්රවේශ විය නොහැක).
ඈ. ප්රභා ට්රාන්සිස්ටරවල ලක්ෂණ
– වඩාත් සංවේදී (වැඩි ප්රතිදාන ධාරාවක්)
– ආරෝපණ ගබඩා කිරීමේ ක්රියාවලිය සහ ට්රාන්සිස්ටර ගතිකය හේතුවෙන් ෆොටෝ ඩයෝඩවලට වඩා මන්දගාමී වේ.
– සමහර තත්වයන් යටතේ, විශේෂයෙන් සන්තෘප්තියට ආසන්නව අඩු රේඛීය වීමට නැඹුරු වේ.
– ආලෝකය/අඳුරු හඳුනාගැනීම, වස්තු සංවේදනය, දෘෂ්ටි කප්ලර්, විප්ලව කවුන්ටර සහ සරල පාලන යෙදුම් සඳහා සුදුසු වේ.
-
4. ෆොටෝඩයෝඩය සහ ෆොටෝට්රාන්සිස්ටරය සංසන්දනය කිරීම
ප්රධාන වෙනස්කම් වල සාරාංශයක් මෙන්න:
1. ප්රතිචාර වේගය
- ෆොටෝ ඩයෝඩය: ඉතා වේගවත් (දෘශ්ය සන්නිවේදනය සඳහා හොඳයි, වේගවත් මොඩියුලේෂන්)
– ෆොටෝට්රාන්සිස්ටරය: මන්දගාමී (සාමාන්ය සංවේදක සඳහා ප්රමාණවත්)
2. සංවේදීතාව / විස්තාරණය
- ෆොටෝඩයෝඩය: කුඩා ධාරාවක්, බොහෝ විට විස්තාරණය අවශ්ය වේ
– ෆොටෝට්රාන්සිස්ටරය: ට්රාන්සිස්ටර ලාභය නිසා විශාල ධාරාවක්
3. රේඛීයතාව
– ෆොටෝඩියෝඩ: සාමාන්යයෙන් වඩාත් රේඛීය
– ෆොටෝට්රාන්සිස්ටරය: රේඛීය නොවන, පහසුවෙන් සංතෘප්ත විය හැක
4. ශ්රේණි
– ෆොටෝඩයෝඩය: බොහෝ විට ධාරාවෙන් වෝල්ටීයතාවයට ඇම්ප්ලිෆයර් පරිපථයක් අවශ්ය වේ.
- ෆොටෝ ට්රාන්සිස්ටරය: සරල බර ප්රතිරෝධකයක් සමඟ කෙලින්ම භාවිතා කළ හැකිය.
5. අයදුම්පත
- ෆොටෝඩයෝඩ: ෆයිබර් ඔප්ටික් සන්නිවේදනය, නිරවද්ය සංවේදක, ක්රමාංකනය කළ ආලෝක මිනුම්
- ෆොටෝට්රාන්සිස්ටර: වස්තු අනාවරක, රේඛා සංවේදක, දෘෂ්ටි කප්ලර්, ආලෝක ස්විච
-
5. සැබෑ ජීවිතයේ යෙදුම් සඳහා උදාහරණ
1. දෘෂ්ටි කප්ලර්
බොහෝ දෘෂ්ටි කප්ලර්, ප්රකාශ ට්රාන්සිස්ටර භාවිතා කරන්නේ ප්රතිදාන සංඥාව ඩිජිටල් හෝ ස්විචින් පරිපථ ධාවනය කිරීමට ප්රමාණවත් තරම් විශාල විය යුතු බැවිනි.
2. අධෝරක්ත ග්රාහකය
IR ග්රාහක (දුරස්ථ) වලදී, අභ්යන්තර ඇම්ප්ලිෆයර් සහිත ෆොටෝඩයෝඩ හෝ ෆොටෝඩයෝඩ මත පදනම් වූ IR ග්රාහක මොඩියුල බොහෝ විට භාවිතා කරනුයේ ඒවාට මොඩියුලේෂන් සඳහා වේගවත් ප්රතිචාරයක් අවශ්ය වන බැවිනි (උදා: 38 kHz).
3. රොබෝව මත රේඛීය සංවේදකය
කළු/සුදු පෘෂ්ඨ වලින් ලැබෙන ආලෝක පරාවර්තන කියවීම සඳහා සම්ප්රේෂක ලෙස IR LED සමඟ ප්රභා ට්රාන්සිස්ටර බොහෝ විට භාවිතා වේ.
4. ආලෝක තීව්රතා මීටරය
තීව්රතා නිරවද්යතාවය සහ රේඛීයතාව අවශ්ය උපාංග සඳහා ෆොටෝඩයෝඩ වඩාත් සුදුසු වේ.
-
6 කෙසිම්පුලන්
ෆොටෝඩයෝඩ සහ ෆොටෝට්රාන්සිස්ටර යන දෙකම ආලෝකය විද්යුත් සංඥා බවට පරිවර්තනය කරයි, නමුත් ඒවා ක්රියාත්මක වන්නේ විවිධ ප්රවේශයන් භාවිතා කරමිනි. ෆොටෝඩයෝඩ PN හන්දියේ ඉලෙක්ට්රෝන-කුහර යුගල සෑදීම භාවිතා කර වේගවත් හා සාපේක්ෂව රේඛීය ප්රකාශ ධාරාවක් ජනනය කරයි, එමඟින් ඒවා අධිවේගී යෙදුම් සහ නිරවද්ය මිනුම් සඳහා වඩාත් සුදුසු වේ. අනෙක් අතට, ෆොටෝට්රාන්සිස්ටර, පාදක ධාරාව "ප්රතිස්ථාපනය" කිරීමට ආලෝකයේ බලපෑම් භාවිතා කර පසුව ට්රාන්සිස්ටරයේ ලාභය හරහා එය විස්තාරණය කරයි, ඒවා සාමාන්යයෙන් මන්දගාමී සහ අඩු රේඛීය වුවද, සරල පරිපථවල වඩාත් සංවේදී සහ භාවිතා කිරීමට පහසු කරයි.
දෙකම ක්රියාත්මක වන ආකාරය තේරුම් ගැනීමෙන්, අපට අපගේ අවශ්යතා සඳහා නිවැරදි සංරචක තෝරා ගත හැකිය: අපි වේගය සහ නිරවද්යතාවය (ෆොටෝ ඩයෝඩ) හෝ සංවේදීතාව සහ සරල බව (ෆොටෝ ට්රාන්සිස්ටර) සොයනවාද යන්න. නිවැරදිව භාවිතා කළ විට, දෙකම නවීන දෘශ්ය සංවේදක පද්ධතිවල අත්යවශ්ය අත්තිවාරම් වේ.
