Fotodiodlar va fototransistorlarning ishlash printsipi
Zamonaviy elektron texnologiyalarning rivojlanishi yorug'likni "ko'rish" va uni elektr signallariga aylantirish qobiliyatiga ega sensor qurilmalariga katta tayanadi. Bu maqsadda eng ko'p ishlatiladigan ikkita komponent fotodiodlar va fototranzistorlardir. Ikkalasi ham yorug'likka sezgir yarimo'tkazgichlar oilasiga tegishli bo'lib, avtomatlashtirish tizimlarida, optik aloqada, o'lchash asboblarida va masofadan boshqarish pultlari, printerlar va mobil telefonlardagi yorug'lik sensorlari kabi iste'molchi qurilmalarida keng qo'llaniladi. Ikkalasi ham yorug'likka javob bersa-da, fotodiodlar va fototranzistorlar turli xil ish printsiplari, xususiyatlari va qo'llanilishlariga ega. Ushbu maqolada ularning ish printsiplari chuqur muhokama qilinadi, ularni taqqoslaydi va qo'llanilishining misollarini keltiradi.
-
1. Yarimo'tkazgichlarda yorug'likni sezish asoslari
Fotodiodlar va fototranzistorlarni tushunish uchun biz yarimo'tkazgichlarning asosiy tushunchasini eslab qolishimiz kerak: zaryad tashuvchilar, elektronlar va teshiklar. Yorug'lik (fotonlar) yarimo'tkazgich materialiga tushganda, ular elektronlarni energiya bilan ta'minlaydi va bu ularning valentlik zonasidan o'tkazuvchanlik zonasiga o'tishiga olib keladi. Bu jarayon elektron-teshik juftliklarini yaratadi. Qancha ko'p fotonlar yutilsa, shuncha ko'p zaryad tashuvchilar juftliklari hosil bo'ladi va bu oqishi mumkin bo'lgan tok miqdorini oshiradi.
Asosiy nuqta: yorug'lik komponentlarning elektr xususiyatlarida o'zgarishlarni keltirib chiqaradi. Bu o'zgarishlar tokning oshishi, qarshilikning pasayishi yoki kuchlanishning paydo bo'lishi shaklida bo'lishi mumkin. Fotodiodlar va fototranzistorlarda asosiy o'zgarish tokda kuzatiladi.
-
2. Fotodiodning ishlash printsipi
a. Tuzilishi va ishlash tartibi
Fotodiod asosan yorug'likka sezgir bo'lish uchun mo'ljallangan PN diodi (yoki PIN va ko'chki fotodiodlari kabi variantlar). PN tuzilishi zaryadlangan "ajralish zonasi" kabi ishlaydigan erkin zaryad tashuvchilardan xoli bo'lgan, kamayish mintaqasini hosil qiladi.
Fotodiodlar bir nechta rejimlarda ishlashi mumkin, ammo eng ko'p ishlatiladiganlari:
1. Fotoo'tkazuvchanlik rejimi (teskari tarafkashlik)
Fotodiod teskari yo'nalishda ishlaydi. Yo'qotish sohasi kengayadi, javob tezlashadi, sig'im kamayadi va chiziqlilik odatda yaxshi. Bu rejim sensorlar va optik aloqa uchun juda keng tarqalgan.
2. Fotovoltaik rejim (noaniqlik yo'q/nolinchi noaniqlik)
Fotodiodlar tashqi tarafkashlik qilmaydi. Kiruvchi yorug'lik quyosh batareyasiga o'xshash kuchlanish hosil qiladi, garchi u kichikroq bo'lsa ham. Bu shovqinning pastligi afzalligiga ega, bu uni ma'lum o'lchovlar uchun mos qiladi, ammo javob teskari tarafkashlikka qaraganda sekinroq bo'lishi mumkin.
b. Yorug'likni tokka aylantirish mexanizmi
Fotodiod yorug'likka duchor bo'lganda:
1. Fotonlar kamayish mintaqasida yoki birikma yaqinida yutiladi.
2. Elektron-teshik juftligi hosil bo'ladi.
3. Elektr maydoni ichki qismdagi ulanish juftlikni ajratib turadi:
– Elektronlar N tomonga suriladi
– Teshik P tomoniga itarib yuborildi
4. Bu zaryadni ajratish fototokni hosil qiladi.
Umumiy chiqindi odatda quyidagilarning kombinatsiyasi hisoblanadi:
– Qorong'u tok: yorug'liksiz ham oqadigan kichik tok (issiqlik effektlari tufayli).
– Fototok: yorug'lik intensivligiga mutanosib bo'lgan tok.
Sodda qilib aytganda, yorug'lik qanchalik yorqin bo'lsa → fototok shuncha katta bo'ladi.
c. Fotodiodlarning xususiyatlari
Fotodiodlarning ba'zi muhim xususiyatlari quyidagilarni o'z ichiga oladi:
– Tez javob (yuqori chastotali signallar uchun mos)
– Muayyan diapazonda chiziqli yorug'lik intensivligi
– Chiqish oqimi fototransistorga nisbatan nisbatan kichik, shuning uchun ko'pincha kuchaytirgich (op-amp/transimpedans kuchaytirgichi) talab qilinadi.
– Shovqin va qorong'u tok aniq qo'llanilishda muhim omillar hisoblanadi.
-
3. Fototransistorning ishlash printsipi
a. Fototransistorning asosiy tuzilishi
Fototransistor asosan BJT (odatda NPN) tranzistori bo'lib, uning bazasi yorug'likka sezgir qilingan. Fototransistorda yorug'lik kollektor-emitter tokini boshqaradigan "asosiy tok" vazifasini bajaradi.
Foton effektidan to'g'ridan-to'g'ri tok hosil qiluvchi fotodiodlardan farqli o'laroq, fototranzistorlar tranzistorning kuchaytirish koeffitsientidan foydalanadilar. Kuchaytirish tufayli fototranzistorning chiqish oqimi ancha katta bo'lishi mumkin.
b. Ish mexanizmi: Asosiy tok o'rnini bosuvchi yorug'lik
Uning qanday ishlashini quyidagicha tushuntirish mumkin:
1. Yorug'lik asos-kollektor sohasiga (odatda BC birikmasiga) tushadi.
2. Fotonlarning yutilishi tufayli elektron-teshik juftlari hosil bo'ladi.
3. Bu effekt fotobazaviy tokga teng bo'lgan kichik tok hosil qiladi.
4. BJT tranzistorida kollektor oqimi taxminan quyidagicha:
\[
I_C \approx \beta \cdot I_B
\]
\(I_B \) yorug'lik tomonidan "yaratilgan"ligi sababli, yorug'lik \(I_C \) ni boshqaradi.
Natijada, yorug'lik intensivligidagi kichik o'zgarishlar fotodiodga qaraganda kollektor oqimida katta o'zgarishlarga olib kelishi mumkin, bu kuchaytirish koeffitsienti \(beta\) tufayli.
c. O'chirish rejimi va amalga oshirish
Fototransistorlar ko'pincha quyidagi rejimlarda qo'llaniladi:
– Umumiy emitter: kollektordan rezistor orqali kuchlanishga o'tadi, chiqish kollektorda amalga oshiriladi. Yorug'lik ta'sirida tranzistor ko'proq "ON" holatida bo'ladi, chiqish kuchlanishi o'zgaradi.
– Umumiy kollektor (emitent izdoshi): emitentdagi chiqish, ma'lum sensorlar uchun foydali, ammo oddiy sensorlarda kamroq uchraydi.
Ba'zan fototransistorlarda asosiy pin olib tashlanadi (3 pinli), lekin ko'pchiligida faqat 2 pinli (ichki taglikka kirish mumkin emas).
d. Fototransistorlarning xususiyatlari
– Ko'proq sezgir (katta chiqish oqimi)
– Zaryadni saqlash jarayoni va tranzistor dinamikasi tufayli fotodiodlarga qaraganda sekinroq
– Ba'zi sharoitlarda, ayniqsa to'yinganlikka yaqin sharoitlarda kamroq chiziqli bo'lishga moyil
– Yorugʻlik/qorongʻulikni aniqlash, obyektlarni aniqlash, optokupllar, aylanish hisoblagichlari va oddiy boshqaruv ilovalari uchun mos keladi.
-
4. Fotodiod va fototransistorni taqqoslash
Asosiy farqlarning qisqacha mazmuni:
1. Javob tezligi
– Fotodiod: juda tez (optik aloqa, tezkor modulyatsiya uchun yaxshi)
– Fototransistor: sekinroq (umumiy sensorlar uchun yetarli)
2. Sezgirlik / kuchaytirish
– Fotodiod: kichik tok, ko'pincha kuchaytirishni talab qiladi
– Fototransistor: tranzistorning kuchaytirilishi tufayli kattaroq tok
3. Chiziqlilik
– Fotodiodlar: odatda chiziqliroq
– Fototransistor: chiziqli bo'lmagan, osongina to'yingan bo'lishi mumkin
4. Seriya
– Fotodiod: ko'pincha tokdan kuchlanishgacha bo'lgan kuchaytirgich sxemasini talab qiladi
– Fototransistor: oddiy yuk qarshiligi bilan bevosita ishlatilishi mumkin
5. Qo'llash
– Fotodiodlar: optik tolali aloqa, aniq sensorlar, kalibrlangan yorug'lik o'lchovi
– Fototransistorlar: obyekt detektorlari, chiziqli sensorlar, optokupllar, yorug'lik o'chirgichlari
-
5. Haqiqiy hayotdagi qo'llanmalarga misollar
1. Optokupl
Ko'pgina optokupllar fototransistorlardan foydalanadilar, chunki chiqish signali raqamli yoki kommutatsiya sxemalarini boshqarish uchun etarlicha katta bo'lishi kerak.
2. Infraqizil qabul qilgich
IQ qabul qilgichlarda (masofadan boshqarish pultlari) ko'pincha ichki kuchaytirgichlarga ega fotodiodlar yoki fotodiod asosidagi IQ qabul qilgich modullari qo'llaniladi, chunki ular modulyatsiyaga tez javob berishni talab qiladi (masalan, 38 kHz).
3. Robotdagi chiziq sensori
Fototransistorlar ko'pincha qora/oq sirtlardan yorug'lik aksini o'qish uchun uzatgich sifatida infraqizil LEDlar bilan ishlatiladi.
4. Yorug'lik intensivligi o'lchagichi
Fotodiodlar intensivlik aniqligi va chiziqlilikni talab qiladigan qurilmalar uchun ko'proq mos keladi.
-
6. Kesimpulan
Fotodiodlar va fototransistorlar yorug'likni elektr signallariga aylantiradi, ammo ular turli yondashuvlar yordamida ishlaydi . Fotodiodlar PN birikmasida elektron-teshik juftliklarining shakllanishidan foydalanib, tez va nisbatan chiziqli fototok hosil qiladi, bu ularni yuqori tezlikda qo'llaniladigan dasturlar va aniq o'lchovlar uchun ideal qiladi. Boshqa tomondan, fototransistorlar yorug'lik effektlaridan foydalanib, asosiy tokni "almashtiradi" va keyin uni tranzistorning kuchaytirish koeffitsienti orqali kuchaytiradi, bu ularni oddiy zanjirlarda sezgirroq va ulardan foydalanishni osonlashtiradi, garchi ular odatda sekinroq va kamroq chiziqli bo'lsa ham.
Ikkalasining qanday ishlashini tushunish orqali biz ehtiyojlarimizga mos keladigan to'g'ri komponentlarni tanlashimiz mumkin: tezlik va aniqlikni (fotodiodlar) yoki sezgirlik va soddalikni (fototranzistorlar) qidiryapmizmi. To'g'ri ishlatilganda, ikkalasi ham zamonaviy optik sensor tizimlarining muhim asosidir.
