Fototranzistor

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 8. června 2021; kontroly vyžadují 4 úpravy .

Fototranzistor  je optoelektronické polovodičové zařízení, varianta bipolárního tranzistoru . Od běžného bipolárního tranzistoru se liší tím, že polovodičová základní vrstva zařízení je přístupná vnějšímu optickému záření, díky čemuž je proud skrz zařízení závislý na intenzitě tohoto záření.

Od fotodiody se liší tím, že má vnitřní zesílení fotoproudu a tedy větší citlivost na optické záření.

Fototranzistor může mít polovodičovou strukturu npn i pnp tranzistorů.

Většina průmyslových typů fototranzistorů nemá elektrickou základní svorku, ale některé modely takovou svorku mají a obvykle slouží k posunutí počátečního pracovního bodu zařízení přivedením určitého proudu do báze.

Historie

Fototranzistor vynalezl John Northrup Shive v roce 1948 v Bell Laboratories [1] , ale vynález byl oznámen až v roce 1950 [2] Ve stejné době byly fototranzistory poprvé použity ve čtečce děrných štítků v automatické telefonní ústředně.

Jak funguje fototranzistor

Bipolární fototranzistor je polovodičové zařízení se dvěma pn přechody a třemi vrstvami střídavého polovodičového typu - analog konvenčního bipolárního tranzistoru s regulací proudu báze. Ale ve fototranzistoru je základním proudem fotoproud. Když je základní vrstva fototranzistoru osvětlena, v jeho základně se generují páry elektron-díra v důsledku vnitřního fotoelektrického jevu , generujícího fotoproud. Tento proces snižuje potenciálovou bariéru z rozdílu kontaktních potenciálů v přechodu emitor-báze, což zvyšuje difúzi minoritních nosičů (pro bázi) z emitoru do báze, to znamená, že můžeme předpokládat, že v tomto zařízení je fotoproud základní proud konvenčního tranzistoru. Můžeme říci, že fototranzistor je podobný klasickému bipolárnímu tranzistoru, mezi vývody kolektoru a jeho základnou je zapojena fotodioda s obráceným předpětím.

Jak víte, tranzistor má schopnost zesílit základní proud , zesilovací faktor, takže kolektorový proud a proud emitoru, který je mu rovný, jsou krát větší než počáteční fotoproud. Fotosenzitivita fototranzistoru je tedy více než fotocitlivost fotodiody se stejnou plochou fotopřijímacího povrchu několik desítek až několik setkrát.

Základní parametry fototranzistoru

Citlivost

Proudová citlivost světelného toku fototranzistoru je určena poměrem proudu procházejícího zařízením k světelnému toku, který tento proud způsobil.

Současná citlivost moderních fototranzistorů dosahuje několika stovek mA / lm .

Temný proud

I při absenci osvětlení protéká svítidlem určitý proud, nazývaný temný proud . Tento proud narušuje registraci slabých světelných toků, protože „maskuje“ užitečný signál a při výrobě fototranzistorů je snaha o jeho snížení různými technologickými metodami. Velikost temného proudu navíc výrazně závisí na teplotě polovodičové struktury a roste s jejím nárůstem přibližně stejně jako zpětný proud pn přechodu v libovolném polovodičovém zařízení. Proto se pro snížení temného proudu někdy používá nucené chlazení zařízení.

Jsou-li ostatní věci stejné, velikost temného proudu silně závisí na zakázaném pásmu polovodiče a klesá, jak se zvětšuje. Proto jsou charakteristické hodnoty temného proudu při pokojové teplotě pro germaniové fototranzistory v řádu několika μA, pro křemíkové fototranzistory  zlomky μA a pro arsenid galia  desítky pA.

Spektrální citlivost

Citlivost fototranzistoru závisí na vlnové délce dopadajícího záření. Například u křemíkových zařízení je maximální citlivost v rozsahu 850-930 nm – červené a blízké infračervené oblasti. Pro blízké ultrafialové záření (~400 nm) se citlivost snižuje o faktor ~10 od maxima. Také citlivost klesá s rostoucí vlnovou délkou a pro vlnové délky nad ~1150 nm se okraj křemíkového optického absorpčního pásma snižuje k nule.

Výkon

Fototranzistory jsou relativně pomalé ve srovnání s fotodiodami . To je způsobeno konečnou dobou resorpce minoritních nosičů v základně s poklesem osvětlení. Pokud se navíc se změnou osvětlení, ke které dochází v některých elektrických spínacích obvodech zařízení, mění napětí mezi kolektorem a emitorem, Millerův jev vlivem kapacity kolektoru - báze pn přechodu dále snižuje rychlost. V praxi je provozní frekvenční rozsah fototranzistorů omezen na několik stovek kilohertzů - jednotek megahertzů a závisí na spínacím obvodu.

Začlenění fototranzistorů do elektrických obvodů

Klasické zapínání zařízení je s kolektorovým přechodem posunutým v opačném směru, to znamená, že u zařízení s npn strukturou je kladné napětí vůči emitoru přivedeno na kolektor a naopak na pnp strukturu.

U zařízení, která mají třetí elektrický výstup báze, je možné zapínat podle libovolného spínacího schématu klasického bipolárního tranzistoru - se společným emitorem , bází nebo kolektorem . V tomto případě externí základní proud nastavuje polohu "temného pracovního bodu" na charakteristice proud-napětí .

Někdy se zapnou třísvorkové fototranzistory, aby zvýšily rychlost jako běžná fotodioda, přičemž ztrácejí na citlivosti, ale nabírají na rychlosti.

Výhody a nevýhody fototranzistorů

Hlavní výhodou fototranzistorů oproti fotodiodám je jejich vysoká citlivost na záření.

Nevýhody - nízká rychlost, takže tato zařízení nejsou vhodná pro použití jako přijímače záření ve vysokorychlostních optických komunikačních linkách . Rovněž nevýhodou fototranzistorů je poměrně velký temný proud.

Konstrukce trupu

Zařízení určená pro příjem vnějšího záření jsou uzavřena v plastovém, kovoskleněném nebo kovokeramickém pouzdře s průhledným okénkem nebo čočkou z plastu nebo skla. Výjimkou jsou fototranzistory, které jsou součástí optočlenů , uzavřených spolu se zdrojem záření v neprůhledném pouzdře.

Zařízení konstruovaná ve sklo-kovových a kovokeramických pouzdrech mají obvykle přídavný elektrický výstup základny.

Aplikace

Vzhledem k tomu, že fototranzistory jsou citlivější než fotodiody, lze je pohodlně použít jako přijímače záření v různých bezpečnostních automatizačních systémech, systémech poplašné ochrany proti vloupání , čtečkách děrných štítků a děrných pásek , senzorech polohy a vzdálenosti a dalších aplikacích, kde rychlost není kritická.

Často se fototranzistory používají v optočlenech jako přijímače záření v optočlenech .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Michael Riordan, Lillian Hoddeson Crystal Fire: Vynález tranzistoru a zrození informačního věku / ISBN 978-0-393-31851-7
  2. ↑ Fototranzistor . Získáno 11. 5. 2017. Archivováno z originálu 4. 7. 2015.