Valotransistori

Valotransistori  on optoelektroninen puolijohdelaite , muunnos bipolaarisesta transistorista . Se eroaa tavanomaisesta bipolaarisesta transistorista siinä, että laitteen puolijohdepohjakerrokseen pääsee ulkoiselle optiselle säteilylle, minkä vuoksi laitteen läpi kulkeva virta riippuu tämän säteilyn voimakkuudesta.

Se eroaa valodiodista siinä, että siinä on sisäinen valovirran vahvistus ja siksi suurempi herkkyys optiselle säteilylle.

Valotransistorilla voi olla sekä npn- että pnp-transistoreiden puolijohderakenne .

Useimmissa teollisuustyypeissä fototransistoreissa ei ole sähköistä pohjaliitintä, mutta joissakin malleissa on tällainen liitin, ja ne yleensä siirtävät laitteen alkuperäistä toimintapistettä kohdistamalla kantaan virtaa.

Historia

Valotransistorin keksi John Northrup Shive vuonna 1948 ollessaan Bell Laboratoriesissa [1] , mutta keksinnöstä ilmoitettiin vasta vuonna 1950 [2] Samaan aikaan fototransistoreita käytettiin ensimmäisen kerran automaattisen puhelinvaihteen rei'itettyjen kortinlukijoiden yhteydessä.

Kuinka fototransistori toimii

Bipolaarinen fototransistori on puolijohdelaite, jossa on kaksi pn-liitosta ja kolme kerrosta vuorottelevaa puolijohdetyyppiä - tavanomaisen bipolaarisen transistorin analogi, jossa on perusvirran säätö. Mutta fototransistorissa perusvirta on valovirta. Kun valotransistorin pohjakerros on valaistu, sen pohjaan muodostuu elektroni-reikäpareja sisäisen valosähköisen vaikutuksen vuoksi, jolloin syntyy valovirta. Tämä prosessi vähentää potentiaalisulkua kontaktipotentiaalierosta emitteri-kantaliitoksessa, mikä lisää vähemmistökantoaaltojen diffuusiota (kantaa varten) emitteristä kantaan, eli voidaan olettaa, että tässä laitteessa valovirta on tavanomaisen transistorin kantavirta. Voimme sanoa, että fototransistori on samanlainen kuin perinteinen bipolaarinen transistori, jonka kollektorin napojen ja kannan väliin on kytketty käänteinen esijännitetty fotodiodi.

Kuten tiedät, transistorilla on kyky vahvistaa kantavirtaa , vahvistuskerrointa, joten kollektorivirta ja sitä vastaava emitterivirta ovat kertaa suurempia kuin alkuperäinen valovirta. Näin ollen valotransistorin valoherkkyys on enemmän kuin valodiodin valoherkkyys, jolla on yhtä suuri valonvastaanottopinnan pinta-ala useita kymmeniä ja jopa useita satoja kertoja.

Valotransistorin perusparametrit

Herkkyys

Valotransistorin valovirran herkkyys määräytyy laitteen läpi kulkevan virran suhteesta valovirtaan, joka aiheutti tämän virran

Nykyaikaisten fototransistorien virranherkkyys on useita satoja mA / lm .

Tumma virta

Jopa valaistuksen puuttuessa valaisimen läpi virtaa jonkin verran virtaa, jota kutsutaan pimeäksi . Tämä virta häiritsee heikkojen valovirtojen rekisteröintiä, koska se "naamioi" hyödyllisen signaalin, ja fototransistorien valmistuksessa sitä pyritään vähentämään erilaisin teknisin menetelmin. Lisäksi pimeän virran suuruus riippuu merkittävästi puolijohderakenteen lämpötilasta ja kasvaa sen kasvaessa suunnilleen samalla tavalla kuin missä tahansa puolijohdelaitteessa pn-liitoksen käänteisvirta. Siksi pimeän virran vähentämiseksi käytetään joskus laitteen pakkojäähdytystä.

Jos muut asiat ovat samat, pimeän virran suuruus riippuu voimakkaasti puolijohteen kaistavälistä ja pienenee sen kasvaessa. Siksi tumman virran ominaisarvot huoneenlämpötilassa germaniumfototransistoreille ovat muutaman μA:n luokkaa, piin fototransistoreilla μA:  n murto-osia ja galliumarsenidilla  kymmeniä pA.

Spektriherkkyys

Valotransistorin herkkyys riippuu tulevan säteilyn aallonpituudesta . Esimerkiksi piilaitteiden maksimiherkkyys on alueella 850-930 nm - punainen ja lähellä infrapuna - alueita. Lähes ultraviolettisäteilyllä (~400 nm) herkkyys pienenee kertoimella ~10 maksimista. Myös herkkyys pienenee aallonpituuden kasvaessa, ja yli ~1150 nm: n aallonpituuksilla pii optisen absorptiokaistan reuna laskee nollaan.

Suorituskyky

Fototransistorit ovat suhteellisen hitaita verrattuna valodiodeihin . Tämä johtuu vähäisten kantajien rajallisesta resorptioajasta pohjassa valaistuksen heikkenemisen myötä. Lisäksi, jos kollektorin ja emitterin välinen jännite muuttuu valaistuksen muutoksen myötä, mikä tapahtuu joissakin laitteen sähköisissä kytkentäpiireissä, Millerin efekti , joka johtuu kollektorin kapasitanssista - pn-liitoksen pohjasta, pienenee edelleen. nopeus. Käytännössä fototransistorien toimintataajuus on rajoitettu useisiin satoihin kilohertseihin - megahertsien yksikköihin ja riippuu kytkentäpiiristä.

Valotransistorien sisällyttäminen sähköpiireihin

Klassinen laitteen päällekytkentä tapahtuu vastakkaiseen suuntaan siirretyllä kollektoriliitoksella, eli npn-rakenteellisella laitteella kollektoriin syötetään emitteriin nähden positiivinen jännite ja pnp-rakenteessa päinvastoin.

Laitteille, joissa on kannan kolmas sähkölähtö, on mahdollista kytkeä päälle minkä tahansa tavanomaisen bipolaaritransistorin kytkentäkaavion mukaan - yhteisellä emitterillä , kannalla tai kollektorilla . Tässä tapauksessa ulkoinen kantavirta asettaa "pimeän toimintapisteen" paikan virta-jännite-ominaiskäyrälle .

Joskus kolminapaiset fototransistorit kytketään päälle nopeuden lisäämiseksi kuten tavallinen fotodiodi, samalla kun herkkyys heikkenee, mutta nopeus kasvaa.

Valotransistorien edut ja haitat

Valotransistoreiden tärkein etu valodiodeihin verrattuna on niiden korkea herkkyys säteilylle.

Haitat - alhainen nopeus, joten nämä laitteet eivät sovellu käytettäväksi säteilyvastaanottimina nopeissa kuituoptisissa viestintälinjoissa . Myös valotransistoreiden haittana on suhteellisen suuri tumma virta.

Rungon rakentaminen

Ulkoisen säteilyn vastaanottamiseen tarkoitetut laitteet on suljettu muoviseen, metallilasiin tai metallikeraamiseen koteloon, jossa on läpinäkyvä ikkuna tai muovista tai lasista valmistettu linssi. Poikkeuksen muodostavat valotransistorit, jotka ovat osa optoerottimia , jotka on suljettu säteilylähteen kanssa läpinäkymättömään koteloon.

Lasi-metalli- ja metalli-keraamikoteloihin suunnitelluissa laitteissa on yleensä pohjan lisäsähkölähtö.

Sovellus

Koska fototransistorit ovat herkempiä kuin valodiodit, niitä käytetään kätevästi säteilyvastaanottimina erilaisissa turvaautomaatiojärjestelmissä, murtohälytysjärjestelmissä , rei'itettyjen korttien ja rei'itetyn nauhan lukijoissa , paikka- ja etäisyysantureissa ja muissa sovelluksissa, joissa nopeus ei ole kriittinen.

Usein fototransistoreja käytetään optoerottimissa säteilyvastaanottimina optoerottimissa .

Katso myös

• Valodiodi
• fototyristori
• optoerotin
• valovastus

Muistiinpanot

1. ↑ Michael Riordan, Lillian Hoddeson Crystal Fire: Transistorin keksintö ja informaatioajan synty / ISBN 978-0-393-31851-7
2. ↑ Valotransistori . Haettu 11. toukokuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 4. heinäkuuta 2015. (määrätön)