Phototransistoren: Symbole, Konstruktion, Betriebsprinzip, Anwendungen

Phototransistoren sind eine Schlüsselkomponente in modernen optoelektronischen Systemen, die den Spalt zwischen Lichterkennung und elektronischer Signalverarbeitung nahtlos überbrücken.Diese vielseitigen Geräte haben sich seit ihrer Gründung erheblich weiterentwickelt, um Anwendungen zu ermöglichen, von der optischen Kommunikation über die Erfindung der industriellen Automatisierung und der Unterhaltungselektronik.Mit ihrer Fähigkeit, kleine Lichtsignale in verwendbare elektrische Ausgänge zu verstärken, übertreffen die Phototransistoren einfachere Komponenten wie Fotodioden in Bezug auf Empfindlichkeit und Funktionalität.Dieser Artikel befasst sich mit den Grundlagen der Phototransistoren und untersucht ihre Konstruktion, Arbeitsprinzipien, -typen, Vorteile, Nachteile und Vergleiche mit Fotodioden, um ein umfassendes Verständnis ihrer Rolle in der heutigen Technologielandschaft zu vermitteln.

Katalog

Was ist ein Phototransistor?

Ein Phototransistor ist ein Halbleitergerät, das basierend auf dem Prinzip der Lichterkennung betrieben wird und Licht in elektrische Signale umwandelt.Seine Funktionalität ähnelt der eines konventionellen Transistors.Im Gegensatz zu herkömmlichen Transistoren werden Phototransistoren jedoch durch Photonen anstelle von Strom aktiviert.Diese einzigartige Funktion macht sie sehr vielseitig und ideal für verschiedene Anwendungen wie Lichterkennung, Signalverstärkung und optische Kommunikationssysteme.

Bau eines Phototransistors

Phototransistoren basieren auf dem Rahmen der bipolaren Übergangstransistoren (BJTs) mit strukturellen Modifikationen, um ihre Photosensitivität zu verbessern.Im Vergleich zu Standardtransistoren haben Phototransistoren eine vergrößerte Basis- und Kollektorregion, um die Lichtabsorption und die Stromerzeugung zu maximieren.Der Basisbereich ist Licht ausgesetzt, sodass die Photon-Wechselwirkung Elektronenlochpaare erzeugt, die das Gerät antreiben.

Anfangs wurden Phototransistoren aus einzelnen Halbleitermaterialien wie Silizium oder Germanium hergestellt.Mit technologischen Fortschritten verwenden moderne Geräte Materialien wie Galliumarsenid (GAAs), um die Effizienz zu verbessern.Phototransistoren sind in PNP- und NPN-Typen erhältlich, die in Common-Emitter-, Common-Collector- und Common-Base-Anordnungen konfiguriert sind.NPN -Typen werden im Allgemeinen für ihre schnelleren Reaktionszeiten bevorzugt.

Arbeitsprinzip eines Phototransistors

Die Phototransistoren arbeiten nach dem Prinzip der Photokondivität, bei dem ein inhaftiertes Licht Ladungsträger in Halbleitermaterialien erzeugt.Wenn Photonen die PN-Übergang treffen, werden Elektronenlochpaare erzeugt.Diese Paare trennen sich und bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen und erzeugen einen Basisstrom zwischen den Kollektor- und Emitterterminals.

Der durch Licht erzeugte kleine Basisstrom wird durch den inhärenten Gewinn des Transistors verstärkt, was zu einem signifikant erhöhten Sammlerstrom führt.Mit zunehmendem Strom wird er in eine Spannung umgewandelt und innerhalb der Schaltung verwendet.

In vielen Fällen bleibt das Basisanschluss offen oder nicht verbunden.Wenn das Gerät angeschlossen ist, arbeitet das Gerät wie ein regulärer Transistor.Stattdessen ermöglicht das Licht den Stromfluss durch den Phototransistor, ohne dass ein verbundenes Basisanschluss erforderlich ist.

Arten von Phototransistoren

Phototransistoren sind hauptsächlich in zwei Haupttypen unterteilt: BJT-Phototransistoren (Bipolar Junction Transistor) und FET-Phototransistoren für Feldeffekttransistoren (FET).

BJT Phototransistoren:

BJT -Phototransistoren gehören aufgrund ihrer Leistungsfähigkeit mit hoher Stromverstärkung zu den am häufigsten verwendeten.Diese Geräte sind in NPN- und PNP -Konfigurationen erhältlich und bieten Flexibilität für verschiedene Schaltungskonstruktionen.BJT -Phototransistoren bestehen aus einer Basis, einem Sammler und einem Emitter.Die photosensitive Basis ist einem einfallenden Licht ausgesetzt und erzeugt Elektronenlochpaare, die den Kollektorstrom (IC) gemäß der Lichtintensität modulieren.

FET Phototransistors:

FET Phototransistoren verwenden einen photosensitiven Halbleiterkanal, um den Strom zu steuern.Im Gegensatz zu BJTs sind FETs unipolare Geräte, was bedeutet, dass ihr Betrieb nur von Mehrheitsbetreiber abhängt.FET Phototransistoren bestehen aus einer Quelle, einem Abfluss und einem photosensitiven Kanal.Wenn Licht den Kanal beleuchtet, erzeugt er Ladungsträger, die den Abflussstrom (ID) relativ zur Lichtintensität regulieren.

Vor- und Nachteile von Phototransistoren

Vorteile

Hohe Empfindlichkeit gegenüber Licht: Die Phototransistoren sind signifikant empfindlicher als Fotodioden, sodass sie effektive Lichtsignale mit geringer Intensität erkennen können.

Hoher Stromverstärkung: Ein wichtiges Merkmal der Phototransistoren ist ihre hohe Stromverstärkung, insbesondere bei Heteroübergang -Konstruktionen, die eine effiziente Verstärkung kleiner Signale ermöglichen.

Hoher Ausgangsstrom: Bei eingebauter Amplifikation erzeugen die Phototransistoren im Vergleich zu Photodioden einen höheren Stromausgang.

Schnelle Reaktionszeit: Phototransistoren bieten schnelle Reaktionszeiten und stellen sofortige Signalausgänge sicher.

Breitwellenlängenerkennung: Sie können verschiedene Lichtwellenlängen nachweisen, einschließlich Infrarot (IR), Ultraviolett (UV) und das sichtbare Spektrum.

Zuverlässigkeit und Stabilität: Kompakt und einfach im Design und die Phototransistoren weisen eine hohe Zuverlässigkeit und Stabilität auf und ermöglichen mehrere Integrationen auf einem einzelnen IC.

Vielseitigkeit beim Erkennen von Lichtquellen: Sie können Licht aus verschiedenen Quellen erkennen, einschließlich Sonnenlicht, Flames, Glühbirnen und Lasern.

Nachteile

Begrenzte Schaltgeschwindigkeit: Aufgrund der hohen Anschlusskapazität haben Phototransistoren im Vergleich zu anderen optoelektronischen Geräten langsamere Schaltgeschwindigkeiten.

Nicht für Hochspannungen ausgelegt: Phototransistoren sind für den Umgang mit Hochspannungen wie Thyristoren oder Triacs nicht geeignet.

Anfälligkeit für Spannungsstschwarzen: Spannungsspitzen und -stausspannungen können die Phototransistoren leicht schädigen und zusätzlichen Schaltungsschutz erfordern.

Unzulänglichkeit für Hochfrequenzanwendungen: Phototransistoren sind nicht ideal für Hochfrequenzanwendungen, bei denen sich die Photodioden aufgrund ihrer niedrigeren Kapazität und schnelleren Reaktionszeiten auszeichnen.

Unempfindlich gegenüber Licht mit geringem Intensität: Phototransistoren haben Schwierigkeiten, extrem geringes Licht mit niedrigem Intensität zu erkennen, was sie bei Anwendungen weniger effektiv macht, die bei niedrigen Lichtniveaus eine hohe Empfindlichkeit erfordern.

Anfällig für elektromagnetische Interferenzen (EMI): EMI kann die Leistung der Phototransistor abbauen und Signalverzerrungen oder Rauschen verursachen.

Fotodioden und Phototransistoren