معرفی فوتوترانزیستور و ساختار و اصول کاری آن - بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: فوتوترانزیستورهای شکلی از ترانزیستورهای دوقطبی هستند که به نور حساس بوده و دارای بهره ترانزیستور و بسیار حساس تر از فوتودیودها هستند. در این مقاله با فوتو ترانزیستورها (Photo-transistors) و نحوه عملکرد و ویژگی‌های آن آشنا خواهید شد.

توسعه اولیه فوتوترانزیستور

اختراع فوتو ترانزیستور به دنبال توسعه اولین ترانزیستور تماس نقطه‌ای بود. در همین زمان، تعداد زیادی از پیشرفت‌های نیمه‌رسانا در آزمایشگاه‌های بل در حال انجام بود، و فوتوترانزیستور توسط یکی از تیم‌های آنجا در حال توسعه بود.

اگرچه تاریخچه فوتو ترانزیستور به اندازه بسیاری از پیشرفت‌های نیمه‌رسانای اولیه دیگر منتشر نشده است، اما مطمئناً پیشرفت بسیار مهمی بود.

قبل از پرداختن به جزئیات فوتوترانزیستورها، اجازه دهید در مورد سنسور‌ها و به ویژه سنسور‌های نوری توضیحاتی بیان شود.

از دیدگاه مهندسان الکترونیک، سنسور وسیله‌ای است که به یک پدیده یا ویژگی فیزیکی با یک سیگنال الکتریکی پاسخ می‌دهد. ورودی یک سنسور می‌تواند کمیت فیزیکی مانند نور، صدا، دما و ... باشد، اما خروجی یک سیگنال الکتریکی مانند ولتاژ، جریان یا حتی شارژ است که می‌تواند توسط مدار‌ها و دستگاه‌های الکترونیکی پردازش، تقویت و اصلاح شود.

تعریف فوق از سنسور می‌تواند به تفسیر دیگری از سنسور منجر شود، یعنی سنسور مبدل انرژی است، زیرا صرف نظر از کمیت اندازه گیری شده، انرژی ورودی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

انواع و اقسام سنسور‌ها مانند سنسور دما، سنسور فشار، سنسور رطوبت و ... وجود دارد، اما سنسور مورد علاقه برای این بحث، سنسور‌های نوری هستند.

سنسور‌های نوری (حسگر‌های نور) چیست؟

سنسور‌های نوری را حسگر نور یا حسگر تصویر نیز می‌نامند. سنسور نوری دستگاهی است که شدت نور، معمولاً تابش الکترومغناطیسی را در محدوده طول موج از فرابنفش تا مادون قرمز دور اندازه‌گیری می‌کند.

از آنجایی که حسگر نور با جذب فوتون توسط ماده حسگر مرتبط است، تقریباً تمام سنسور‌های نور به دو نوع تقسیم می‌شوند. عبارت‌اند از:

• سنسور‌های کوانتومی
• سنسور‌های حرارتی

حسگر‌های نوری که در دسته آشکارساز‌های کوانتومی قرار می‌گیرند، معمولاً در محدوده فرابنفش تا مادون قرمز متوسط ​​طیف EM عمل می‌کنند، در حالی که آن‌هایی که در دسته آشکارساز‌های حرارتی قرار می‌گیرند در محدوده مادون قرمز متوسط ​​تا فراتر از طیف EM عمل می‌کنند.

دستگاه‌های فتوولتائیک و فوتورسانا مانند فتودیودها، مقاومت‌های نوری (همچنین به عنوان مقاومت‌های وابسته به نور یا LDR شناخته می‌شوند)، ترانزیستور‌های نوری و ... نمونه‌هایی از حسگر‌های نور نیمه هادی از نوع آشکارساز‌های کوانتومی هستند.

فوتوترانزیستور چیست؟

قبل از درک فوتوترانزیستورها، اجازه دهید ابتدا به طور خلاصه بفهمیم که فتودیود (Photodiode) چیست. به عبارت ساده، فوتودیود یک دیود پیوند PN حسگر نوری است، اما در شرایط بایاس معکوس به طوری که جریان بسیار کم است.

هنگامی که یک فوتون با انرژی کافی (از جهت وابستگی به طول موج نور) به دیود نوری برخورد می‌کند، یک الکترون با انرژی آزاد می‌شود تا از مانع عبور کند، یعنی در هنگام بایاس معکوس، زمانی که نور به محل پیوند برخورد می‌کند، جریان افزایش می‌یابد.

با در نظر گرفتن این موضوع، فوتوترانزیستور یک دستگاه فوتوپیوندی است (فتودیود نیز همینطور است) که شبیه ترانزیستور معمولی است با این تفاوت که دارای یک ترمینال بیس حساس به نور (یا به طور دقیق پیوند کلکتور-بیس) است.

به عبارت دیگر، فوتو ترانزیستور را می‌توان به عنوان فتودیود با تقویت کننده جریان در نظر گرفت. یک فوتوترانزیستور فوتون‌ها را به شارژ مستقیم تبدیل می‌کند، درست مانند یک فوتودیود، و علاوه بر این، یک فوتوترانزیستور نیز افزایش جریان را فراهم می‌کند.

نماد فوتو ترانزیستور در زیر نشان داده شده است.

مانند ترانزیستور‌های معمولی، فتوترانزیستور‌ها نیز بهره زیادی دارند، اما تفاوت اصلی در اندازه پیوند بیس-کلکتور است. در فوتو ترانزیستورها، اندازه اتصال بیس-کلکتور بزرگتر است، زیرا ناحیه حساس به نور حسگر است.

اندازه بزرگتر پیوند منجر به این می‌شود که خازن اتصال به طور قابل توجهی بزرگتر شود و در نتیجه فوتوترانزیستور‌ها علیرغم بهره زیاد، پاسخ فرکانس پایینی نسبت به فتودیود دارند.

اصل عملکرد فوتوترانزیستور

اصل کار یک ترانزیستور فوتو مشابه یک فوتودیود در ترکیب با یک ترانزیستور تقویت کننده است. برخورد نور به پایه یک فوتو ترانزیستور جریان کمی را القا می‌کند.

این جریان سپس با عملکرد ترانزیستور معمولی تقویت می‌شود که منجر به یک جریان قابل توجهی می‌شود. معمولاً در مقایسه با یک فوتودیود مشابه، یک فتوترانزیستور می‌تواند جریانی ۵۰ تا ۱۰۰ برابر فتودیود ایجاد کند.

ویژگی‌های فوتوترانزیستور

از آنجایی که فوتوترانزیستور‌ها اساساً ترانزیستور‌های دوقطبی NPN با اتصال بیس-کلکتور بزرگ هستند، ویژگی‌های یک فوتوترانزیستور شبیه به یک BJT ساده است.

فوتوترانزیستور‌ها به صورت دو سرب یا سه سرب موجود هستند. در یک فوتو ترانزیستور دو سرب، ترمینال پایه از نظر الکتریکی در دسترس نیست و دستگاه کاملاً به نور وابسته است.

ترمینال کلکتور معمولاً در پتانسیل بالاتری نسبت به امیتر برای القای بایاس معکوس در اتصال بیس-کلکتور قرار دارد. هنگامی که نوری بر روی فوتو ترانزیستور نمی‌افتد، مقدار کمی از جریان نشتی که به عنوان جریان تاریک شناخته می‌شود از کلکتور به امیتر جریان می‌یابد.

هنگامی که نور کافی روی ترمینال پایه می‌افتد، یک جریان پایه تولید می‌شود که متناسب با شدت نور است.

سپس جریان بیس، فرآیند تقویت و جریان کلکتوری را با بهره بالا آغاز می‌کند. تصویر زیر منحنی مشخصات جریان کلکتور را نشان می‌دهد.

از منحنی بالا مشخص می‌شود که با افزایش شدت نور، جریان کلکتور نیز افزایش می‌یابد.

همانطور که قبلا ذکر شد، فوتوترانزیستور‌ها نیز به عنوان دستگاه‌های سه ترمینال موجود هستند. در این مورد، استفاده از ترمینال پایه اختیاری است. در صورت استفاده به عنوان یک BJT معمولی و در صورت عدم استفاده به عنوان یک ترانزیستور فوتوتورانزیستور عمل می‌کند.