Что такое фототранзистор и как он устроен
Фототранзистор — это разновидность транзистора, чаще всего биполярного, где управление током осуществляется не электрическим сигналом на базе, а световым излучением благодаря внутреннему фотоэффекту. Этот прибор выполняет двойную функцию: преобразует свет в электрический сигнал и одновременно усиливает его.
Конструктивно фототранзистор представляет собой монокристаллическую пластину из полупроводниковых материалов, таких как германий (Ge) или кремний (Si). В ней, как и в обычном транзисторе, созданы три области: эмиттер, база и коллектор. Ключевая особенность — база фототранзистора обычно не имеет внешнего вывода. Кристалл помещается в корпус с прозрачным окном для доступа света. В электрическую цепь фототранзистор включается аналогично биполярному транзистору по схеме с общим эмиттером, но с нулевым током базы.
Принцип действия
Работа прибора основана на фотоэффекте. Когда свет попадает на область базы или коллектора, в полупроводнике генерируются пары носителей зарядов — электроны и дырки. Электрическое поле коллекторного перехода разделяет эти заряды. В результате в базе накапливаются основные носители, что приводит к двум важным последствиям: во-первых, общий ток через фототранзистор существенно возрастает по сравнению с током, созданным только фотоносителями; во-вторых, снижается потенциальный барьер эмиттерного перехода, что дополнительно облегчает протекание тока. Таким образом, слабый световой сигнал вызывает значительный выходной ток.
Основные характеристики и параметры
Как и другие фотоэлектрические приборы (фотоэлементы, фотодиоды), фототранзистор оценивается по ряду ключевых параметров:
1. Интегральная чувствительность — это отношение фототока к величине падающего светового потока. Она показывает, насколько эффективно прибор преобразует свет в электричество. У лучших современных образцов, изготовленных по диффузионной планарной технологии, этот параметр может достигать порядка 10 Ампер на люмен (А/лм).
2. Спектральная характеристика отражает зависимость чувствительности прибора от длины волны падающего света. Она позволяет определить рабочий спектральный диапазон. Длинноволновая граница чувствительности напрямую зависит от ширины запрещенной зоны материала: для кремниевых фототранзисторов она составляет около 1,1 мкм, а для германиевых — примерно 1,7 мкм.
3. Постоянная времени характеризует быстродействие (инерционность) прибора и определяет, как быстро он реагирует на изменения светового сигнала. У фототранзисторов она обычно не превышает нескольких сотен микросекунд (мкс).
Важнейшим преимуществом фототранзистора перед простым фотодиодом является внутреннее усиление фототока. Коэффициент усиления может достигать впечатляющих значений — от 100 до 1000 раз (102–103).
Преимущества и области применения
Фототранзисторы получили широкое распространение благодаря комплексу преимуществ: высокой чувствительности, временной стабильности параметров, надежности, компактным размерам и относительно простой конструкции.
Их активно применяют в различных областях автоматики и контроля:
- В качестве оптопар (элементов гальванической развязки) для передачи сигнала между электрически изолированными цепями.
- Как датчики освещенности в системах автоматического управления освещением, фотореле.
- В устройствах считывания информации (перфоленты, штрих-коды).
- В системах безопасности и позиционирования.
С 1970-х годов развитие технологий привело к созданию полевых фототранзисторов, которые работают по иному принципу, аналогичному полевым транзисторам, и обладают своими специфическими преимуществами.