Khái niệm phototransistor đã được biết đến trong nhiều năm qua. Ý tưởng đầu tiên được William Shockley đề xuất vào năm 1951, sau khi phát hiện ra một bóng bán dẫn lưỡng cực thông thường. Sau hai năm, một phototransistor đã được chứng minh. Sau đó, nó đã được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau và ngày qua ngày, sự phát triển của nó vẫn tiếp tục. Phototransistor có thể được mua rộng rãi với chi phí thấp từ các nhà phân phối linh kiện điện tử để sử dụng trong các mạch điện tử khác nhau. Một thiết bị bán dẫn như phototransistor được sử dụng để phát hiện mức độ ánh sáng và thay đổi dòng điện giữa các cực phát và cực thu dựa trên mức độ ánh sáng mà nó nhận được. Bài viết này thảo luận về tổng quan về phototransistor.

Phototransistor là gì?

Phototransistor là một thành phần chuyển mạch điện tử và khuếch đại dòng điện dựa vào việc tiếp xúc với ánh sáng để hoạt động. Khi ánh sáng chiếu vào mối nối, dòng điện ngược sẽ chảy theo tỷ lệ với độ sáng. Phototransistor được sử dụng rộng rãi để phát hiện các xung ánh sáng và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện kỹ thuật số. Chúng được vận hành bằng ánh sáng thay vì dòng điện. Cung cấp lượng khuếch đại lớn, chi phí thấp và các phototransistor này có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng.

Biểu tượng Phototransistor

Nó có khả năng chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Transistor quang hoạt động theo cách tương tự như điện trở quang thường được gọi là LDR (điện trở phụ thuộc ánh sáng) nhưng có thể tạo ra cả dòng điện và điện áp trong khi điện trở quang chỉ có khả năng tạo ra dòng điện do thay đổi điện trở.

Phototransistor là các transistor có cực gốc lộ ra. Thay vì gửi dòng điện vào cực gốc, các photon từ ánh sáng chiếu vào sẽ kích hoạt transistor. Điều này là do phototransistor được làm bằng chất bán dẫn lưỡng cực và tập trung vào năng lượng truyền qua nó. Chúng được kích hoạt bởi các hạt ánh sáng và được sử dụng trong hầu như tất cả các thiết bị điện tử phụ thuộc vào ánh sáng theo một cách nào đó. Tất cả các cảm biến quang silicon (phototransistor) đều phản ứng với toàn bộ phạm vi bức xạ khả kiến ​​cũng như hồng ngoại. Trên thực tế, tất cả các diode, transistor, Darlington, TRIAC, v.v. đều có cùng đáp ứng tần số bức xạ cơ bản.

Cấu trúc của phototransistor được tối ưu hóa đặc biệt cho các ứng dụng quang. So với một transistor thông thường, phototransistor có chiều rộng cơ sở và cực thu lớn hơn và được tạo ra bằng cách sử dụng phương pháp khuếch tán hoặc cấy ion.

Sự thi công

Phototransistor không gì khác ngoài một transistor lưỡng cực thông thường trong đó vùng cực gốc được chiếu sáng. Nó có sẵn ở cả loại PNP và NPN với các cấu hình khác nhau như cực phát chung, cực thu chung và cực gốc chung nhưng nhìn chung, cấu hình cực phát chung được sử dụng. Nó cũng có thể hoạt động trong khi cực gốc được mở. So với transistor thông thường, nó có nhiều vùng cực gốc và cực thu hơn.

Các bóng bán dẫn quang cổ đại sử dụng vật liệu bán dẫn đơn như silicon và germani nhưng các thành phần hiện đại ngày nay sử dụng vật liệu như gali và arsenide để đạt hiệu suất cao. Cực gốc là chân chịu trách nhiệm kích hoạt bóng bán dẫn. Đây là thiết bị điều khiển cổng cho nguồn điện lớn hơn. Cực thu là chân dương và nguồn điện lớn hơn. Cực phát là chân âm và ổ cắm cho nguồn điện lớn hơn.

Cấu trúc Transistor hình ảnh

Khi không có ánh sáng chiếu vào thiết bị, sẽ có một dòng điện nhỏ chạy qua do các cặp electron-lỗ được tạo ra do nhiệt và điện áp đầu ra từ mạch sẽ nhỏ hơn một chút so với giá trị cung cấp do điện áp giảm trên điện trở tải R. Khi có ánh sáng chiếu vào mối nối cực thu-cực gốc, dòng điện chạy qua sẽ tăng lên. Với mạch hở kết nối cực gốc, dòng điện cực thu-cực gốc phải chạy trong mạch cực gốc-cực phát, do đó dòng điện chạy qua được khuếch đại bởi hoạt động bình thường của bóng bán dẫn.

Tiếp giáp cực thu-cực gốc rất nhạy với ánh sáng. Điều kiện hoạt động của nó phụ thuộc vào cường độ ánh sáng. Dòng điện gốc từ các photon tới được khuếch đại bởi độ lợi của bóng bán dẫn, tạo ra độ lợi dòng điện từ hàng trăm đến hàng nghìn. Một bóng bán dẫn quang nhạy hơn từ 50 đến 100 lần so với một điốt quang có mức nhiễu thấp hơn.

Transistor quang hoạt động như thế nào?

Một bóng bán dẫn thông thường bao gồm các cực phát, cực gốc và cực thu. Cực thu được phân cực dương so với cực phát và mối nối BE được phân cực ngược.

Một phototransistor được kích hoạt khi ánh sáng chiếu vào cực cơ sở và ánh sáng kích hoạt phototransistor bằng cách cho phép cấu hình các cặp lỗ-electron cũng như dòng điện chạy qua cực phát hoặc cực thu. Khi dòng điện tăng, nó được tập trung cũng như chuyển thành điện áp.

Nhìn chung, một phototransistor không bao gồm kết nối cơ sở. Đầu cuối cơ sở bị ngắt kết nối khi ánh sáng được sử dụng để cho phép dòng điện chạy qua phototransistor.

Các loại Phototransistor

Transistor quang được phân loại thành hai loại là BJT và FET.

Transistor quang BJT

Trong điều kiện thiếu sáng, BJT phototransistor cho phép rò rỉ giữa các cực thu cũng như cực phát 100 nA nếu không thì thấp. Khi transistor này tiếp xúc với chùm tia, nó hoạt động lên đến 50mA. Điều này phân biệt nó với photodiode không cho phép nhiều dòng điện.

Transistor quang FET

Loại phototransistor này bao gồm hai đầu nối bên trong thông qua cực thu và cực phát hoặc cực nguồn và cực thoát bên trong FET. Đầu cực gốc của transistor phản ứng với ánh sáng và điều khiển dòng điện chạy giữa các đầu cực.

Mạch quang điện tử

Một bóng bán dẫn quang hoạt động giống như một bóng bán dẫn thông thường, trong đó dòng điện cơ sở được nhân lên để tạo ra dòng điện cực góp, ngoại trừ việc trong một bóng bán dẫn quang, dòng điện cơ sở được điều khiển bởi lượng ánh sáng khả kiến ​​hoặc hồng ngoại trong khi thiết bị chỉ cần 2 chân.

Sơ đồ mạch phototransistor

Trong mạch đơn giản , giả sử không có gì được kết nối với Vout, dòng điện cơ sở được điều khiển bởi lượng ánh sáng sẽ xác định dòng điện cực góp, là dòng điện chạy qua điện trở. Do đó, điện áp tại Vout sẽ tăng và giảm dựa trên lượng ánh sáng. Chúng ta có thể kết nối nó với một op-amp để tăng tín hiệu hoặc trực tiếp với đầu vào của một bộ vi điều khiển.

Đầu ra của phototransistor phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng chiếu tới. Các thiết bị này phản ứng với ánh sáng trên một phạm vi rộng các bước sóng từ UV gần, qua vùng nhìn thấy được và vào phần IR gần của quang phổ. Đối với một mức độ chiếu sáng của nguồn sáng nhất định, đầu ra của phototransistor được xác định bởi diện tích của mối nối cực thu-cực gốc tiếp xúc và độ khuếch đại dòng điện một chiều của transistor

Phototransistor có nhiều cấu hình khác nhau như optoisolator, công tắc quang, cảm biến retro. Optoisolator tương tự như máy biến áp ở chỗ đầu ra được cách ly về mặt điện với đầu vào. Một vật thể được phát hiện khi nó đi vào khe hở của công tắc quang và chặn đường đi của ánh sáng giữa bộ phát và bộ dò. Cảm biến retro phát hiện sự hiện diện của một vật thể bằng cách tạo ra ánh sáng và sau đó tìm kiếm sự phản xạ của nó khỏi vật thể cần cảm biến.

khuếch đại

Phạm vi hoạt động của phototransistor chủ yếu phụ thuộc vào cường độ ánh sáng được áp dụng vì phạm vi hoạt động của nó phụ thuộc vào đầu vào của đế. Dòng điện của cực đế từ các photon tới có thể được khuếch đại thông qua độ lợi của bóng bán dẫn, dẫn đến độ lợi dòng điện nằm trong khoảng từ 100 đến 1000. Phototransistor nhạy hơn so với photodiode thông qua mức nhiễu thấp hơn.

Có thể cung cấp thêm khả năng khuếch đại thông qua bóng bán dẫn loại photodarlington.

Đây là một phototransistor bao gồm một đầu ra phát được kết nối với đầu cuối cơ sở của bóng bán dẫn lưỡng cực tiếp theo. Nó cung cấp độ nhạy cao trong các mức độ ánh sáng yếu vì nó cung cấp mức tăng dòng điện tương đương với hai bóng bán dẫn. Mức tăng của hai giai đoạn có thể cung cấp mức tăng ròng cao hơn 100.000A. Một bóng bán dẫn photodarlington bao gồm ít phản hồi hơn so với một bóng bán dẫn quang thông thường.

Chế độ hoạt động

Trong mạch phototransistor, các chế độ hoạt động cơ bản bao gồm hai chế độ như hoạt động & chuyển mạch, trong đó chế độ hoạt động thường được sử dụng là loại chuyển mạch. Nó giải thích phản ứng không tuyến tính đối với ánh sáng; một khi không có ánh sáng thì không có dòng điện nào chảy vào transistor. Dòng điện bắt đầu cung cấp khi tiếp xúc với ánh sáng tăng lên. Chế độ chuyển mạch hoạt động trong hệ thống BẬT/TẮT. Chế độ hoạt động cũng được gọi là tuyến tính, phản ứng theo cách mà nó tỷ lệ thuận với kích thích ánh sáng.

Thông số kỹ thuật hiệu suất

Việc lựa chọn Phototransistor có thể được thực hiện tùy thuộc vào các thông số cũng như thông số kỹ thuật khác nhau như sau.

• Dòng điện cực thu (IC)
• Dòng điện cơ sở (Iλ)
• Bước sóng đỉnh
• Điện áp đánh thủng cực thu-cực phát (VCE)
• Điện áp đánh thủng cực thu-phát (VBRCEO)
• Điện áp đánh thủng cực phát-cực thu (VBRECO)
• Dòng điện tối (ID)
• Tiêu tán công suất (PD hoặc Ptot)
• Thời gian tăng (tR)
• Thời gian mùa thu (tF)

Thông số thiết kế

Các vật liệu được chọn, cũng như thành phần, đóng vai trò thiết yếu trong độ nhạy của loại bóng bán dẫn này. Mức khuếch đại của các thiết bị Homo-structure hoặc vật liệu đơn nằm trong khoảng từ 50 đến vài trăm. Đây là các bóng bán dẫn quang thông thường thường được thiết kế bằng silicon. Các thiết bị heterostructure hoặc nhiều thiết bị cấu hình vật liệu có thể bao gồm mức khuếch đại lên đến 10k nhưng chúng ít phổ biến hơn do chi phí sản xuất cao.

Phạm vi bước sóng điện từ của các vật liệu khác nhau bao gồm:

• Đối với vật liệu Silicon (Si), phạm vi bước sóng điện từ là 190 đến 1100 nm
• Đối với vật liệu Germanium (Ge), phạm vi bước sóng điện từ là 400 đến 1700 nm
• Đối với vật liệu Indium gallium arsenide (InGaAs), phạm vi bước sóng điện từ là 800 đến 2600 nm
• Đối với vật liệu Chì sunfua, phạm vi bước sóng điện từ là <1000 đến 3500
• Để một bóng bán dẫn quang hoạt động bình thường, công nghệ lắp đặt đóng vai trò quan trọng.

Công nghệ SMT hoặc công nghệ gắn bề mặt sử dụng các thành phần vào PCB (bảng mạch in) bằng cách kết nối các đầu nối thành phần thông qua hàn hoặc vào mặt trên của bảng. Thông thường, miếng đệm bảng mạch in có thể được phủ bằng một loại keo dán như công thức hàn & chất trợ dung. Nhiệt độ cao thường từ lò hồng ngoại sẽ hòa tan keo dán để hàn các đầu nối của thành phần vào miếng đệm PCB.

Công nghệ THT hay công nghệ xuyên lỗ là một kiểu lắp đặt thường được sử dụng. Việc sắp xếp các thành phần có thể được thực hiện bằng cách đặt các đầu nối thành phần bằng các lỗ bên trong PCB và các thành phần này có thể được hàn ở mặt đối diện của PCB. Các tính năng của phototransistor chủ yếu bao gồm một bộ lọc cắt, được sử dụng để chặn ánh sáng quan sát được. Khả năng phát hiện ánh sáng ở những loại khác có thể được cải thiện thông qua lớp phủ chống phản xạ. Các thiết bị bao gồm ống kính vòm tròn thay cho ống kính phẳng cũng có thể đạt được.

Đặc trưng

Các đặc điểm của một bóng bán dẫn quang bao gồm:

• Phát hiện ảnh khả kiến ​​và gần IR giá rẻ.
• Có sẵn mức tăng từ 100 đến hơn 1500.
• Thời gian phản hồi khá nhanh.
• Có nhiều gói sản phẩm khác nhau bao gồm công nghệ phủ epoxy, đúc chuyển và lắp đặt bề mặt.
• Đặc tính điện tương tự như đặc tính của bóng bán dẫn tín hiệu.

Ưu điểm của Phototransistor

Transistor quang có một số ưu điểm quan trọng giúp phân biệt chúng với các cảm biến quang khác, một số ưu điểm được đề cập dưới đây

• Transistor quang tạo ra dòng điện cao hơn diode quang.
• Transistor quang có giá thành tương đối rẻ, đơn giản và đủ nhỏ để lắp nhiều transistor vào một chip máy tính tích hợp duy nhất.
• Transistor quang rất nhanh và có khả năng cung cấp đầu ra gần như ngay lập tức.
• Transistor quang tạo ra điện áp mà điện trở quang không thể làm được.

Nhược điểm của Phototransistor

• Các bóng bán dẫn quang được làm bằng silicon không có khả năng chịu được điện áp trên 1.000 vôn.
• Transistor quang cũng dễ bị ảnh hưởng bởi sự tăng đột biến điện áp và năng lượng điện từ.
• Transistor quang cũng không cho phép các electron di chuyển tự do như các thiết bị khác, chẳng hạn như ống electron.

Ứng dụng của Phototransistor

Các lĩnh vực ứng dụng của Phototransistor bao gồm:

• Máy đọc thẻ đục lỗ.
• Hệ thống an ninh
• Bộ mã hóa – đo tốc độ và hướng
• Ảnh máy dò hồng ngoại
• điều khiển điện
• Mạch logic máy tính.
• Rơ le
• Kiểm soát chiếu sáng (đường cao tốc, v.v.)
• Chỉ báo mức
• Hệ thống đếm

Như vậy, đây là tất cả về tổng quan về phototransistor . Cuối cùng, từ thông tin trên, chúng ta có thể kết luận rằng phototransistor được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử khác nhau để phát hiện ánh sáng như máy thu hồng ngoại, máy dò khói, laser, đầu đĩa CD, v.v.

‍