Проверка фототранзисторов: Фототранзистор: принцип работы, как проверить — Мир Антенн

Содержание

Фототранзисторы. Устройство и работа. Применение и особенности

Фототранзисторы являются твердотельными полупроводниками с внутренним усилением, применяемым для передачи цифровых и аналоговых сигналов. Этот прибор выполнен на основе обычного транзистора. Аналогами фототранзисторов являются фотодиоды, которые уступают ему по многим свойствам, и не сочетаются с работой современных электронных приборов и радиоустройств. Их принцип действия похож на работу фоторезистора.

Чувствительность фототранзистора гораздо выше, чем у фотодиода. Они нашли применение в различных устройствах, в которых применяется зависимость от светового потока. Такими устройствами являются лазерные радары, пульты дистанционного управления, датчики дыма и другие. Фототранзисторы могут реагировать как на обычное освещение, так и на ультрафиолетовое и инфракрасное излучение.

Устройство

Наиболее популярны биполярные фототранзисторы структуры n-p-n.

Ф-транзисторы имеют чувствительность к свету больше, чем простые биполярные, так как они оптимизированы для лучшего взаимодействия с лучами света. В их конструкции зона коллектора и базы имеет большую площадь. Корпус выполнен из темного непрозрачного материала, с окошком для пропускания света.

Большинство таких полупроводников изготавливают из монокристаллов германия и кремния. Существуют также фототранзисторы на основе сложных материалов.

Принцип действия

Транзистор включает в себя базу, коллектор и эмиттер. При функционировании фототранзистора база не включена в работу, так как свет создает электрический сигнал, который дает возможность протекать току по полупроводниковому переходу.

При нерабочей базе переход коллектора транзистора смещается в обратном направлении, а переход эмиттера в прямом направлении. Прибор остается без активности до тех пор, пока луч света не осветит его базу. Освещение активизирует полупроводник, при этом создавая пары дырок и электронов проводимости, то есть носители заряда. В итоге через коллектор и эмиттер проходит ток.

Свойство усиления

Фототранзисторы имеют рабочий диапазон, размер которого зависит от интенсивности падающего света, так как это связано с положительным потенциалом его базы.

Ток базы от падающего света подвергается усилению в сотни и тысячи раз. Дополнительное усиление тока обеспечивается особым транзистором Дарлингтона, который представляет собой полупроводник, эмиттер которого соединен с базой другого биполярного транзистора. На схеме изображен такой вид фототранзистора.

Это дает возможность создать повышенную чувствительность при слабом освещении, так как происходит двойное усиление двумя полупроводниками. Двумя транзисторами можно добиться усиления в сотни тысяч раз. Необходимо учитывать, что транзистор Дарлингтона медленнее реагирует на свет, в отличие от обычного фототранзистора.

Схемы подключения

Схема с общим эмиттером

По этой схеме создается сигнал выхода, переходящий от высокого состояния в низкое, при падении лучей света.

Эта схема выполнена с помощью подключения сопротивления между коллектором транзистора и источником питания. Напряжение выхода снимают с коллектора.

Схема с общим коллектором

Усилитель, подключенный с общим коллектором, создает сигнал выхода, переходящий от низкого состояния в высокое, при попадании света на полупроводник.

Эта схема образуется подключением сопротивления между отрицательным выводом питания и эмиттером. С эмиттера снимается выходной сигнал.

В обоих вариантах транзистор может работать в 2-х режимах:

Активный режим.
Режим переключения.

Активный режим

В этом режиме фототранзистор создает сигнал выхода, зависящий от интенсивности падающего света. Когда уровень освещенности превосходит определенную границу, то транзистор насыщается, и сигнал на выходе уже не будет повышаться, даже если увеличивать интенсивность лучей света. Такой режим действия рекомендуется для устройств с функцией сравнения двух порогов потока света.

Режим переключения

Действие полупроводника в этом режиме значит, что транзистор будет реагировать на подачу света выключением или включением. Такой режим необходим для устройств, в которых необходимо получение выходного сигнала в цифровом виде. Путем изменения значения резистора в схеме усилителя, можно подобрать один из режимов функционирования.

Для эксплуатации фототранзистора в качестве переключателя чаще всего применяют сопротивление более 5 кОм. Напряжение выхода повышенного уровня в переключающем режиме будет равно питающему напряжению. Напряжение выхода малого уровня должно равняться менее 0,8 В.

Проверка фототранзистора

Такой транзистор легко проверяется мультитестером, даже без наличия базы транзистора. Если подключить мультитестер к участку эмиттер-коллектор, то его сопротивление при любой полярности будет большим, так как транзистор закрыт. Если луч света попадает на чувствительный элемент, то измерительный прибор покажет низкое значение сопротивления, так как транзистор в этом случае открылся, благодаря свету, при правильной полярности питания.

Так ведет себя обычный транзистор, но он открывается сигналом электрического тока, а не лучом света. Кроме силы света, большую роль играет спектральный состав света.

Применение

Системы охраны (чаще применяются инфракрасные ф-транзисторы).
Фотореле.
Системы расчета данных и датчики уровней.
Автоматические системы коммутации осветительных приборов (также применяются инфракрасные ф-транзисторы).
Компьютерные управляющие логические системы.
Кодеры.

Преимущества

Выдают ток больше, чем фотодиоды.
Способны создать мгновенную высокую величину тока выхода.
Основное достоинство – способность создания повышенного напряжения, в отличие от фоторезисторов.
Невысокая стоимость.

Недостатки

Ф-транзисторы являются аналогом фотодиодов, однако имеют серьезные недостатки, которые создают условия для узкой специализации этого полупроводника.

Многие виды фототранзисторов изготавливают из силикона, поэтому они не могут работать с напряжением более 1 кВ.
Такие светочувствительные полупроводники имеют большую зависимость от перепадов напряжения питания в электрической цепи. В таких режимах фотодиод ведет себя гораздо надежнее.
Ф-транзисторы не сочетаются с работой в лампах, по причине малой скорости носителей заряда.

Обозначения на схемах

Управляемые световым потоком транзисторы, на схемах обозначаются как обычные транзисторы.

VТ1 и VТ2 – ф-транзисторы с базой, VТ3 – транзисторы без базы. Цоколевка изображена как у простых транзисторов.

Так же, как и другие приборы на основе полупроводников с переходом n-p-n, применяющиеся для преобразования светового потока, фототранзисторы можно назвать оптронами. Их на схемах изображают в виде светодиода в корпусе, или в виде оптронов со стрелками. Усилитель во многих схемах обозначается в виде базы и коллектора.

Фототранзисторы биполярные и полевые, обозначение на схемах,…

Привет, Вы узнаете про Фототранзисторы, Разберем основные ее виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое Фототранзисторы, Фототранзистор , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Фототранзистор — это управляемый излучением прибор с двумя или большим числом взаимодействующих между собой электрических переходов. Его применяют в качестве чувствительного к излучению элемента оптоэлектронных пар и фотоприемных устройств, первичного преобразователя измерительных информационных систем, элемента приемного модуля волоконно-оптических линий связи средней пропускной способности и др. Различают биполярные и полевые Фототранзисторы . К фототранзисторам также относится фототиристор .

Обозначения на схемах фототранзисторов

Схематическое изображение фототранзистора на электрических схемах

VТ1 – фототранзисторы с базой, VТ2 – фототранзисторы без базы.

История

Фототранзистор изобрел Джон Нортроп Шив (John Northrup Shive) в 1948 г., во время его работы в Bell Laboratories[1], но об этом изобретении было заявлено только в 1950 г.[2] Тогда же фототранзисторы были впервые применены в считывателе перфокарт в автоматической телефонной станции.

Биполярный фототранзистор. Устройство и принцип действия.

Рис. 1

Один из возможных вариантов конструкции фототранзистора показан на Рис.1. Как видно из этого рисунка, фототранзистор отличается от обычного транзистора лишь прозрачным окном в корпусе; через него световой поток падает на пластину полупроводника, служащую базой, в центре которой путем вплавления создан коллекторный переход.

Возможны и другие варианты расположения электродов, например кольцеобразный коллектор на освещаемой поверхности базы.

Устройство и схема включения биполярного фототранзистора также показаны на Рис.2.а.

Фототранзистор состоит из:

1 — эмиттерной области р+- типа;

2 — области базы n- типа, большая часть которой пассивна и открыта световому потоку;

3 — широкой коллекторной области р- типа.

Рис.2

Пассивная часть базы расположена на Рис.2.а слева от штрих пунктирной линии. Фототранзистор, как правило, включается по схеме ОЭ с резистором нагрузки Rн в коллекторной цепи (Рис.2.а). Входным сигналом фототранзистора является модулированный световой поток, а выходным — изменение напряжения на его коллекторе.

Типовая спектральная чувствительность кремниевого фототранзистора

Рассмотрим принцип работы фототранзистора в схеме с разорванной цепью базы. Оптический сигнал генерирует в коллекторном переходе и области пассивной базы носители. Эти носители диффундируют в базе к коллекторному переходу и разделяются его электрическим полем. Не основные носители создают фототок коллекторного перехода, а основные накапливаются в базе и компенсируют заряд неподвижных ионов примесей на границе эмиттерного перехода. Потенциальный барьер перехода снижается, что усиливает инжекцию носителей из эмиттера в базу. Инжектированные носители диффундируют через базу к коллекторному переходу и втягиваются его электрическим полем в область коллектора. Ток инжектированных носителей, а соответственно и образованный ими коллекторный ток многократно превышает фототок оптически генерируемых носителей.

Общий ток коллектора — это сумма фототока Iфб и тока I

кр инжектированных эмиттером дырок, прошедших коллекторный переход.

Коэффициент усиления фототока:

М=(Iфв+Iкр)/Iфб=β+1, если , (1)

где β — статический коэффициент передачи по току транзистора в схеме с ОЭ.

Усиленный в М раз фототок создает падение напряжения на резисторе нагрузки Rн, изменяя напряжение коллектора на:

, (2)

Из этого соотношения следует, что фототранзистор можно представить в виде эквивалентного фотодиода VD и усилительного транзистора VT (Рис.2.б). Эквивалентный фотодиод образован пассивной базой и областью коллектора слева от штрих-пунктирной линии на Рис.2.а, структура усилительного транзистора расположена справа от этой линии.

Транзистор увеличил чувствительность эквивалентного фотодиода в ( β+1) раз.

Вывод базы Б фототранзистора иногда используется для подачи смещения при выборе рабочей точки на входной и выходной характеристиках транзистора и обеспечения ее температурной стабилизации.

Семейство выходных характеристик фототранзистора в схеме с ОЭ приведено на Рис.2.в. Фототок образован генерируемыми в области базы неравновесными носителями.

Характеристики фототранзистора.

Световая характеристика фототранзистора — это зависимость тока коллектора от светового потока Iк=f(Ф). Она линейна только при малых потоках. С увеличением светового потока и ростом концентрации неравновесных носителей в базе повышается вероятность их рекомбинации, снижаются коэффициенты переноса, и инжекции фототранзистора. Прямо пропорциональная зависимость коллекторного тока от светового потока нарушается.

Рис . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 3

Большинство параметров биполярного фототранзистора аналогично по физическому смыслу параметрам фотодиодов. Кроме того, фототранзистор характеризуется рабочим напряжением питания, емкостями переходовСк и Сэ, статическим коэффициентом усиления по току и другими параметрами обычного транзистора.

Вольт-амперные характеристики фототранзистора (Рис.3) напоминают выходные характеристики обычного транзистора в схеме ОЭ, но параметром здесь служит не ток IК, а световой поток Ф.

Крутой начальный участок этих характеристик соответствует режиму насыщения: при малых Uкэ коллекторный переход, как и в биполярном транзисторе, за счет накопления дырок в коллекторе открывается.

Наклон характеристик к оси абсцисс в их пологой части объясняется, так же как и для биполярного транзистора, эффектом модуляции ширины базы.

Рис. 4

Частотные свойства фототранзисторов определяются в основном диффузионным движением носителей в базе прибора и процессами заряда емкостей переходов.

С увеличением частоты модуляции светового потока фототок уменьшается так же, как и в фотодиодах (Рис.4).

Одним из важнейших параметров фототранзистора служит коэффициент усиления по фототоку фототранзистора (Куф) — отношение фототока коллектора фототранзистора при отключенной базе к фототоку освещаемого р-n перехода, измеренному в диодном режиме:

, (3)

Токовая чувствительность фототранзистора — это отношение изменения электрического тока на выходе фототранзистора к изменению потока излучения при холостом ходе на входе и коротком замыкании на выходе по переменному току. Для схемы с общим эмиттером токовая чувствительность равна:

(4)

Эмиттерный переход биполярного фототранзистора включен в прямом направлении. Его удельная емкость около 105 . Постоянная времени заряда емкости эмиттерного перехода увеличивается с ослаблением интенсивности светового потока. При малых световых потоках она определяет в основном инерционность фототранзистора. При больших световых потоках на инерционность фототранзистора влияют время диффузии носителей в базе и емкость коллекторного перехода. Поэтому для фототранзистора выбирают материалы с высокой подвижностью носителей, используют структуру с внутренним электрическим полем в базе или с тонкой базой. Уменьшать емкость коллекторного перехода снижением концентрации примесей в области коллектора удается лишь до некоторого предела. Сокращать для этой цели площадь эквивалентного фотодиода нецелесообразно, так как при этом падает чувствительность фототранзистора.

Рис. 5

Для повышения чувствительности фототранзистора следует увеличивать толщину базы,время жизни носителей в базе и, следовательно, выбирать материалы с высоким удельным сопротивлением. Но для повышения его граничной частоты толщину базы и время жизни носителей необходимо уменьшать. Разрешает противоречие между быстродействием и чувствительностью структура фотодиод — транзистор, эквивалентная схема которой показана на Рис.5. Оба элемента структуры изготовлены в одном кристалле. Параметры фотодиода выбирают из условий достижения максимальной чувствительности и быстродействия, а параметры транзистора — максимальной граничной частоты и усиления. В совокупности оба элемента эквивалентны быстродействующему фототранзистору с высоким коэффициентом усиления

Полевой фототранзистор.

Рис.6

Устройство и схема включения полевого фототранзистора с управляющим р-n переходом показаны на Рис.6.а

где: 1 — просветляющее покрытие;

2 — диэлектрический слой;

3 — область истока n+ — типа;

4 — канал n- типа;

5 — область затвора р- типа;

6 — стоковая область n+ — типа;

7 — выводы прибора;

Rн — резистор нагрузки в цепи затвора;

Rн.тр — резистор нагрузки фототранзистора.

Световой поток генерирует неравновесные носители в области затвора 3 и р-n перехода затвор-канал. Электрическое поле этого перехода разделяет неравновесные носители. В цепи затвора появляется фототок

Iф. Он создает на резисторе Rн падение напряжения:

(5)

Напряжение на затворе увеличивается, ток стока изменяется на:

, (6)

где S — крутизна стокозатворной характеристики полевого транзистора. Проводимость канала возрастает, и соответственно уменьшается напряжение стока на:

, (7)

Изменение напряжения стока является выходным электрическим сигналом схемы. Таким образом, полевой фототранзистор эквивалентен фотодиоду “затвор-канал” и усилительному полевому транзистору с управляющим р-n переходом (Рис.6.б).

Рис.7

В эквивалентной схеме полевого фототранзистора (Рис.7) источники Iфи и Iфс моделируют фототоки р-n переходов “исток-затвор” и “сток-затвор”; источник SUз — усиление в транзисторе; резистор rДИФ — дифференциальное выходное сопротивление транзистора; резисторы Rи, Rc и конденсаторы Си, Сс учитывают сопротивление и емкости переходов между областями “исток-затвор”, “сток-затвор”. Резисторы Rпс, Rпи, R`пс, R`пи с учетом сопротивления омических контактов определяют последовательно включенные сопротивления областей между выводом затвора и областью стока, выводом затвора и областью истока, выводом истока и областью затвора, выводом стока и областью затвора. Для источника тока в выходной цепи фототранзистора можно записать:

, (8)

где Iф.к. — фототок p-n перехода “канал-затвор”.

При коротком замыкании цепи “затвор-исток” объемные сопротивления Rпu, R`пи, Rпс выполняют роль резисторов нагрузки. Постоянными времени (Rпи+R`пи)Cи и (Rпс+R`пс)Cс, а также временем пролета носителей в канале определяется предельное быстродействие фототранзистора.

Параметры полевого фототранзистора аналогичны по физическому смыслу параметрам биполярного.

Структуры полевых транзисторов с р-n переходом и МОП фототранзисторов многообразны. Наибольшие быстродействие и чувствительность у структуры фотодиод — полевой транзистор . Фотодиод совмещен с областью истока полевого транзистора — усилительного элемента. Каждая из составляющих структуры оптимизирована: фотодиод — по чувствительности и быстродействию, полевой транзистор — по граничной частоте и усилению.

Сравнительная оценка параметров фототранзисторов показывает, что наибольшая чувствительность у составного фототранзистора, а максимальное быстродействие при хорошей чувствительности у структуры фотодиод — биполярный транзистор (ФД-БТ). Структура фотодиод — полевой транзистор имеет параметры, близкие к параметрам структуры ФД-БТ. Фототранзисторы уступают фотодиодам по быстродействию, но за счет усиления сигнала имеют высокую чувствительность.

Свойство усиления

Ток базы от падающего света подвергается усилению в сотни и тысячи раз. Дополнительное усиление тока обеспечивается особым транзистором Дарлингтона, который представляет собой полупроводник , эмиттер которого соединен с базой другого биполярного транзистора. На схеме изображен такой вид фототранзистора.

Схемы подключения биполярных фототранзисторов

Схема с общим эмиттером

По этой схеме создается сигнал выхода, переходящий от высокого состояния в низкое, при падении лучей света.

Схема с общим коллектором

Усилитель , подключенный с общим коллектором, создает сигнал выхода, переходящий от низкого состояния в высокое, при попадании света на полупроводник.

В обоих вариантах транзистор может работать в 2-х режимах:

Активный режим.
Режим переключения.

Активный режим

Режим переключения

Проверка фототранзистора

Конструкция корпусов

Приборы, предназначенные для приема внешнего излучения заключают в пластмассовый, металлостеклянный или металлокерамический корпус с прозрачным окошком или линзой, изготовленных из пластмассы или стекла. Исключение составляют фототранзисторы, входящие в состав оптронов, заключенные совместно с источником излучения в непрозрачный корпус.

Приборы, оформленные в металлостеклянных и металлокерамических корпусах, обычно имеют электрический вывод базы.

Сдвоенный фототранзистор

Преимущества и Недостатки фототранзисторов

Преимущества фототранзисторов

Выдают ток больше, чем фотодиоды .
Способны создать мгновенную высокую величину тока выхода.
Основное достоинство – способность создания повышенного напряжения, в отличие от фоторезисторов.
Невысокая стоимость.

Недостатки фототранзисторов

Фототранзисторы являются аналогом фотодиодов, однако имеют серьезные недостатки, которые создают условия для узкой специализации этого полупроводника.

Многие виды фототранзисторов изготавливают из силикона, поэтому они не могут работать с напряжением более 1 кВ.
Такие светочувствительные полупроводники имеют большую зависимость от перепадов напряжения питания в электрической цепи. В таких режимах фотодиод ведет себя гораздо надежнее.
Фототранзисторы не сочетаются с работой в лампах, по причине малой скорости носителей заряда

Применение фототранзисторов

Оптопара с составным транзистором фототранзистор-транзистор по схеме Дарлингтона

Так как фототранзисторы более чувствительны чем фотодиоды их удобно применять в качестве приемников излучения в различных системах автоматики безопасности, системах охранной сигнализации, считывателях перфокарт и перфолент, датчиках положения и расстояния и др. применениях, где некритично быстродействие.

Часто фототранзисторы применяют в оптопарах в качестве приемников излучения в оптронах.

так же фототранзисторы применяются в

Системы охраны (чаще применяются инфракрасные ф-транзисторы).
Фотореле.
Системы расчета данных и датчики уровней.
Автоматические системы коммутации осветительных приборов (также применяются инфракрасные ф-транзисторы).
Компьютерные управляющие логические системы.
Кодеры.

На этом все! Теперь вы знаете все про Фототранзисторы, Помните, что это теперь будет проще использовать на практике. Надеюсь, что теперь ты понял что такое Фототранзисторы, Фототранзистор и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

KT315 ФОТОДИОД или ФОТОТРАНЗИСТОР | Дмитрий Компанец

Оптопара и фотодиод

Как проверить фотодиод и как отличить его от фототранзистора. Разумеется можно использовать специальные приборы которые так старательно предлагают нам покупать в рекламных роликах гуру электроники. Но я предпочитаю методики простые и надежные с минимумом приборов, но с максимумом сообразительности.

Многие старые фототранзисторы и фотодиоды похожи корпусами и имеют сходство с обыкновенными светодиодами, хотя, по большому счету инфракрасные Светодиоды мало чем отличаются от ИК фотодиодов — и те и другие прекрасно преобразуют свет в электричество, что и используется во всевозможных датчиках и устройствах таких к примеру как Дистанционное управление телевизором или музыкальным центром.

Современные роботы никак не обходятся без фотодатчиков и у некоторых из них этих датчиков просто множество. Я разбирая Робот пылесос , нашел внутри более 20 датчиков основанных на излучении и восприятии света инфракрасного диапазона.

Простым примером таких устройств являются компьютерные мышки в них стоят самые распространенные типы устройств — Оптопары открытого типа или Щелевые датчики.

Эти датчики могут состоять из пары Светодиод + Фотодиод или Светодиод + Фототранзистор, хотя в оптопарах мугут встречаться и вариации к примеру с тиристорами и резисторами.

Простейшим способом проверки оптопар , фотодиодов, и фототранзисторов является прозвонка их тестером, НО не в обычном режиме проверки Диодов и Транзисторов, а в режиме измерения напряжения на ПН переходе возникающего при освещении светом. Эта методика годится практически для любых фото и свето диодов и помогает даже тогда, когда проверить светодиод невозможно традиционным способом.

Для транзисторов эта методика не годится. Всё дело в том, что транзистор ведет себя как сопротивление — условно это два противоположно направленных диода, поэтому проверку стоит проводить на режиме измерения сопротивлений.

Включив тестер в режим Омметра и подсоединив фототранзистор, можно наблюдать изменение его сопротивления при освещении его светом фонаря или лампы.

Разнообразные формы оптопар могут удивить , но суть работы их не меняется — один излучает другой принимает, а вот количество устройств которые можно создать с помощью этих устройств …это отдельный разговор!

Как проверить инфракрасный свето- и фотодиод, мощная доработка тестера ut61e

Как известно, одним из лучших, если не лучшим тестером в категории до 50 баксов является uni-t ut61e. Однако, у него есть несколько недостатков, которые можно и нужно исправлять, о чём я и расскажу в этом обзоре.

Недостатков у данного тестера три: отсутствие автоотключения, отсутствие измерения температуры и отсутствие подсветки. С температурой придётся, к сожалению, смириться.

Подсветку я лично не считаю чем-то необходимым, особенно в случае использования «кроны» и «классической» реализации, когда подсветка загорается на 15-30-60с. А вот задействовать автоотключение — не только можно но и нужно, потому что забыть включенный прибор и утром обнаружить полностью севшую батарейку — чертовски неприятно.

Перейдём к диодам. Тут особо писать нечего — диоды как диоды. В пакете 50 штук совершенно стандартных ИК светодиодов диаметром 3мм в прозрачном корпусе, и 50 штук 3мм фотодиодов в черном корпусе, что должно отфильтровать видимый спектр. На деле фонарик вполне засвечивает и открывает фотодиод даже через это чёрное стекло. Длину излучаемой волны измерить нечем, но в темноте светодиод я не разглядел, а в фотоаппарат — вполне.

На этом обзор диодов можно считать завершенным 😉

Переходим к доработке мультиметра. Доработка будет состоять из нескольких этапов: доработка ИК порта, доработка мультиметра в части автоотключения, и бонусом — установка внешнего источника опорного напряжения. Последнее, к сожалению, актуально только для приборов старых ревизий, где на плате предусмотрено место для внешнего ИОНа и обвязки.

Часть первая, ИК порт. Идея взята тут.

Во-первых — для чего переделывается порт? Для того, чтобы обеспечить И автоотключение, И передачу данных — мало ли когда оно понадобится?

Берём комплектный шнурок и разбираем его:

Берём светодиод

Загибаем ему ноги как у уже запаянного фотодиода, и запаиваем на место. Полярность на плате подписана.

Кроме светодиода запаиваем резистор на 10кОм

Всё, можно собирать. Я заклеил суперклеем.

Теперь переходим к мультиметру. Идея переделки заключается в том, чтобы не только отпаять и приподнять 111 ножку чипа, отвечающую за автоотключение, но и подключить к ней фотодиод или фототранзистор для управления от порта.

Для начала изготовим платку для фотодиода и резистора. Я просто из обрезка одностороннего стеклотекстолита вырезал и пропилил надфилем в двух местах.

Теперь замеряемся куда и как ставить нашу плату:

Как видим, расстояние между диодами должно быть 16.5мм, а высота диода над платой — 10мм. Изгибаем, запаиваем, клеим на плату на «китайские сопли» (термопистолет), или тонкий двухсторонний скотч:

Ищем точки подключения:

… и выводим провод на противоположную сторону платы через штатное отверстие. Провод нужен тоненький, чтобы пролез в отверстие и изоляция не повредилась нигде:

Поднимаем ногу микросхемы, и подпаиваем к ней провод, закрепляя тем же термоклеем. Кстати, плату с диодом и провода тоже нужно прицепить термоклеем, чтобы не развалилось всё это. Я этот момент не сфотографировал, к сожалению.

Хочется сделать так:

Но так делать НЕЛЬЗЯ — там расстояние до дисплея минимальное. Поэтому делаем так:

Обратите внимание, что анод (+) фотодиода подключается к V-, то есть включение «обратное», «стабилитронное» 😉

Всё, можно собирать и проверять. Как видим, значок передачи данных погас, а значок автоотключения загорелся:

Подключаем к компьютеру.

Нажимаем COM-connect:

Ура, всё работает.

Ну и бонусом — установка нового ИОНа LT1790ACS6-1.25 (я брал сразу три штуки, вышло не так дорого за один. возможно есть и более дешевые варианты). Тут я хочу повториться что данная доработка актуальна только для старых приборов, там на плате предусмотрены места установки данного ИОНа и обвязки. В новых ревизиях платы их установка не предусмотрена, соответственно, придётся вешать на соплях, ну и в этом случае разумно поискать что-то подешевле и без обвязки. Типа того что установлено в an8008, например.

Зачем это нужно? У внешней опорки LT1790 температурный коэффициент 10-25ppm (в зависимости от варианта), а у встроенной в es51922 — вроде как аж 75ppm (идея взята здесь).

К сожалению, маркировка микросхемы никак не зависит от типа этой микросхемы, то есть узнать реальную точность, температурный коэффициент и температурный диапазон — нельзя. таким образом может оказаться что китаец впаривает более дешевый чип под видом более дорогого — но доказать это невозможно без применения высокоточного оборудования.

Схема подключения такова:

Вместе с установкой ИОНа весьма желательно заменить также резисторы делителя, то есть R16 и многооборотный подстроечник — таким образом, чтобы подстроечник имел минимальное сопротивление. В этом случае он будет оказывать минимальное же влияние и обеспечивать комфортную регулировку. Штатный подстроечник имеет сопротивление аж 2кОм что явно многовато. рекомендуется установка подстроечника 50-100 Ом. Купить можно например тут. Я пока поставил первый попавшийся на 500 Ом, что всяко лучше штатного, а потом посмотрю что делать дальше. Сразу хочу сказать, что настройка стала заметно плавнее, последний разряд это пара оборотов подстроечника.

Итак, переделка:

Нужно запаять резисторы R52 и R53 размера 0603 и номиналом 10кОм и конденсатор С50 емкостью 10мкФ (размер 0805, наверно можно попытаться и 1206 воткнуть), а также перенести резистор R15 на позицию R51. Ну и запаять собственно сам ИОН. После этого подключаем внешний источник образцового напряжения (см в конце обзора) и калибруем по постоянному напряжению.

Если честно, данная переделка особо ничего не даёт, это просто такая «прикольная фишка» типа «прокачай свой мультиметр» 😉

А вот внедрение свето- и фото- диодов и допиливание автоотключения — это совершенно однозначно та самая операция, которая должна проводиться сразу же после приобретения тестера.

Теперь о подсветке. Если кому-то прям не спится без подсветки в тестере — то самый простой способ это поместить внутрь модуль на TTP223, типа такого, подключить его после выключателя питания и стабилизатора и переключить в режим «кнопка с фиксацией». 8мА он должен по выходу держать, а больше как-бы и не нужно для подсветки. Ну либо по выходу модуля поставить еще и транзистор, который позволит получить любой нужный ток.

На этом всё, дорабатывайте свои ut61e и наслаждайтесь удобством!

Как проверить оптопару (оптрон) — схема и принцип работы самодельного тестера

Потребовался простой способ проверки оптронов.

Не часто я с ними «общаюсь», но бывают моменты, когда надо определить — виноват ли оптрон?.. Для этих целей сделал очень простой пробник. «Конструкция выходного часа».

Внешний вид пробника:

Схема данного пробника очень проста:

Теория:
Оптроны(оптопары) стоят практически в каждом импульсном блоке питания для гальванической развязки цепи обратной связи. В составе оптрона находятся обычный светодиод и фототранзистор. Упрощенно говоря, это, своего рода, маломощное электронное реле, с контактами на замыкание.

Принцип работы оптрона: Когда через встроенный светодиод проходит электрический ток, светодиод (в оптроне) начинает светиться, свет попадает на встроенный фототранзистор и открывает его.

Оптроны часто выпускается в корпусе Dip
Первая ножка микросхемы, по стандарту обозначается ключом, точкой на корпусе микросхемы, она же анод светодиода, далее номера ножек идут по окружности, против часовой стрелки.

Суть проверки: Фототранзистор, при попадании на него света от внутреннего светодиода,
переходит в открытое состояние, а сопротивление его — резко уменьшится (с очень большого сопротивления, до примерно 30-50 Ом.).

Практика:
Единственным минусом данного пробника является то, что для проверки необходимо выпаять оптрон и установить в держатель согласно ключу(у меня роль напоминалки является кнопка тестирования — она смещена в сторону, и ключ оптрона должен смотреть на кнопку).
Далее, при нажатии кнопки, (если оптрон цел), оба светодиода загорятся: Правый будет сигнализировать о том, что светодиод оптрона рабочий(цепь не разорвана), а левый сигнализировать о работоспособности фототранзистора(цепь не разорвана).

(Держатель у меня был только DIP-6 и пришлось залить неиспользуемые контакты термоклеем.)

Для окончательного тестирования, необходимо перевернуть оптрон «не по ключу» и проверить уже в таком виде — оба светодиода не должны гореть. Если же горят оба или один из них, то это говорит нам о коротком замыкании в оптроне.

Рекомендую такой пробник в качестве первого, для начинающих радиолюбителей, которым необходимо проверять оптроны раз в полгода, год)
Существуют и более современные схемы с логикой и сигнализацией о «выходе из параметров», но такие нужны для очень узкого круга людей.

Датчик для обнаружения страйкбольной пули

Вам не нужно, чтобы BB был отцентрирован между излучателем и детектором

Может быть возможно использовать фототранзистор в качестве аналогового датчика, а не переключателя (что, как я подозреваю, вы делаете в настоящее время) Даже если ваш предмет не полностью блокирует свет, он изменит свет в области занятой трубы. Используйте свой фототранзистор для создания напряжения, усиления или буферизации, если необходимо, и отправьте выходной сигнал на дифференцирующий усилитель . Это должно генерировать ненулевое напряжение при изменении интенсивности света. Предполагая, что ваша система закрыта на обоих концах (и что у вашего страйкбольного пистолета нет значительной дульной вспышки), это должно происходить только тогда, когда пуля проходит область.

Некоторые идеи из световых завес

Также учтите, что ваша проблема похожа на проблему, решаемую с помощью световых завес, но в меньшем масштабе. Это особенно похоже на вашу последнюю диаграмму с несколькими датчиками. Несколько хитростей можно позаимствовать из световых завес:

Легче спроектировать и собрать прямоугольные световые завесы, чем другие формы. Предполагая, что вы спроектировали свою трубу так, чтобы она была достаточно большой, чтобы поток воздуха вокруг пули не представлял проблемы, вы можете поставить на конце трубы коробки с плоскими печатными платами для монтажа излучателей и детекторов. Это было бы значительно проще и надежнее, чем сверлить отверстия в трубе и прокладывать провода повсюду.
Ваше разрешение может быть значительно увеличено путем сканирования ваших излучателей и проверки каждого из ваших детекторов. Это изменяет ваш шаблон сканирования с ряда линий (которые затем должны быть <6 мм друг от друга) на линии между каждым детектором и каждым излучателем. Вам нужно будет убедиться, что сформированный шаблон не оставляет зияющих отверстий, например, непосредственно примыкающих к излучателям или детекторам (хотя их можно удалить, просто расставив детекторы и излучатели дальше друг от друга). Обратите внимание, что вам нужно будет сканировать довольно быстро; ограничивающим фактором, вероятно, являются ваши фототранзисторы с временем нарастания и спада порядка 10 микросекунд. Чтобы избежать обнаружения, 6-миллиметровый объект должен был бы путешествовать в:
6 м м 10 М ы ≈ 2000 футов в секунду6 мм10 μs≈2000 футов в секунду
что, я надеюсь, значительно быстрее, чем способна ваша страйкбольная пушка.

Еще одна проблема о вашем источнике:

Я не знаю, какие ИК-светодиоды я использую (и продавец в магазине тоже не знает — он сказал мне, что они являются стандартными для пультов дистанционного управления, таких как телевизор или контроллер DVD).

Нет, просто нет. Физические магазины и настоящие продавцы полезны только в том случае, если (1) у вас нелепое время, и вы не можете дождаться следующего дня, когда ваши запчасти поступят по почте, или (2) они повышают ценность продукта. У вас нет времени, и ваш продавец ничего не знает о товаре, поэтому я настоятельно рекомендую вам начать смотреть на авторитетных онлайн-дистрибьюторов, таких как Mouser и Digikey, которые предоставят таблицы данных и оригинальные запчасти.

Кроме того, ваше ценовое предложение в 12 долларов за 5 ИК-излучателей (обратите внимание, что светодиоды излучают только видимый свет, поэтому технически некорректно называть их ИК-светодиодами, они называются «инфракрасными излучателями») и 5 фототранзисторов просто смешно. Стоимость ИК-излучателей составляет около 0,15 долл. США каждый, а фототранзисторов — около 0,30 долл. США каждый, поэтому вы должны смотреть на 2,25 долл. США для своей установки из 5 частей. Также обратите внимание, что эти цены указаны для небольших количеств сквозных отверстий: если вы покупаете катушки или используете более дешевые детали SMD, ни светодиод, ни фототранзистор не должны стоить больше, чем 0,10 доллара.

редактировать

Чтобы выбрать между различными возможными конфигурациями излучателей и детекторов, проведите линии прямой видимости через каждую пару, которую вы собираетесь проверить, как показано здесь:

Левый более плотный в центре, а правый использует значительное количество линий прямой видимости при проверке крайней периферии. Так как вы не работаете с критически важным для безопасности приложением, таким как световая завеса, где вы не можете позволить себе время от времени пропускать какой-либо объект, и поскольку ваши объекты должны быть сосредоточены в центре (и давать ошибочные результаты, если они попадают в стороны), я бы предложил левый.

Тем не менее, оба будут сложны в изготовлении. Я все еще предлагаю использовать прямоугольное расположение, как показано здесь:

Эта схема описывает верхнюю материнскую плату, содержащую микроконтроллер и разъем для питания, заземления и импульса, который выдается при обнаружении объекта, с дочерними платами, установленными на прямоугольных разъемах. Это создает расстояние 32/5 = 6,4 мм между парами излучатель / детектор без проверки диагоналей, увеличение счетчика с 5 до 6 или 8 (что было бы легко) позволило бы выполнить простое линейное сканирование.

Учтите, что схемы для эмиттера и детектора в основном идентичны (и имеют низкую плотность / сложность), вы, вероятно, могли бы сделать все три платы физически идентичными и просто заполнить их по-разному, чтобы сэкономить деньги. Для материнской платы, микроконтроллера SSOP или SOIC в верхней части платы, выполните ввод / вывод с обеих сторон до отверстий 0,1 «для прямоугольного заголовка. Для дочерних плат поместите ряд следов эмиттера / детектора (они Достаточно легко найти его в механически идентичных упаковках, таких как пара Kingbright APT2012F3C / AA3021P3S) и резисторы в нижней части, и запустить соединения обратно к заголовкам. Несколько паяных перемычек было бы достаточно для изготовления платы любого типа, как показано в следующем Схема, или вы могли бы придумать и сделать один конец платы соединением для излучателей, а другой для детекторов.

Опять же, я настоятельно рекомендую тщательно продумать дизайн для технологичности на данном этапе! Вы не хотите получать кучу компонентов, которые не можете надежно собрать, особенно если у вас есть длительное время выполнения заказа, как указано. Небольшое усилие, вложенное рано, может сэкономить много усилий позже.

Редактировать № 2: Схема для предлагаемого дизайна

Я использовал ATtiny40 в этом проекте, есть множество контроллеров, которые можно использовать. Извините за беспорядок сетей снаружи, я пробую новый аккуратный онлайн-редактор (щелкните изображение, чтобы открыть его), у которого еще нет автобусов.

Изготовление транзистора своими руками

Эта статья заинтересует в первую очередь тех, кто любит и умеет мастерить. Конечно, можно купить различные готовые устройства и приборы, в том числе и изделия солнечной фотовольтаики в сборе или россыпью. Но умельцам намного интереснее создать собственное устройство, не похожее на другие, но обладающее уникальными свойствами. Например, из транзисторов своими руками может быть изготовлена солнечная батарея, на базе этой солнечной батареи могут быть собраны различные устройства, например, датчик освещенности или маломощное зарядное устройство.

Собираем солнечную батарею

В промышленных гелиевых модулях в качестве элемента, преобразующего солнечный свет в электричество, используется кремний. Естественно, этот материал прошел соответствующую обработку, которая превратила природный элемент в кристаллический полупроводник. Этот кристалл нарезается на тончайшие пластины, которые затем служат основой для сборки больших солнечных модулей. Этот же материал используется и при изготовлении полупроводниковых приборов. Поэтому, в принципе, из достаточного количества кремниевых транзисторов можно изготовить солнечную батарею.

Для изготовления гелиевой батареи лучше всего использовать старые мощные приборы, имеющие маркировку «П» или «КТ». Чем мощнее транзистор, тем большую площадь имеет кремниевый кристалл, а следовательно, тем большую площадь будет иметь фотоэлемент. Желательно, чтобы они были рабочие, в противном случае их использование может стать проблематичным. Можно, конечно, попробовать использовать и неисправные транзисторы. Но при этом каждый из них следует проверить на предмет отсутствия короткого замыкания на одном из двух переходов: эмиттер – база или коллектор – база.

От того, какова структура используемых транзисторов (р-n-р или n-р-n), зависит полярность создаваемой батареи. Например, KT819 имеет структуру n-р-n, поэтому для него положительным («+») выходом будет вывод базы, а отрицательными («-») – выводы эмиттера и коллектора. А транзисторы типа П201, П416 имеют структуру р-n-р, поэтому для них отрицательным («-») выходом будет вывод базы, а положительными («+») — выводы эмиттера и коллектора. Если взять в качестве фотопреобразователя отечественные П201 – П203, то при хорошем освещении можно получить на выходе ток до трех миллиампер при напряжении в 1.5 вольта.

Транзистор П202М

После того, как будет выбран тип и собрано достаточное количество транзисторов, к примеру, П201 или П416, можно приступать к изготовлению солнечной батареи. Для этого на расточном станке следует сточить фланцы транзисторов и удалить верхнюю часть корпуса. Затем нужно провести рутинную, но необходимую операцию по проверке всех транзисторов на пригодность использования их в качестве фотоэлементов. Для этого следует воспользоваться цифровым мультиметром, установив его в режим миллиамперметра с диапазоном измерения до 20 миллиампер. Соединяем «плюсовой» щуп с коллектором проверяемого транзистора, а «минусовой» — с базой.

Проверка транзистора

Если освещение достаточно хорошее, то мультиметр покажет значение тока в пределах от 0.15 до 0.3 миллиампер. Если значение тока окажется ниже минимального значения, то этот транзистор лучше не использовать. После проверки тока следует проверить напряжение. Не снимая щупов с выводов, мультиметр следует переключить на измерение напряжения в диапазоне до одного вольта. При этом же освещении прибор должен показать напряжение, равное примерно 0.3 вольта. Если показатели тока и напряжения соответствуют приведенным значениям, то транзистор годен для использования в качестве фотоэлемента в составе солнечной батареи.

Схема соединений транзисторов в солнечную батарею

Если есть возможность, то можно попробовать выбрать транзисторы с максимальными показателями. У некоторых транзисторов в плане расположения выводов для монтажа батареи может оказаться более удобным переход база – эмиттер. Тогда свободным остается вывод коллектора. И последнее замечание, которое нужно иметь в виду при изготовлении гелиевой батареи из транзисторов. При сборке батареи следует позаботиться об отводе тепла, так как при нагревании кристалл полупроводника, начиная примерно с температуры +25°С, на каждом последующем градусе теряет около 0.5% от начального напряжения.

Транзисторы П203Э с радиаторами охлаждения

В летний солнечный день кристалл кремния может нагреваться до температуры +80°С. При такой высокой температуре каждый элемент, входящий в состав гелиевой батареи, может терять в среднем до 0.085 вольта. Таким образом, коэффициент полезного действия такой самодельной батареи будет заметно снижаться. Именно для того, чтобы минимизировать потери, и нужен теплоотвод.

Обычный транзистор как элемент солнечной фотовольтаики

Кроме того, что обычный транзистор достаточно просто можно превратить в фотоэлектрический преобразователь, при небольшой фантазии его можно использовать и в других полезных схемах, используя фотоэлектрические свойства полупроводника. И область применения этих свойств может быть самая неожиданная. Причем применять модифицированный транзистор можно в двух вариантах – в режиме солнечной батареи и в режиме фототранзистора. В режиме солнечной батареи с двух выводов (база – коллектор или база – эмиттер) без каких-либо модификаций снимается электрический сигнал, вырабатываемый полупроводником при освещении его.

Фототранзистор представляет собой полупроводниковое устройство, реагирующее на световой поток и работающее во всех диапазонах спектра. Этот прибор преобразовывает излучение в электрический сигнал постоянного тока, одновременно усиливая его. Ток коллектора фототранзистора находится в зависимости от мощности излучения. Чем интенсивнее освещается область базы фототранзистора, тем больше становится ток коллектора.

Из обычного транзистора можно сделать не только фотоэлемент, преобразующий световую энергию в энергию электрическую. Обычный транзистор можно легко превратить в фототранзистор и использовать в дальнейшем уже его новые функциональные возможности. Для такой модификации подходят практически любые транзисторы. Например, серии MП. Если повернуть транзистор выводами кверху, то мы увидим, что вывод базы припаян непосредственно к корпусу транзистора, а выводы эмиттера и коллектора изолированы и заведены вовнутрь. Электроды транзистора расположены треугольником. Если повернуть транзистор так, чтобы вершина этого треугольника – база – была повернута к вам, то коллектор окажется слева, а эмиттер – справа.

Корпус транзистора, сточенный со стороны эмиттера

Теперь надфилем следует аккуратно сточить корпус транзистора со стороны эмиттера до получения сквозного отверстия. Фототранзистор готов к работе. Как и фотоэлемент из транзистора, так и самодельный фототранзистор может быть использован в различных схемах, реагирующих на свет. Например, в датчиках освещенности, которые управляют включением и выключением, например, внешнего освещения.

Схема простейшего датчика освещения

И те, и другие транзисторы могут быть использованы в схемах слежения за положением солнца для управления поворотом солнечных батарей. Слабый сигнал с этих транзисторов достаточно просто усиливается, например, составным транзистором Дарлингтона, который, в свою очередь, уже может управлять силовыми реле.

Примеров использования таких самоделок можно привести великое множество. Сфера их применения ограничивается только фантазией и опытом человека, взявшегося за такую работу. Мигающие елочные гирлянды, регуляторы освещенности в комнате, управление освещением дачного участка… Все это можно сделать своими руками.

Как проверить фототранзистор

Чувствительность фотодиода можно увеличить примерно в 100 раз, добавив переход, в результате чего получится NPN-транзистор. Фототранзистор обычно подключается по схеме с общим эмиттером с открытой базой. Освещение (излучение) сосредоточено в области вблизи базового перехода эмиттера. Между эмиттером и коллектором прикладывается постоянное напряжение V, так что коллекторный переход имеет обратное смещение, и на обратном коллекторном переходе появляется приложенное к эмиттеру напряжение.
Изначально при отсутствии радиационного возбуждения (освещения) неосновные носители генерируются термически, а электроны, пересекающие от базы к коллектору, а также дырки, пересекающие от коллектора к базе, составляют обратный ток насыщения Ico. При Ib = 0 сборщик получает IC = (1 + BETA) ICO.

СИМВОЛ

Фотодетектор
Оптический переходник
Используется в электронно-оптическом контроле
Прием светового луча
Переключатель света (схема общего эмиттера и коллекторного усилителя)

ФОТОТРАНЗИСТОР

КАК ПРОВЕРИТЬ С ЦИФРОВЫМ МУЛЬТИМЕТРОМ?
ШАГ-1.

Подключите цифровой мультиметр положительный красный измерительный провод к BASE
Отрицательный черный провод к коллектору = 0,618 В (КОЛЛЕКТОР)
Отрицательный черный провод к эмиттеру = 0,648 В (ЭМИТТЕР)

Дисплей показывает хорошо.
ШАГ-2.

Подсоедините отрицательный черный измерительный провод цифрового мультиметра к BASE
положительный красный провод к КОЛЛЕКТОРУ
положительный красный провод к EMITTER

На дисплее отображается OL или OL GOOD.
Проверка: Если показания цифрового мультиметра выше показывают, что состояние ХОРОШО
Проверка: Если вы получаете показание , прямое смещение как 0000 или OL или 1, и обратное смещение, как 0000 (или) низкие значения фототранзистор может выйти из строя и требует замены.

Что такое фототранзистор »Электроника

Фототранзисторы
представляют собой биполярный транзистор, чувствительный к свету — имея усиление транзистора, они намного более чувствительны, чем фотодиоды.
Фототранзистор Включает:
Основы фототранзистора Приложения и схемы Фотодарлингтон Оптопара / оптоизолятор
Фототранзистор — это полупроводниковое устройство, способное определять уровни света и изменять ток, протекающий между эмиттером и коллектором, в зависимости от уровня получаемого света.
Фототранзисторы и фотодиоды могут использоваться для восприятия света, но фототранзистор более чувствителен с учетом усиления, обеспечиваемого тем фактом, что это биполярный транзистор.Это делает фототранзисторы более подходящими для ряда приложений.
Идея фототранзистора известна много лет. Уильям Шокли впервые предложил эту идею в 1951 году, вскоре после открытия обычного биполярного транзистора. Прошло всего два года, прежде чем был продемонстрирован фототранзистор. С тех пор фототранзисторы используются во множестве приложений, и с тех пор их разработка продолжается.
Фототранзисторы
широко доступны и могут быть легко приобретены довольно дешево у дистрибьюторов электронных компонентов — ввиду их использования во многих электронных схемах и приложениях, они доступны как часть стандартного перечня полупроводниковых устройств.
Типичный фототранзистор
Обратите внимание на линзу вверху и на тот факт, что у него только два вывода, потому что база часто остается разомкнутой, а внешнее соединение не предусмотрено.
Применение фототранзисторов
Тот факт, что фототранзисторы просты в использовании и хорошо работают в пределах своих ограничений, означает, что эти полупроводниковые устройства используются в самых разных электронных схемах.
Часто это приложения, где световой луч прерывается, но иногда их можно использовать для определения уровня освещенности.
Энкодеры, в которых вращается вращающийся диск со светлыми и темными полосами — это определяет скорость и направление или вращение.
Картридеры.
Системы безопасности
Инфракрасные извещатели.
Управление освещением.
Оптроны
Системы подсчета — световой или инфракрасный луч прерывается для каждого подсчитываемого предмета.
Управление освещением.
Конечно, эти электронные компоненты используются во многих других областях.
Первоначальная разработка фототранзистора
Изобретение фототранзистора стало продолжением разработки первого транзистора с точечным контактом. В это время в Bell Labs проводилось большое количество полупроводниковых разработок, и фототранзистор разрабатывался одной из этих групп.
Хотя история фототранзистора не так широко освещается, как многие другие ранние разработки полупроводников, это, безусловно, было очень важным событием.
Старинный фототранзистор OCP71 — это был PNP-транзистор OC71 с непрозрачной оболочкой.
Записка из истории фототранзисторов:
Фототранзистор появился в результате первых разработок полупроводников в Bell Telephone Laboratories. Об изобретении впервые было объявлено 30 марта 1950 года.
Подробнее о Изобретение фототранзистора
Работа фототранзистора
Фототранзистор основан на принципе работы биполярного транзистора.Фактически фототранзистор можно сделать, подвергнув полупроводник обычного транзистора свету. Очень ранние фототранзисторы создавались без покрытия пластиковой оболочки биполярного транзистора черной краской.
Типичный небольшой инфракрасный фототранзистор
Фототранзистор работает, потому что свет, падающий на полупроводник, освобождает электроны / дырки и заставляет ток течь в области базы.
Фототранзисторы работают в активном режиме, хотя соединение с базой обычно остается разомкнутым или отключенным, потому что это часто не требуется.База фототранзистора будет использоваться только для смещения транзистора, чтобы протекал дополнительный ток коллектора, и это маскировало бы любой ток, протекающий в результате фотоэффекта. Для работы условия смещения достаточно простые. Коллектор NPN-транзистора сделан положительным по отношению к эмиттеру или отрицательным для PNP-транзистора.
Свет проникает в базовую область, где генерируются дырочные электронные пары. Эта генерация в основном возникает в переходе база-коллектор с обратным смещением.Пары дырка-электрон движутся под действием электрического поля и обеспечивают ток базы, заставляя электроны инжектироваться в эмиттер. В результате ток фотодиода умножается на коэффициент усиления транзистора β по току.
Характеристики фототранзистора могут превосходить характеристики фотодиода для некоторых приложений с точки зрения его усиления. В качестве приблизительного ориентира, если фотодиод может пропускать ток около 1 мкА в типичных комнатных условиях, фототранзистор может пропускать ток 100 мкА. Это очень грубые приближения, но они показывают порядок величин различных значений и сравнений.
Одним из недостатков фототранзистора является то, что он очень медленный и его высокочастотная характеристика очень плохая. Фотодиоды — это гораздо более быстрые электронные компоненты, и они используются там, где важна скорость, несмотря на их низкую чувствительность.
Обозначение схемы фототранзистора
Стандартные символы схем необходимы для каждого типа электронных компонентов, что позволяет легко рисовать принципиальные схемы и узнавать их для всех.Символ фототранзистора состоит из основного символа биполярного транзистора с двумя стрелками, указывающими на соединение биполярного транзистора. Это схематично изображает работу фототранзистора.
Обозначение схемы фототранзистора (для устройства на основе транзистора NPN)
Фототранзисторы могут быть основаны как на транзисторах NPN, так и на транзисторах PNP, и поэтому вполне возможно иметь фототранзистор PNP, и для этого направление стрелки на эмиттере меняется на противоположное. обычным способом.
Видно, что показанный символ фототранзистора не дает соединения с базой. Часто база остается отключенной, поскольку свет используется для обеспечения протекания тока через фототранзистор. В некоторых случаях база может быть смещена, чтобы установить требуемую рабочую точку. В этом случае база будет отображаться на символе фототранзистора обычным образом.
Структура фототранзистора
Хотя обычные биполярные транзисторы проявляют светочувствительные эффекты, если они подвергаются воздействию света, структура фототранзистора специально оптимизирована для фотоприложений.Фототранзистор имеет гораздо большие площади базы и коллектора, чем у обычного транзистора. Эти устройства обычно изготавливались с использованием диффузионной или ионной имплантации.
Планарная фототранзисторная структура с гомопереходом
В ранних фототранзисторах во всем устройстве использовался германий или кремний, что давало структуру с гомопереходом. В более современных фототранзисторах используются полупроводниковые материалы типа III-V, такие как арсенид галлия и подобные. Разновидности NPN-транзисторов более популярны в связи с тем, что используются системы отрицательного заземления, и NPN-транзисторы лучше подходят для этого режима работы.
Гетероструктуры, в которых используются разные материалы по обе стороны от PN-перехода, также популярны, потому что они обеспечивают высокую эффективность преобразования. Как правило, они изготавливаются путем эпитаксиального выращивания материалов с соответствующей структурой решетки.
Эти фототранзисторы обычно используют мезаструктуру. Иногда переход Шоттки (металлический полупроводник) может использоваться для коллектора в фототранзисторе, хотя в наши дни такая практика менее распространена, поскольку другие структуры предлагают более высокие уровни производительности.
Чтобы обеспечить оптимальное преобразование и, следовательно, чувствительность, контакт эмиттера часто смещен в структуре фототранзистора. Это гарантирует, что максимальное количество света достигает активной области фототранзистора.
Характеристики фототранзистора
Как уже упоминалось, фототранзистор имеет высокий уровень усиления, обусловленный действием транзистора. Для гомоструктур, то есть тех, которые используют один и тот же материал во всем полупроводниковом устройстве, это может быть порядка от 50 до нескольких сотен.
Однако для устройств с гетероструктурой уровни усиления могут возрасти до десяти тысяч. Несмотря на их высокий уровень усиления, устройства с гетероструктурой не получили широкого распространения, поскольку эти полупроводниковые устройства значительно дороже в производстве. Еще одно преимущество всех фототранзисторов по сравнению с лавинным фотодиодом, еще одним устройством, обеспечивающим усиление, заключается в том, что фототранзистор имеет гораздо более низкий уровень шума. Лавинные диоды всех форм известны большим уровнем шума, который они создают в результате лавинообразного процесса.
Одним из основных недостатков фототранзистора является то, что он не имеет особенно хорошей высокочастотной характеристики. Это происходит из-за большой емкости, связанной с переходом база-коллектор. Это соединение должно быть относительно большим, чтобы оно могло улавливать достаточное количество света. Для типичного гомоструктурного устройства полоса пропускания может быть ограничена примерно 250 кГц. Устройства с гетеропереходом имеют гораздо более высокий предел, и некоторые из них могут работать на частотах до 1 ГГц.
Характеристики фототранзистора при разной интенсивности света. Они очень похожи на характеристики обычного биполярного транзистора, но с разными уровнями базового тока, замененными разными уровнями интенсивности света.
В фототранзисторе протекает небольшой ток, даже когда нет света. Это называется темновым током и представляет собой небольшое количество носителей, которые вводятся в эмиттер.Как и фото-генерируемые носители, он также подвергается усилению за счет действия транзистора.
Сводка преимуществ и недостатков фототранзисторов
Хотя эти полупроводниковые устройства используются в огромном количестве электронных устройств, схем и приложений, их преимущества и недостатки необходимо взвесить, чтобы определить, являются ли они правильным электронным компонентом для данного приложения. Фоторезисторы или светозависимые резисторы LDRs; фотодиоды; фотодарлингтоны, фото-полевые транзисторы и даже фототиристоры и симисторы — все это доступно и может подойти для любого конкретного применения.
Преимущества фототранзистора
Имеют относительно высокое усиление и поэтому относительно чувствительны.
Эти электронные компоненты относительно дешевы, поскольку фактически представляют собой транзистор, открытый для света.
Они могут быть включены в интегральную схему.
Предложите разумную скорость.
Недостатки фототранзистора
Эти устройства не могут работать с высокими напряжениями других полупроводниковых устройств, таких как фототиристоры и симисторы.
В приложениях, где они подвергаются скачкам и скачкам переходного напряжения, они могут повредить
Не так быстро, как другие светочувствительные электронные компоненты, такие как фотодиоды.
Это некоторые из основных преимуществ и недостатков этих электронных компонентов.
Фототранзисторы
— это полупроводниковые устройства, основанные на базовом биполярном транзисторе, и они доступны как транзисторы NPN или транзисторы PNP. Наряду с другими электронными компонентами и полупроводниковыми устройствами они доступны практически у всех дистрибьюторов электронных компонентов, и часто их стоимость очень низкая.
Другие электронные компоненты: Резисторы
Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты». . .
Конструкция, принципиальная схема и ее применение
Концепция фототранзистора была известна в течение последних многих лет.Первая идея была предложена Уильямом Шокли в 1951 году после открытия нормального биполярного транзистора. Через два года был продемонстрирован фототранзистор. После этого он использовался в различных приложениях, и день ото дня его развитие продолжалось. Фототранзисторы широко доступны по низкой цене у дистрибьюторов электронных компонентов для использования в различных электронных схемах. Полупроводниковое устройство, такое как фототранзистор, используется для определения уровней освещенности и изменения потока тока между выводами эмиттера и коллектора в зависимости от уровня освещенности, который он получает.В этой статье обсуждается обзор фототранзисторов.
Что такое фототранзистор?
A Фототранзистор — это электронный переключающий и усилительный компонент, работа которого зависит от воздействия света. Когда свет падает на переход, течет обратный ток, пропорциональный яркости. Фототранзисторы широко используются для обнаружения световых импульсов и преобразования их в цифровые электрические сигналы. Они работают от света, а не от электрического тока.Обеспечивая большой коэффициент усиления, низкую стоимость, эти фототранзисторы могут использоваться во многих приложениях.

Фототранзистор Symbol
Он способен преобразовывать световую энергию в электрическую. Фототранзисторы работают аналогично фоторезисторам, широко известным как LDR (светозависимый резистор), но могут производить как ток, так и напряжение, в то время как фоторезисторы способны производить ток только из-за изменения сопротивления.
Фототранзисторы — это транзисторы с открытым выводом базы.Вместо того, чтобы посылать ток в базу, фотоны падающего света активируют транзистор. Это потому, что фототранзистор сделан из биполярного полупроводника и фокусируется на энергии, которая проходит через него. Они активируются световыми частицами и используются практически во всех электронных устройствах, которые так или иначе зависят от света. Все кремниевые фотодатчики (фототранзисторы) реагируют на весь видимый диапазон излучения, а также на инфракрасное излучение. Фактически, все диоды, транзисторы, транзисторы Дарлингтона, симисторы и т. Д.имеют одинаковую базовую частотную характеристику излучения.
Структура фототранзистора специально оптимизирована для фотоприложений. По сравнению с обычным транзистором, фототранзистор имеет большую базу и ширину коллектора и изготавливается с помощью диффузии или ионной имплантации.
Конструкция

Фототранзистор — не что иное, как обычный биполярный транзистор, в котором область базы освещена. Он доступен как в типах P-N-P, так и в N-P-N, имеющих разные конфигурации, такие как общий эмиттер, общий коллектор и общая база, но обычно используется конфигурация с общим эмиттером .Он также может работать, когда основание открыто. По сравнению с обычным транзистором он имеет больше площадей базы и коллектора.

В древних фототранзисторах использовались отдельные полупроводниковые материалы, такие как кремний и германий, но теперь современные компоненты используют такие материалы, как галлий и арсенид, для достижения высокого уровня эффективности. База — это вывод, ответственный за активацию транзистора. Это устройство управления затвором для более крупного источника питания. Коллектор — это положительный вывод и больший источник питания.Эмиттер — это отрицательный вывод и выход для большей электрической сети.

Конструкция фототранзистора
При отсутствии света, падающего на устройство, будет протекать небольшой ток из-за термически генерируемых пар дырка-электрон, а выходное напряжение схемы будет немного меньше, чем значение питания из-за падения напряжения на нагрузке. резистор R. При попадании света на переход коллектор-база ток увеличивается. При разомкнутой цепи соединения базы ток коллектор-база должен течь в цепи база-эмиттер, и, следовательно, протекающий ток усиливается нормальным действием транзистора.
Переход коллектор-база очень чувствителен к свету. Его рабочее состояние зависит от интенсивности света. Базовый ток падающих фотонов усиливается коэффициентом усиления транзистора, что приводит к увеличению тока в диапазоне от сотен до нескольких тысяч. Фототранзистор в 50-100 раз чувствительнее фотодиода с меньшим уровнем шума.
Как работает фототранзистор?
Нормальный транзистор включает выводы эмиттера, базы и коллектора.Вывод коллектора смещен положительно относительно вывода эмиттера, а переход BE смещен в обратном направлении.
Фототранзистор активируется, когда свет попадает на клемму базы, и свет запускает фототранзистор, позволяя конфигурировать пары дырка-электрон, а также протекать ток через эмиттер или коллектор. Когда ток увеличивается, он концентрируется, а также превращается в напряжение.
Как правило, фототранзистор не имеет соединения с базой.Клемма базы отключена, поскольку свет используется, чтобы позволить току проходить через фототранзистор.
Типы фототранзисторов
Фототранзисторы подразделяются на два типа: BJT и FET.
Фототранзистор BJT
При недостатке света фототранзистор BJT допускает утечку между коллекторами, а также между эмиттером 100 нА, в противном случае малым. Когда на этот транзистор попадает луч, он работает до 50 мА. Это отличает его от фотодиода, который не пропускает большой ток.
Фототранзистор на полевом транзисторе
Фототранзистор этого типа включает в себя две клеммы, которые соединяются внутри через коллектор и эмиттер, иначе исток и сток внутри полевого транзистора. Вывод базы транзистора реагирует на свет и контролирует ток между выводами.
Схема фототранзистора
Фототранзистор работает так же, как обычный транзистор, где базовый ток умножается, чтобы дать ток коллектора, за исключением того, что в фототранзисторе базовый ток контролируется количеством видимого или инфракрасного света, где только устройство нужно 2 контакта.Схема фототранзистора
В простой схеме , предполагая, что к Vout ничего не подключено, базовый ток, управляемый количеством света, будет определять ток коллектора, то есть ток, проходящий через резистор. Следовательно, напряжение на Vout будет двигаться вверх и вниз в зависимости от количества света. Мы можем подключить его к операционному усилителю для усиления сигнала или напрямую ко входу микроконтроллера.
Выход фототранзистора зависит от длины волны падающего света.Эти устройства реагируют на свет в широком диапазоне длин волн от ближнего УФ, видимого до ближнего ИК-диапазона. Для заданного уровня освещенности источника света выход фототранзистора определяется площадью открытого перехода коллектор-база и коэффициентом усиления по постоянному току транзистора
Фототранзисторы доступны в различных конфигурациях, таких как оптоизолятор, оптический переключатель, ретро-датчик. Оптоизолятор похож на трансформатор в том, что выход электрически изолирован от входа.Объект обнаруживается, когда он входит в зазор оптического переключателя и блокирует световой путь между излучателем и детектором. Ретро-датчик обнаруживает присутствие объекта, генерируя свет, а затем исследуя его коэффициент отражения от объекта, который нужно воспринимать.
Усиление
Рабочий диапазон фототранзистора в основном зависит от интенсивности приложенного света, поскольку его рабочий диапазон зависит от входа базы. Ток на выводе базы падающих фотонов можно усилить за счет усиления транзистора, в результате чего коэффициент усиления по току находится в диапазоне от 100 до 1000.Фототранзистор более чувствителен по сравнению с фотодиодом за счет меньшего уровня шума.
Дополнительное усиление может быть обеспечено через транзистор типа Дарлингтона.
Это фототранзистор, включающий выход эмиттера, который подключен к клемме базы следующего биполярного транзистора. Он обеспечивает высокую чувствительность при слабом освещении, поскольку обеспечивает усиление по току, эквивалентное двум транзисторам. Коэффициент усиления двух каскадов может обеспечить чистую прибыль более 100 000 А.Фототранзистор Дарлингтона имеет меньший отклик по сравнению с обычным фототранзистором.
Режимы работы
В схемах на фототранзисторах основные режимы работы включают два типа «активный и переключающий», где обычно используется режим работы переключаемого типа. Это объясняет нелинейный отклик на свет; если нет света, значит, ток в транзистор не поступает. Ток начинает поступать так же, как увеличивается воздействие света. Режим переключения работает в системе ВКЛ / ВЫКЛ.Активный режим также называется линейным, который реагирует таким образом, что он пропорционален световому стимулу.
Рабочие характеристики
Выбор фототранзистора может производиться в зависимости от различных параметров, а также от следующих технических характеристик.
Ток коллектора (IC)
Ток базы (Iλ)
Пиковая длина волны
Напряжение пробоя коллектор-эмиттер (VCE)
Напряжение пробоя коллектор-эмиттер (VBRCEO)
Напряжение пробоя эмиттер-коллектор (VBRECO) )
Темновой ток (ID)
Рассеиваемая мощность (PD или Ptot)
Время нарастания (tR)
Время спада (tF)
Параметры конструкции
Выбранные материалы, а также их состав, играют важную роль роль в чувствительности этого типа транзистора.Уровень усиления гомоструктурных устройств или устройств из одного материала колеблется от 50 до нескольких сотен. Это обычные фототранзисторы, которые часто изготавливаются из кремния. Устройства с гетероструктурой или устройства с несколькими конфигурациями материалов могут иметь уровни усиления до 10 кОм, но они встречаются реже из-за высоких производственных затрат.
Диапазон длин электромагнитных волн для различных материалов включает следующий:
Для материала кремния (Si) диапазон длин электромагнитных волн составляет от 190 до 1100 нм
Для материала из германия (Ge) диапазон длин электромагнитных волн составляет от 400 до 1700 нм.
Для материала арсенида галлия индия (InGaAs) диапазон длин электромагнитных волн составляет от 800 до 2600 нм
Для материала сульфида свинца диапазон длин электромагнитных волн составляет <1000-3500
Для правильного функционирования фототранзистора технология монтажа играет важную роль. ключевая роль.
Технология SMT или поверхностного монтажа использует компоненты на печатной плате путем подключения клемм компонентов посредством пайки к верхней поверхности платы. Обычно прокладка печатной платы может быть покрыта пастой, такой как состав припоя и флюса. Высокие температуры, обычно исходящие от инфракрасной печи, растворяют пасту для припайки клемм компонентов к контактным площадкам печатной платы.
THT или технология сквозного отверстия — это обычно используемый способ монтажа.Расположение компонентов может быть выполнено путем размещения клемм компонентов с использованием отверстий внутри печатной платы, и эти компоненты могут быть припаяны на противоположной стороне печатной платы. Особенности фототранзисторов в основном включают в себя отсекающий фильтр, используемый для блокировки видимого света. Обнаружение света в других может быть улучшено с помощью антибликового покрытия. Также доступны устройства, включающие круглую купольную линзу вместо плоской линзы.
Фотодиод против фототранзистора
Различие между фотодиодом и фототранзистором включает следующее.
Фототранзистор используется для преобразования энергии света в электрическую Он менее чувствителен Более чувствителен Выходной отклик фотодиода быстрый Выходной отклик фототранзистора низкий Он вырабатывает ток Он вырабатывает напряжение и ток Он используется в производстве солнечной энергии, обнаруживая УФ, иначе ИК-лучи, а также для измерения освещенности и т. д. Он используется в проигрывателях компакт-дисков, детекторах дыма, лазерах, приемниках невидимого света и т. Д. Он более реагирует на падающий свет Он менее реактивен Фотодиод имеет меньший темновой ток Фототранзистор имеет высокий темновой ток В этом случае используется как прямое, так и обратное смещение В этом случае используется прямое смещение Диапазон линейного отклика фотодиода намного шире Диапазон линейного отклика фототранзистора намного ниже Фотодиод допускает низкий ток по сравнению с фототранзистором Фототранзистор допускает большой ток по сравнению с фотодиодом Фотодиод используется для устройств с батарейным питанием, которые потребляют меньше энергии. Фототранзистор используется как твердотельный переключатель, а не как фотодиод.
Характеристики
Характеристики фототранзистора включают следующее.
Недорогое фотодетектирование в видимом и ближнем ИК диапазонах.
Доступен с коэффициентом усиления от 100 до более чем 1500.
Умеренно быстрое время отклика.
Доступен в широком ассортименте корпусов, включая технологии с эпоксидным покрытием, литьем методом трансферного формования и для поверхностного монтажа.
Электрические характеристики аналогичны сигнальным транзисторам.
Преимущества фототранзистора
Фототранзисторы имеют несколько важных преимуществ, которые отделяют их от другого оптического датчика, некоторые из них упомянуты ниже
Фототранзисторы вырабатывают более высокий ток, чем фотодиоды.
Фототранзисторы относительно недороги, просты и достаточно малы, чтобы разместить несколько из них на одном интегрированном компьютерном чипе.
Фототранзисторы очень быстрые и способны обеспечивать почти мгновенный выходной сигнал.
Фототранзисторы вырабатывают такое напряжение, которого не могут сделать фоторезисторы.
Недостатки фототранзистора
Фототранзисторы, сделанные из кремния, не способны выдерживать напряжения выше 1000 вольт.
Фототранзисторы также более уязвимы к скачкам и скачкам электричества, а также к электромагнитной энергии.
Фототранзисторы также не позволяют электронам перемещаться так же свободно, как это делают другие устройства, такие как электронные лампы.
Применение фототранзисторов
Сферы применения фототранзисторов включают:
Считыватели перфокарт.
Системы безопасности
Энкодеры — измерение скорости и направления
ИК-детекторы фото
Электроуправление
Схема компьютерной логики.
Реле
Управление освещением (автомагистрали и т. Д.)
Индикация уровня
Системы счета
Итак, это все о обзоре фототранзистора .Из приведенной выше информации, наконец, мы можем сделать вывод, что фототранзисторы широко используются в различных электронных устройствах для обнаружения света, таких как инфракрасные приемники, детекторы дыма, лазеры, проигрыватели компакт-дисков и т. Д. Вот вам вопрос, в чем разница между фототранзистором и фотоприемник?
Как проверить оптрон — AntiMath
Оптопара или оптоизолятор — это устройство, которое содержит светодиод ( LED ) и фотодатчик (фотодетектор, такой как фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и т. Д.).Назначение оптопары — передавать сигналы от одной цепи к другой, сохраняя при этом их гальваническую развязку.
Здесь я хочу показать вам, как проверить, работает ли оптопара. Поэтому для демонстрации я выбрал одну из наиболее часто используемых оптопар (PC123 — 4 контакта), но вы можете использовать тот же принцип для всех оптопар (примечание: сначала проверьте таблицу).
Шаг 1
Используя схему справа, определите контакты; сначала анод и катод светодиода (в данном случае контакты 1 и 2 ), а затем с помощью омметра, установленного в области «X1 Ом», измерьте между контактами 1 и 2, и вы должны получить одно показание. в одну сторону и нет чтения в обратном (точно так же, как вы проверяете диод).Если вы получаете значение в любом случае или вообще не получаете значение, значит, проблема со светодиодом, и вам следует найти другую оптопару.
Шаг 2
Если светодиод исправен, то мы должны проверить фототранзистор, вы можете измерить его омметром, как светодиод между контактами 3 и 4 (эмиттер и коллектор), и вы должны получить высокое значение сопротивления в обоих направлениях, если фототранзистор исправен. хорошо. Если вы вообще не получите показания, это, вероятно, связано с тем, что большинство фототранзисторов имеют такое высокое сопротивление между эмиттером и коллектором, которое омметр не может измерить; в этом случае вы можете подключить два омметра последовательно, увеличив область измерения; … Хотя я думаю, что у большинства нет двух метров, поэтому я рекомендую «эмпирический» метод, предполагая, что у вас есть источник питания с регулируемым постоянным током.
«Эмпирический» метод
Подключите омметр (X1 кОм или X10 кОм) между эмиттером и коллектором (3 и 4) следующим образом: красный щуп к коллектору и черный щуп к эмиттеру. Теперь подключите резистор в несколько сотен Ом (~ 300 Ом) последовательно с анодом светодиода, после этого включите источник питания и начните увеличивать напряжение с 0 до 2… 3 вольт, и вы должны увидеть на экране омметром, как уменьшается выходное сопротивление при увеличении входного напряжения и наоборот.
Руководство по выбору фототранзисторов
| Инженерное дело360
Фототранзисторы
— это твердотельные детекторы света с внутренним усилением, которые используются для передачи аналоговых или цифровых сигналов. Фототранзисторы используются почти во всех электронных устройствах, которые зависят от света, включая детекторы дыма, устройства обнаружения лазерного дальномера и оптические пульты дистанционного управления.
Они обнаруживают видимый, ультрафиолетовый и ближний инфракрасный свет от различных источников и более чувствительны, чем фотодиоды.В эту категорию входят фотодарлингтоны.
Состав фототранзисторов
Биполярные транзисторы — наиболее часто используемые транзисторы. Фототранзисторы обычно представляют собой биполярные устройства NPN и состоят из трех выводных компонентов:
База — это вывод, отвечающий за активацию транзистора. Это устройство управления затвором для более крупного источника питания.
Коллектор является плюсовым проводом и большим источником электропитания.
Излучатель — это отрицательный вывод и розетка для большего источника питания.
В то время как обычные транзисторы обладают светочувствительными эффектами при воздействии света, фототранзисторы оптимизированы для использования со светом. Фототранзисторы имеют большую площадь базы и коллектора, чем обычные транзисторы. Как правило, они имеют прозрачный или непрозрачный корпус для увеличения освещенности.
Большинство фототранзисторов изготовлено из одного материала, хотя некоторые другие могут состоять из нескольких материалов.
Ранние фототранзисторы имели структуру с гомопереходом , сделанную из германия или кремния (см. Фото ниже, слева).
Современные фототранзисторы могут состоять из переходов из нескольких материалов из материалов типа III-V, таких как галлий и арсенид (см. Фото ниже, справа). Физическая структура может быть оптимизирована для обеспечения более высокого уровня освещенности с помощью конфигурации смещения.
Изображение предоставлено: Радиоэлектроника.com
Фототранзисторы изготовлены из полупроводниковых материалов. Хотя германий имеет более желательные электрические свойства, кремний чаще используется из-за его надежности и низкой стоимости.
Как работают фототранзисторы
Типичный транзистор состоит из секций коллектора, эмиттера и базы. Коллектор смещен положительно по отношению к эмиттеру, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении. Фототранзистор остается неактивным, пока свет не падает на базу.Свет активирует фототранзистор, позволяя образовывать пары дырка-электрон и протекать ток через коллектор или эмиттер. По мере распространения ток концентрируется и преобразуется в напряжение.

См. Пример в 1:30. Видео кредит: techtrainingonline / CC BY-SA 4.0
Фототранзистор обычно не имеет соединения с базой (см. Схему ниже). База остается отключенной, потому что свет используется, чтобы позволить току течь через фототранзистор.
Усиление
Рабочий диапазон фототранзистора зависит от интенсивности подаваемого света, поскольку его рабочий диапазон зависит от входной базы. Базовый ток падающих фотонов усиливается коэффициентом усиления транзистора, что приводит к увеличению тока в диапазоне от сотен до нескольких тысяч. Фототранзистор в 50-100 раз чувствительнее фотодиода с меньшим уровнем шума. (Фотодиод — это фотоэлемент, который не усиливает сигнал.)
Дополнительное усиление может обеспечить транзистор фотодарлингтона . Фотодарлингтон — это фототранзистор с выходом эмиттера, подключенным к базе второго биполярного транзистора. Он обеспечивает высокую чувствительность при слабом освещении, поскольку дает коэффициент усиления по току, равный усилению двух транзисторов. Две ступени усиления могут обеспечить чистую прибыль более 100 000 ампер. Фотодарлингтон имеет более медленный отклик, чем обычный фототранзистор.
Конфигурации цепей
Фототранзисторы
могут использоваться в общих схемах эмиттера и коллектора.
Схема с общим эмиттером — это наиболее часто используемая схема для фототранзистора. При обнаружении света выход переходит из состояния высокого напряжения в состояние низкого напряжения.
Схема общего коллектора , также известная как схема эмиттерного повторителя, выдает выходной сигнал, который переходит из низкого состояния в высокое при обнаружении света.
Режимы работы
В схемах фототранзисторов используются два основных режима работы: активный режим и режим переключения.
Режим переключения используется чаще. Он описывает нелинейный отклик на свет; когда нет света, в транзистор не течет ток. Ток начинает течь по мере увеличения воздействия света. Режим переключения работает в системе включения / выключения.
Активный режим , также известный как линейный режим , реагирует пропорционально световому стимулу.
Критерии отбора
Выбор фототранзистора для вашего приложения имеет как преимущества, так и недостатки.
К преимуществам фототранзисторов можно отнести:
Более высокий ток производства, чем у фотодиодов
Выработка напряжения, в отличие от фоторезисторов
Работает с большинством источников видимого или ближнего инфракрасного света, включая IRED, неоновые лампы, люминесцентные лампы, лампы накаливания, лазеры, пламя и солнечный свет
Быстродействующий с почти мгновенным выходом
Сравнительно недорогой, простой и маленький
К недостаткам фототранзисторов можно отнести:
Используемый материал может ограничивать способность выдерживать напряжение (кремний не может выдерживать напряжение более 1000 вольт)
Электроны движутся не так свободно, как в электронных лампах
Уязвим к скачкам напряжения и электромагнитной энергии
Технические характеристики
Выбор фототранзистора может основываться на ряде параметров и технических характеристик.
Коллекторный ток ( I _C ) является мерой чувствительности фототранзистора. Он описывает максимально допустимую токовую нагрузку в коллекторе и измеряется в миллиамперах (мА) или амперах (А). Ток, превышающий этот параметр, может вызвать повреждение фототранзистора.
Изображение предоставлено: EG&G Optoelectronics
Базовый ток т (Iλ) образуется, когда свет попадает на PN-переход коллекторного основания.Базовый ток прямо пропорционален силе света. Если размер базовой области удваивается, количество генерируемого базового фототока также удваивается.
Пиковая длина волны — это длина волны, при которой фототранзистор наиболее чувствителен. Он измеряется в нанометрах (нм). Фототранзисторы реагируют на свет в широком диапазоне длин волн от флуоресцентных или ламп накаливания. Лучше всего они работают в сочетании с инфракрасными (ИК) светодиодными источниками света.Это связано с тем, что фототранзисторы имеют пик спектрального отклика в ближнем ИК-диапазоне около 840 нм.
Напряжение пробоя коллектор-эмиттер (V _CE) — это максимальное напряжение, допустимое между коллектором и эмиттером. Превышение максимального напряжения может привести к необратимому повреждению фототранзистора.
Напряжение пробоя коллектор-эмиттер (V _BRCEO) обычно составляет от 20 до 50 В.
Напряжение пробоя эмиттер-коллектор (V _BRECO) обычно составляет от 4 В до 6 В.
Темновой ток (I _D) — это небольшой ток, который может протекать через фототранзистор, даже если он не подвергается воздействию света. Темновой ток — это термически генерируемый ток утечки коллектор-эмиттер. Это препятствует тому, чтобы устройство когда-либо считалось полностью выключенным. Темновой ток увеличивается с повышением температуры и измеряется в миллиамперах (мА).
Рассеиваемая мощность (PD или Ptot) описывает рассеиваемую мощность фототранзистора, измеряемую в ваттах или милливаттах (мВт).Фактическое рассеивание определяется путем умножения напряжения на транзисторе на ток через коллектор. Обычно это значение указывается для внешней температуры 25 ° C.
Время нарастания и Время спада являются мерой скорости отклика фототранзистора. Оба значения выражаются в наносекундах (нс).
Время нарастания (t _R) — это количество времени, которое требуется для того, чтобы импульсный сигнал увеличился с 10% до 90% от его максимального значения.
Время спада (t ^_F) — это время, необходимое для того, чтобы выходная мощность упала с 90% до 10%.
Расчетные параметры
Выбранные материалы и состав влияют на чувствительность фототранзистора.
Гомоструктурные (однокомпонентные) устройства имеют уровень усиления от 50 до нескольких сотен. Они являются наиболее распространенными фототранзисторами и часто изготавливаются из кремния.
Устройства с гетероструктурой (несколько конфигураций материалов) могут иметь уровни усиления до 10 000, но менее распространены из-за высокой стоимости производства.
Материал
Диапазон длин волн электромагнитного спектра (нм)
Кремний
190–1100
Германий
400-1700
арсенид галлия индия
800-2600
Сульфид свинца (II)
<1000-3500
График Кредит: Википедия
Монтажная техника также играет роль в функциональности фототранзистора.
Технология поверхностного монтажа (SMT) добавляет компоненты к печатной плате (PCB) путем пайки выводов компонентов или клемм на верхнюю поверхность платы. Обычно контактная площадка печатной платы покрыта пастообразным составом припоя и флюса. Повышенные температуры, обычно из-за инфракрасной печи, расплавляют пасту и припаивают компоненты, ведущие к контактным площадкам печатной платы.
Технология сквозных отверстий (THT), другой широко используемый способ монтажа, позволяет монтировать компоненты, вставляя выводы компонентов через отверстия в плате, а затем припаивая выводы на противоположной стороне платы.Что касается функций, некоторые фототранзисторы включают в себя отсекающий фильтр, блокирующий видимый свет. Другие имеют антибликовое покрытие для улучшения обнаружения света. Также доступны устройства с округлой линзой купола вместо плоской линзы.
Приложения
Фототранзисторы
могут использоваться для обнаружения света в ряде приложений.
Контроль положения бумаги и полей в принтерах и копировальных аппаратах
Обнаружение в системах безопасности
Измерение скорости и направления в энкодерах
Дистанционное снятие показаний счетчиков электроэнергии для жилых помещений
Подсчет монет и других предметов
Пульты дистанционного управления аудио / видеооборудованием и приборами
Управление затвором для фотоаппаратов
Обнаружение защитных экранов и других систем защиты
Стандарты
Многие организации разрабатывают стандарты на фототранзисторы.Некоторые примеры перечислены здесь:
Ссылки
Фототранзистор
Что такое фототранзистор?
Основы проектирования фототранзисторных схем
Датчик освещенности
Характеристики фототранзисторов

Фототранзистор на кремниевой наномембране, перевернутый вместе с многофункциональными датчиками в сторону интеллектуальной цифровой пыли
РЕЗУЛЬТАТЫ
Интегрируемый характер многофункционального интеллектуального датчика здесь извлекает выгоду из процесса «сначала устройство, снизу вверх», который совместим с производством полупроводниковой пластины. -чиповая система с современной ИС ( 18 ).На рисунке 1A показана многослойная конфигурация типичной матрицы интеллектуальных датчиков. Обычно эта система содержит четыре функциональных модуля. Тонкий слой интеллектуального материала поверх сенсора взаимодействует с целевыми молекулами. Составляющие этого слоя меняются в зависимости от обнаруживаемых молекул (например, газохромные материалы). Тепловой оксид кремния толщиной ~ 2 мкм служит оболочкой для фототранзистора, расположенного ниже. Фототранзистор может воспринимать оптические вариации слоя интеллектуального материала и выводить электрические сигналы.Чтобы реализовать высокую чувствительность и гибкость, Si-NM p-типа толщиной 340 нм с легированием фосфором (~ 10 ¹⁹ см ^-3) или n-типа с легированием бором (~ 10 ¹⁹ см ⁻³) на стоках и истоках работает как активная область фототранзистора типа MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник). Диэлектрическая упаковка затвора фототранзистора состоит из оксида кремния толщиной 70 нм (химическое осаждение из паровой фазы) и оксида алюминия толщиной 13 нм [осаждение атомных слоев (ALD)].Электроды Cr / Au, осажденные электронным пучком (5/100 нм) ниже, также действуют как задний отражатель для увеличения поглощения света в слое Si-NM. Гибкая подложка состоит из полиимидного буфера напряжения с центрифугированием (PI 2000, ~ 5 мкм), адгезионного слоя полидиметилсилоксана (PDMS) с центрифугированием (~ 5 мкм), прослойки напыленного оксида кремния (30 нм) и 12,5 мкм. Поддерживающий слой из каптоновой пленки толщиной -мкм.
Рис. 1 Структура и основные принципы.
( A ) Схематическое изображение основных функциональных слоев интеллектуального датчика на основе Si-NM в разобранном виде.( B ) Фотография изготовленной матрицы интеллектуальных датчиков. ( C ) Оптическое изображение чувствительной области интеллектуального датчика. S, источник; D, слив; G, ворота. ( D ) Схематическое изображение матрицы интеллектуальных датчиков при освещении. ( E ) Схематическое изображение механизма обнаружения молекул. ( F ) Зависимые от времени характеристики интеллектуального датчика при обнаружении водорода. Фото предоставлено: Гунцзинь Ли (Университет Фудань).
На рис. 1 (B и C) показаны оптические изображения части гибкой матрицы датчиков и локальной функциональной области одного датчика.Изогнутая матрица устройств на стеклянной трубке ( d = 4 мм) демонстрирует выдающуюся гибкость (рис. 1B). Длина канала фототранзистора составляет 20 и 400 мкм соответственно (рис. 1C). Интеллектуальный материал покрывает область Si-NM фототранзистора (область синей пунктирной линии на рис. 1C). Такой гибкий датчик был получен с помощью восходящего процесса «сначала устройство». Вкратце, стандартный процесс производства полупроводников позволяет реализовать матрицы фототранзисторов непосредственно на пластине SOI. Затем в процессе сухого травления была удалена кремниевая подложка с обратной стороны пластины КНИ.Ультратонкая толщина всей конструкции существенно снизила нагрузку на поверхность устройства в изогнутом состоянии и реализовала гибкость. Подробный процесс изготовления представлен в разделах «Материалы и методы» и на рис. S1.
На Рисунке 1 (D и E) показан основной механизм интеллектуального датчика. Такой датчик работает при определенном освещении с постоянной интенсивностью. При взаимодействии с целевыми молекулами оптические параметры слоя интеллектуального материала могут изменяться в зависимости от концентрации целевых молекул.Фототранзистор может воспринимать изменение коэффициента пропускания слоя интеллектуального материала и преобразовывать это изменение в электрический сигнал. В результате система выдает электрический сигнал, который отличается от исходного состояния и реализует оптоэлектронное обнаружение целевых молекул. На рис. 1F показаны характеристики интеллектуального датчика при обнаружении водорода в зависимости от времени. В этом случае палладиевая мембрана толщиной 25 нм служит газочувствительным слоем (умный материал). Время отклика и восстановления датчика составляет ~ 30 и ~ 300 с соответственно.Скорость этого датчика зависит от целевого поглощения и десорбции чувствительного слоя материала. Более подробная характеристика и анализ интеллектуального датчика будут рассмотрены позже.
Фотодетектор Si-NM представляет собой фототранзистор типа MOSFET. Металлооксидная структура затвора под каналом устройства оказывает заметное влияние на оптоэлектронный отклик фототранзистора. На рис. 2А показаны оптоэлектронные характеристики устройства с модулированным затвором при различной интенсивности облучения (λ = 405 нм).Напряжение питания ( В _DS) в этой характеристике составляет 0,1 В. Без подсветки устройство ведет себя как типичный полевой МОП-транзистор (более подробные характеристики транзистора можно найти на рис. S2). Метод линейной экстраполяции оценил пороговое напряжение ( В _T) в 0,9 В ( 19 ). Транзистор имеет ток в закрытом состоянии 3 пА и ток в открытом состоянии 35 мкА. Пиковая эффективная подвижность электронов составляет ~ 450 см ² (В · с) ^-1, а подпороговый размах составляет ~ 200 мВ.
Рис. 2 Оптоэлектронные свойства фототранзистора Si-NM.
( A ) Характеристика тока стока-затвора при различной интенсивности излучения (405 нм) при напряжении питания ( В _DS) 0,1 В. ( B ) Характеристика тока стока – напряжения стока при различном облучении интенсивность (λ = 405 нм) при напряжении затвора ( В _GS) −3 В. ( C ) Линейный отклик устройства при В _DS = 1 В и В _GS = −3 В.( D ) Характеристика времени отклика устройства при В _DS = 1 В и В _GS = −3 В. Мощность освещения составляет ~ 0,3 мВт / мм ².
При освещении ток стока ( I _DS) заметно увеличивается с интенсивностью излучения при отрицательном смещении затвора. Отношение фототока к темновому току может достигать ~ 10 ⁶ (зависит от интенсивности облучения). Более высокое отношение фототока к темновому току приводит к большему различию между выходным фототоком и шумом / темновым током, что весьма положительно для обнаружения слабых сигналов.Три фактора вносят основной вклад в превосходную оптическую обнаруживаемость устройства. Во-первых, отрицательное смещение затвора заметно ограничивает темновой ток фототранзистора, но оказывает ограниченное влияние на фототок. В этом случае фототранзистор может достичь сверхвысокого отношения фототока к темновому току при отрицательном смещении затвора, как показано на кривых I _DS — V _GS на рис. 2A. Это явление можно объяснить изменением структуры полосы при различных смещениях затвора ( 20 ).Фототранзистор Si-NM здесь имеет структуру MOSFET n-типа. Когда отрицательное смещение затвора прикладывается к каналу Si-NM p-типа с легким легированием, электроны в канале полностью истощаются, что приводит к уменьшению потенциала канала Si-NM. Устройство имеет структуру n ⁺ -p-n ⁺ или p ⁺ -n-p ⁺ вдоль канала, что соответствует двум p-n-переходам лицом к лицу. Увеличенная высота барьера между областями истока / стока к каналу заметно препятствует утечке тока через устройство.В условиях освещения область обеднения, вызванная потенциалом затвора, способствует разделению оптически генерируемых электронно-дырочных пар в направлении, перпендикулярном току ( 21 ). Электроны могут собираться положительно смещенной областью стока. Между тем фотовозбужденные дырки накапливаются в канале и приводят к уменьшению высоты барьера между каналом и областью стока / истока. В результате электроны в источнике легче вводить в канал, что приводит к большому усилению фототока.Во-вторых, сверхтонкая толщина канала Si-NM делает устройство более чувствительным к оптическому сигналу. С одной стороны, наноразмерная толщина в вертикальном направлении, очевидно, увеличивает поглощение света на единицу толщины в светочувствительном канале ( 22 ). С другой стороны, меньшая толщина обеспечивает эффективную модуляцию затвора с полевым эффектом; таким образом, канал может быть полностью истощен и выводить чрезвычайно низкий темновой ток. Для объемных устройств (например, толщина канала в масштабе сотен микрометров) смещение затвора истощает только поверхность канала, и заметная утечка тока через внутреннюю часть корпуса все еще сохраняется ( 23 ).Кроме того, электрод затвора на задней стороне позволяет полностью открыть канал Si-NM освещению и действует как задний отражатель (рис. 1C) для дальнейшего увеличения поглощения света в канале Si-NM.
Исходя из вышеизложенного, фототранзистор Si-NM работает более чувствительно при отрицательном смещении затвора. На рисунке 2B показаны выходные кривые фототранзистора при отрицательном смещении затвора ( В, , _GS), равном –3 В, при различной интенсивности освещения (λ = 405 нм).С увеличением напряжения стока от нулевого смещения ток стока сразу же возрастает и имеет тенденцию оставаться постоянным при более высоком напряжении стока. Ток насыщения растет на порядки с увеличением освещенности. В то время как без модуляции затвора выходной ток не мог бы так заметно возрасти (см. Случай В _GS = 0 В на рис. S3). В этом случае положительного напряжения питания В _DS = 1 В достаточно для эффективного сбора фотогенерированных носителей через канал.Идеальное рабочее смещение может быть установлено на В _GS = −3 В и В _DS = 1 В. Рисунок 2C демонстрирует, что фототранзистор может поддерживать хороший линейный отклик с увеличением интенсивности света, даже при слабом освещении. или сильное облучение до нескольких милливатт на квадратный миллиметр.
На рисунке 2D показан оптоэлектронный отклик фототранзистора Si-NM как функция времени. Фототранзистору требуется ~ 60 мкс для перехода в стационарное состояние и ~ 120 мкс для перехода в исходное состояние в тестах оптической переходной характеристики.Эти значения показывают, что скорость отклика сопоставима с коммерческими фототранзисторами ( 24 ). Высокая подвижность носителей в монокристаллическом канале Si-NM и небольшая длина канала ( L на рис. 1C) способствуют эффективному сбору фотогенерированных носителей, сокращая время прохождения носителей по каналу. В заключение следует отметить, что сверхвысокое отношение фотоэлектрического тока к темновому и линейные выходные характеристики весьма положительны для оптоэлектронного обнаружения различных физических / химических сигналов, в то время как высокая скорость фототранзистора позволяет системе немедленно реагировать на внешний стимул.
Одной из наиболее значительных проблем неорганических полупроводников в гибких оптоэлектронных приложениях является снижение деформации в изогнутом состоянии. Обычно максимум ε находится в области, наиболее удаленной от нейтральной поверхности изогнутой конструкции. В этих условиях критический радиус изгиба r _c интеллектуального датчика на основе Si-NM можно оценить как ( 25 ) rc = t2εfailure (1), где t — общая толщина устройства и ε _отказ — предел разрушения.В этой оценке за нейтральную поверхность был взят средний слой устройства. Для Si-NM на верхней части поверхности устройства ε _отказ составляет ~ 1% ( 26 ). Общая толщина устройства ~ 20 мкм. В этом случае теоретический предел изгиба гибкого датчика составляет ~ 1 мм. Более того, в приведенной выше оценке полиимидная подложка считалась жестким материалом. На практике мягкая полимерная подложка может разделять часть напряжения изгиба за счет упругой деформации.В этом случае ограниченный радиус изгиба нашего устройства на практике может быть меньше 1 мм.
Чтобы подтвердить устойчивость интеллектуального датчика к изгибу, мы провели механические испытания на изгиб. На рис. 3А показана зависимость чувствительности Si-NM фототранзистора от циклов изгиба к радиусу изгиба 7 мм. На вставке представлен массив устройств в изогнутом состоянии. Чувствительность ( R ) была рассчитана по следующему уравнению: R = IPA (2), где I — выходной ток устройства, который соответствует характеристикам после определенных петель изгиба, P — интенсивность освещения в характеристике. (1.04 мВт / мм ²), а A — площадь светочувствительного канала прибора (20 мкм × 400 мкм). Смещение затвора было установлено на В _GS = -3 В, а напряжение питания было установлено на В _DS = 1 В. Чувствительность поддерживается на высоком уровне 0,89 А / Вт на протяжении всей характеристики. Это указывает на отсутствие функциональных повреждений во время испытаний на циклический изгиб. На рис. 3B сильно перекрывающиеся кривые демонстрируют устойчивость устройства к деформации изгиба.Соответствующие кривые выхода ( I _DS — V _DS при В _GS = −3 В) и кривые передачи ( I _DS — V _GS при В _DS = 0,1 В) при освещении (1,04 мВт / мм ²) также представлены на рис. S4. Все эти стабильные характеристики после циклов изгиба подтверждают хорошую стабильность этого интеллектуального датчика в гибких приложениях. Совместимость интеллектуального датчика с изгибом значительно расширяет область применения, например.g., узкое пространство и трубчатые конструкции для обнаружения газов и химических компонентов.
Рис. 3 Сопротивление изгибу фототранзистора.
( A ) Чувствительность устройства после различных циклов изгиба ( В _GS = −3 В и В _DS = 0,1 В). На вставке показано состояние изгиба устройства во время испытания. Фото: Гунцзинь Ли (Университет Фудань). ( B ) Электронные символы фототранзистора (в темноте) после различных циклов изгиба ( В _GS = −3 В и В _DS = 0.1 В).
Высокие характеристики фототранзистора Si-NM делают его идеальной платформой для оптоэлектронного обнаружения различных конкретных молекул. Типичным примером является оптоэлектронное измерение концентрации водорода в атмосфере. Водород широко используется в сегодняшнем промышленном производстве и демонстрирует большой потенциал в качестве источника зеленой энергии в будущем. Воспламеняемость и взрывоопасность водорода требуют, чтобы возможная утечка была обнаружена незамедлительно до того, как произойдет какое-либо катастрофическое событие ( 27 ).По описанному выше сценарию были разработаны различные датчики газа H ₂. Их рабочие механизмы можно в основном классифицировать как изменение электрического сигнала, изменение цвета и преобразование видимой структуры.
В качестве необходимого дополнения оптоэлектронное зондирование газа дает возможность избежать любого прямого контакта между горючим газом H ₂ и проводящим каналом устройства. Структура интеллектуального датчика для детектирующего приложения H ₂ представлена на рис.S5. Тонкий слой (~ 25 нм) наномембраны палладия (Pd), нанесенный на пленку PE (полиэтилен), располагался на верхней поверхности светочувствительной области Si-NM. Предыдущие исследования показали, что оптические свойства пленки Pd могут заметно измениться за счет введения водорода ( 28 ). При взаимодействии с водородом оптический параметр, изменяющий наномембрану Pd, может быть немедленно обнаружен фототранзистором Si-NM, расположенным ниже. В этом случае информация о концентрации может выводиться с помощью электрического сигнала интеллектуальным датчиком.На рис. 4A показаны характеристики интеллектуального датчика по обнаружению водорода, а на вставке показана фотография конфигурации определения характеристик. Пластиковый контейнер, закрытый полиэтиленовой пленкой, обеспечивает герметичную среду для определения концентрации водорода. Вход и выход газа располагались через боковую стенку камеры лицом к лицу. Лазер с λ = 405 нм с постоянной интенсивностью ~ 0,8 мВт / мм ² облучает интеллектуальный датчик. Газообразный водород смешивали с азотом высокой чистоты в определенном соотношении для получения различных объемных концентраций H ₂.Смешанный газ вводили в камеру со скоростью 0,2 л / мин и выдерживали в течение 3 мин для определения характеристик. Кривые I _DS — V _GS на фиг. 4A показывают, что фототок возрастает с увеличением концентрации H ₂. Датчик демонстрирует гораздо большую дискриминацию при изменении концентрации H ₂ при отрицательном смещении затвора, чему способствует высокая чувствительность фототранзистора с модуляцией затвора (уже обсуждавшаяся выше).Рисунок 4B демонстрирует обнаружительную способность интеллектуального оптоэлектронного датчика газа при отрицательном смещении затвора -3 В. Выходной токовый сигнал показывает большую дискриминацию при различных концентрациях H ₂. Обнаружена низкая концентрация H ₂ 0,05 об.% (Об.%) (См. Красную линию на рис. 4B), и обнаружение гораздо более низкой концентрации H ₂ также возможно из-за различия между 0,05 об. % H ₂ и 0,00 об.% H ₂.Эта обнаруживаемая способность сопоставима с зарегистрированными высокопроизводительными электрическими датчиками H ₂ и намного лучше, чем у недавних визуальных датчиков H ₂ ( 29 ). Кроме того, учитывая, что ток в режиме ожидания составляет десятки пикоампер, а рабочий ток ниже 30 нА, потребляемая мощность этого модуля обнаружения может быть ниже микроватта. Еще одно преимущество этого многофункционального датчика — сверхнизкое энергопотребление.
Инжир.4 Характеристики интеллектуального датчика при обнаружении концентрации водорода и измерении влажности.
( A ) Кривые передачи устройства при различных концентрациях водорода. На вставке показана конфигурация характеристик в эксперименте. Напряжение питания В _DS = 0,1 В. Интенсивность 405-нм лазера составляет ~ 0,8 мВт / мм ². ( B ) Выходные кривые интеллектуального датчика при различных концентрациях водорода. Смещение затвора В _GS = −3 В.( C ) Тенденция изменения выходного сигнала (черные квадраты; В _GS = −3 В и В _DS = 1 В) и коэффициента пропускания пленки Pd (синие квадраты) с увеличением H ₂ концентрация. ( D ) Кривые передачи устройства при различной относительной влажности. На вставке показана конфигурация характеристик в эксперименте. Напряжение питания В _DS = 0,1 В. Интенсивность 405-нм лазера ~ 0.8 мВт / мм ². ( E ) Выходные кривые интеллектуального датчика при различной относительной влажности. Смещение затвора В _GS = −3 В. ( F ) Тенденция изменения выходного сигнала (черные квадраты; В _GS = −3 В и В _DS = 1 В) и коэффициент пропускания гидрогелевой пленки (синие квадраты) с увеличением относительной влажности. ( G ) Схематическое изображение двухканальной сенсорной матрицы на одном кристалле.Пленка насыщенного цвета на светочувствительной области — палладий, а почти прозрачная — гидрогелевая. ( H ) Оптическое изображение светочувствительной области (слева) и (справа), покрытой как палладиевыми, так и гидрогелевыми интеллектуальными материалами. Верхняя и темная — это палладиевая мембрана, а нижняя и прозрачная — пленка гидрогеля. Масштабные линейки 300 мкм. ( I ) Характеристики дренажного тока на затворе при различных условиях водорода (слева) и относительной влажности (справа).Фото предоставлено: Гунцзинь Ли (Университет Фудань).
На рисунке 4С показана тенденция изменения выходного сигнала (ток стока, черные квадраты, В _GS = −3 В и В _DS = 1 В) с увеличением концентрации H ₂. Изменение пропускания палладиевой мембраны той же толщины также было измерено с помощью спектрометра видимого диапазона в ультрафиолете (УФ) для сравнения (λ = 405 нм; синие квадраты на рис. 4D). Непрерывный спектр пропускания представлен на рис.S6. Коэффициент пропускания демонстрирует такую же тенденцию к увеличению во всем исследуемом диапазоне спектра (от 350 до 750 нм). И выходной ток, и коэффициент пропускания, очевидно, возрастают вначале и имеют тенденцию замедляться при более высокой концентрации H ₂. Это изменение выходного тока соответствует оптическому параметру палладиевой мембраны. Во время воздействия водорода наблюдается увеличение пропускания ( T ) палладиевой мембраны и уменьшение отражательной способности ( R ) ( 30 ) T≈16 нс (n2 + k2) [(n + ns ) 2 + k2] exp (−4πkd / λ) (3) R≈ (1 − n) 2 + k2 (1 + n) 2 + k2 (4) где n и k — действительная часть, а мнимая часть показателя преломления палладиевой мембраны на длине волны λ соответственно.В этих уравнениях d — это толщина палладиевой мембраны, а n _s — показатель преломления подложки под палладиевой мембраной. Согласно приведенным выше уравнениям, вариации R и T связаны с уменьшением мнимой части показателя преломления ( k ), также известного как коэффициент экстинкции. В частности, изменение k и толщины мембраны d могло заметно повлиять на коэффициент пропускания T из-за экспоненциальной зависимости пропускания от коэффициента экстинкции и пропускания.
Во время воздействия водорода наномембрана палладия немедленно поглощает атомы водорода. Внедрение атомов H в структуру решетки палладия приводит к более полупроводниковому поведению гидридного палладия (Pd: H), чем чистый палладий, и изменениям оптической проницаемости ( 31 ). Эти изменения можно объяснить эффектом примесного рассеяния на водороде в палладии ( 30 ). Мнимая часть ε ₂ оптической проницаемости относится к показателю преломления в формуле.1 на ε2 = 2nk (5) и оптическое сопротивление ρ на ε2 = 1ωρ (6) где ω — угловая частота поля облучения. Примесное рассеяние на атомах водорода в палладии вызывает увеличение оптического сопротивления ρ, что означает уменьшение на nk . Предыдущие измерения показывают, что действительная часть показателя преломления n всегда увеличивается в палладиевых мембранах, подвергнутых воздействию водорода, в диапазоне спектра от 275 до 600 нм ( 32 ). В этом случае коэффициент экстинкции k уменьшается намного более заметно, чем увеличение n , чтобы гарантировать уменьшение произведения nk во время воздействия водорода.Принимая уравнения. 1 и 2, уменьшенное значение k способствует увеличению общего оптического пропускания через палладиевую наномембрану, тем самым увеличивая выходной сигнал (ток стока) результатов эксперимента на рис. 4C.
Изменение толщины d — еще один важный фактор, который влияет на общий коэффициент пропускания палладиевой наномембраны. В среде водорода атомы водорода вставляются в наномембрану палладия с помощью двух основных механизмов ( 33 ).Вначале при низкой концентрации H ₂ атомы H попадают в межузельные пустоты и уже существующие микроструктурные дефекты, такие как вакансии, границы зерен и дислокации пленки палладия ( 34 ). В этом случае влияние на толщину d незначительно. Когда атомы водорода занимают междоузлия пленки палладия с дальнейшим увеличением концентрации водорода, в пленке палладия происходит фазовый переход из α- в β-фазу ( 35 ).Большое количество атомов H диффундирует в пленку, разрывая связи структуры палладия и приводя к заметной деформации пленки. Согласно формуле. 1, увеличение толщины d снижает общий коэффициент пропускания T . Это влияние конкурирует с коэффициентом экстинкции k , рассмотренным выше. В результате увеличение общего коэффициента пропускания имеет тенденцию замедляться при большей концентрации H ₂. В этом случае измеренные выходной ток и коэффициент пропускания на рис.4C имеет тенденцию замедляться при большей концентрации H ₂. Время ввода и вывода атомов H в палладиевую наномембрану определяет скорость отклика интеллектуального датчика. Вот почему устройству требуются десятки секунд, чтобы отреагировать на водородный стимул, показанный на рис. 1E. Следует также отметить, что есть небольшая разница между относительным ростом выходного тока и результатами коэффициента пропускания на рис. 4C. Это в основном связано с различным показателем преломления подложки n _s (уравнение.1) в оптоэлектронном газовом зондировании (Si-NM фототранзистор в качестве подложки) и в определении характеристик УФ-видимого спектра (кварцевое стекло в качестве подложки).
Оптоэлектронное определение водорода, описанное выше, является лишь одним из примеров применения. Разнообразие специфических материалов, чувствительных к различным раздражителям, обеспечивает альтернативу оптоэлектронному обнаружению различных физических или химических сигналов в окружающей среде. Здесь также демонстрируется оптоэлектронное измерение влажности с помощью интеллектуального датчика, чтобы продемонстрировать возможности расширения этой системы.В настоящее время надежный мониторинг и контроль влажности очень востребованы в различных средах, потому что даже следовые количества молекул воды могут заметно повлиять на надежность и функциональность материалов и систем ( 36 ). Датчик влажности на кристалле способствует интеграции и миниатюризации гибкой системы электронных схем. Структура интеллектуального датчика для измерения влажности приведена на рис. S7. Тонкий слой (~ 20 мкм) гидрогелевой пленки (УФ-отвержденный сополимер гидроксиэтилметакрилата и акриловой кислоты) был выбран в качестве интеллектуального чувствительного материала и наклеен на верхнюю поверхность светочувствительной области Si-NM.Тонкий слой плотного оксида алюминия (Al ₂ O ₃) был нанесен на термический оксид кремния (SiO ₂) для улучшения герметизации во влажной среде. Остальные конструкции такие же, как у датчика водорода, рассмотренного выше.
На рисунке 4D показаны оптоэлектронные характеристики интеллектуального датчика с напряжением на затворе при различной относительной влажности (RH), что указывает на то, что фототок в области обратного отсечки существенно возрастает с увеличением RH.На вставке показана экспериментальная конфигурация оптоэлектронной системы измерения влажности. Пластиковый контейнер, закрытый полиэтиленовой пленкой, обеспечивает герметичную среду для определения влажности. Изменяемая относительная влажность была получена путем впрыскивания и экстракции насыщенных солевых растворов (K ₂ CO ₃, NaCl, KCl и K ₂ SO ₄) с помощью инжектора через полиэтиленовую пленку. Соответствующие значения RH составляют 43, 75, 85 и 97% соответственно. Устройство размещалось на возвышении в пластиковом контейнере.Лазер с λ = 405 нм с постоянной интенсивностью ~ 68 мкВт / мм ² облучает интеллектуальный датчик. Все характеристики были выполнены после 10-минутной стабилизации при постоянной влажности окружающей среды. На рисунке 4E показана обнаруживающая способность интеллектуального оптоэлектронного датчика влажности ( I _DS — В _DS) при отрицательном смещении затвора -3 В. С увеличением напряжения стока ( В _DS) от нуля выходной ток ( I _DS) показывает резкий линейный рост в начале и плавный рост при более высоком напряжении стока.Точка перегиба составляет около 0,2 В, что соответствует минимальному напряжению питания, необходимому для эффективного сбора фотогенерированных носителей в канале интеллектуального датчика. Рост фототока с напряжением стока немного отличается по сравнению со случаем оптоэлектронного измерения концентрации водорода. Это указывает на то, что при оптоэлектронном обнаружении RH с помощью интеллектуального датчика могут существовать другие дополнительные эффекты.
Для дальнейшего изучения механизма оптоэлектронного датчика влажности, тенденция изменения выходного сигнала (тока стока) при оптимальном рабочем состоянии ( В _GS = −3 В и В _DS = 1 В) была записана в виде черных квадратов на рис.4F. Выходной ток немного увеличивается в диапазоне низкой влажности и становится резким при относительной влажности 75%, демонстрируя аналогичную тенденцию с изменением коэффициента пропускания гидрогелевой пленки (λ = 405 нм) при различной влажности. Коэффициент пропускания гидрогелевой пленки в диапазоне спектра от 350 до 750 нм при различных влажных атмосферах также представлен на рис. S8. Во всем измеренном диапазоне спектра коэффициент пропускания показывает устойчивую тенденцию, которая такая же, как и при освещении с λ = 405 нм. Это явление соответствует взаимосвязи между пропусканием гидрогеля и содержанием воды в предыдущем исследовании ( 37 ).
Поглощение воды из окружающей среды — основное свойство гидрогеля. В общем, абсорбированная вода в гидрогеле на основе метакрилата может быть разделена на два типа: свободная вода и связанная вода ( 38 ). Оба способствуют равновесному содержанию воды в гидрогеле. Известно, что пористые материалы должны в некоторой степени рассеивать свет, что приводит к более низкому оптическому пропусканию. Что касается полимерных материалов, дефекты или поры между полимерными цепями гидрогеля неизбежно приводят к рассеянию света на границах раздела воздух-полимер.Из-за схожих оптических свойств молекул воды и гидрогеля заполнение этого воздушного пространства водой может улучшить общую прозрачность. Предыдущие исследования также показали, что гидрогель поглощает гораздо больше воды в атмосфере с высокой влажностью, указывая на то, что содержание воды в гидрогеле не увеличивается линейно с влажностью окружающей среды ( 39 ). По этой причине коэффициент пропускания гидрогеля нелинейно зависит от относительной влажности на рис. 4F. Следует также отметить, что с увеличением RH увеличенный коэффициент выходного тока выше, чем коэффициент пропускания.Этому явлению способствуют два фактора: при длительном воздействии высокой влажности окружающей среды набухший гидрогель становится намного мягче и плотнее прилипает к поверхности фототранзистора Si-NM, что дополнительно снижает нежелательное рассеяние света через границы раздела фаз. Другая причина заключается в том, что присутствие гидрогеля значительно увеличивает количество молекул воды на поверхности устройства. Влажная поверхность может служить каналом для транспортировки заряда ( 40 ). Это явление очевидно только при освещении устройства.Также наблюдается небольшое увеличение темнового тока в фототранзисторе Si-NM в атмосфере с высокой влажностью (рис. S9). Но вклад в общий ток составляет менее 0,1 нА даже в атмосфере с высокой влажностью, что составляет менее 1 увеличенного фототока в той же влажной атмосфере при освещении. Датчик намного более чувствителен к обнаружению влажности при освещении.
Материалы, чувствительные к влажности и водороду, могут быть объединены в одном устройстве, чтобы продемонстрировать возможности мультимодального зондирования.Как показано на схематической иллюстрации (рис. 4G), пленки Pd / гидрогеля покрывали отдельные фототранзисторы, а расположение электродов было изменено, чтобы облегчить измерения. На рисунке 4H показано оптическое изображение двух фототранзисторов до и после интеграции интеллектуального материала. Пленка глубокого цвета, покрытая светочувствительной областью, представляла собой палладий, а почти прозрачную пленку — гидрогель. Для двух типов интеллектуальных материалов было выполнено двухканальное зондирование, и характеристики обоих датчиков представлены на рис.4I. На левой панели показаны свойства переноса датчика влажности при различных значениях влажности (RH = 43 и 85%), а на правой панели показан корпус датчика водорода с концентрацией H ₂ 0 и 2%. Допороговый ток каждого датчика заметно изменялся при введении различных стимулов. Как обсуждалось выше, как палладий, поглощенный водородом, так и водонасыщенный гидрогель достигают более высокого оптического пропускания, что приводит к более высокому подпороговому току, запускаемому светом.По мере того, как размер массива и разнообразие интегрированных интеллектуальных материалов увеличиваются, мы могли бы расширить двухканальную систему до различных типов сенсорных функций.
Чтобы проверить надежность этого интеллектуального датчика к внешним воздействиям, были проведены циклические исследования характеристик и статистические тесты при различных концентрациях водорода или влажности. На рисунке 5A записана тенденция изменения выходного сигнала [ток стока, В _GS = 1 В, В _DS = 0.1 В, PMOS (металлооксидный полупроводник p-типа)] с изменением концентрации H ₂. Для каждого уровня водорода прибор показывает стабильное значение сигнала в процессе увеличения или уменьшения концентрации газа. Конечно, ожидается повторяемость. На рисунке 5B показан уровень сигнала в пяти независимых тестах. Устройство реагирует примерно одинаково на разные концентрации H ₂. Аналогичным образом была продемонстрирована надежность интеллектуального датчика при обнаружении относительной влажности.На рис. 5C записан выходной сигнал, соответствующий разной влажности в циклическом эксперименте, а на рис. 5D показана совпадающая ответственность в пяти независимых тестах. Все эти данные определяют надежность к разным типам раздражителей. Интеллектуальный датчик на основе Si-NM имеет большой потенциал в практическом применении в качестве многофункционального детектора.
Рис. 5 Воспроизводимость оптоэлектронной концентрации водорода относительной влажности и возможности измерения относительной влажности.
( A ) Определение уровня водорода от низких до высоких концентраций, а затем от высоких до низких концентраций. Красная линия представляет процесс от низкого к высокому, а синяя линия — от высокого к низкому. ( B ) Многократные тесты определения концентрации H ₂. ( C ) Измерение влажности от низких до высоких концентраций, а затем от высоких до низких концентраций. Красная линия представляет процесс от низкого к высокому, а синяя линия — от высокого к низкому.( D ) Многократные тесты определения влажности.
Благодарности: Часть экспериментальных работ была проведена в лаборатории нанофабрикатов Фудань. Финансирование: Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (61975035, 51711540298 и 51925208), Комиссией по науке и технологиям муниципалитета Шанхая (17JC1401700), Национальной программой исследований и разработок в области ключевых технологий Китая (2015ZX02102-003). , Китайская программа молодых ученых Чанцзяна и Программа руководителя научных исследований Шанхая (19XD1400600).T.L. благодарит за поддержку Национальный исследовательский фонд Кореи (NRF), финансируемый Министерством науки и ИКТ (NRF-2017M3A7B4049466), Программу исследований конвергенции Йонсей-KIST и Программу центров приоритетных исследований через NRF (NRF-2019R1A6A1A11055660). Вклад авторов: Ю.М. разработал это исследование. G.L., Z.M. и C.Y. изготовлены и охарактеризованы устройства. G.L., J.X. и B.X. установил систему тестирования водорода и измерил соответствующие характеристики.Г.Л. и Х.З. установили систему проверки влажности и измерили соответствующие характеристики. Все авторы обсудили и проанализировали результаты. G.L., C.Y. и Y.M. написал газету. Конкурирующие интересы: Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в документе и / или дополнительных материалах. Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у авторов.
(PDF) Оценка надежности кремниевого фототранзистора и новые стратегии выбора для космических приложений
Тест на срок службы устройств PHT02: наличие мобильных зарядов, захваченных пассивацией фото-базы. Мобильные заряды
Чувствительность
коррелирует с чувствительностью космических радиационных устройств. Мы провели на устройствах PHT02 двухэтапный тест (например, 48-часовой
жизненный тест с 48-часовым тестом хранения), который демонстрирует влияние заряженных мобильных устройств на эту технологию. Изохронный отжиг
часто выполняется для того, чтобы предвидеть поведение электронных устройств при испытаниях на срок службы.Мы предлагаем упрощенную версию этого метода отжига
под названием «Тест на изменение температуры» (TRT). В нашей работе делается вывод, что дрейфы тока TRT хорошо коррелируют с деградацией
, наблюдаемой во время жизненного испытания, и могут быть очень полезны для быстрой оценки деградации биполярных микросхем
во время жизненного испытания. Мы считаем, что использование этого метода может быть обобщено в последовательности проверки устройств
, на которые могут повлиять мобильные заряды, в частности, биполярных устройств и устройств MOS.Фактически, этот метод будет применен к третьей партии устройств
от производителя, которые показали текущую нестабильность после первых предварительных испытаний на срок службы. Текущая деятельность
в настоящее время сосредоточена на электрооптическом моделировании устройства PHT03 с анализом отказов для альтернативной интерпретации переноса
мобильных зарядов в такой структуре.
СПРАВОЧНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
[1]
Н. Э. Ликудес, К. К. Чайлдерс, «Обзор механизма отказа полупроводниковой нестабильности», IEEE Trans.Надежный, Vol.
Р-29, № 3, август 1980 г.
[2]
S.L. Kosiert, R.D. Schrimpft, R.N. Nowlintt, D.M. Флитвуд, М. ДеЛаус, Р.Л. Пиз, У. Combsw, A. Weit,
и F. Chait, «Разделение заряда для биполярных транзисторов», IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. 40, No. 6, декабрь 1993 г.
[3]
Ф. Х. Де Ла Монеда и Э. Р. Шенетт, «Шум в фототранзисторах», IEEE Trans. Электронные устройства, т. ED-18, N.
6, июнь 1971 г.
[4]
O.Gilard, G. Quadri, P. Spezzigu, J.L. Roux, «Оценка надежности биполярных фототранзисторов для применения в космосе
», Семинар по радиационным эффектам, IEEE июль 2007 г.
[5]
S.N. Рашкеев, CR Cirba, DM Fleetwood, RD Schrimpf, SC Witczak, A. Michez, ST Pantelides, «Physical
Model for Enhanced Interface-Trap Formation при низких мощностях доз» — IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol.49,
№ 6, декабрь 2002 г.
[6]
O.Фламент, П. Пайе, Дж. Л. Лере, Д. М. Флитвуд, «Соображения по технике изохронного отжига: от измерений
к физике», IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. 46, No. 6, December 1999.
[7]
Ф. Сенье, Л. Дюссо, Л. Альбер, Ж. Феске и Ж. Газио, «Экспериментальное определение частотного фактора
процессов термического отжига в структуры металл-оксид-полупроводник затвор-оксид ”, J.

Материал	Диапазон длин волн электромагнитного спектра (нм)
Кремний	190–1100
Германий	400-1700
арсенид галлия индия	800-2600
Сульфид свинца (II)	<1000-3500

Фототранзисторы. Устройство и работа. Применение и особенности

Устройство

Наиболее популярны биполярные фототранзисторы структуры n-p-n.

В обоих вариантах транзистор может работать в 2-х режимах:

Похожие темы:

Фототранзисторы биполярные и полевые, обозначение на схемах,…

Обозначения на схемах фототранзисторов

История

Биполярный фототранзистор. Устройство и принцип действия.

Характеристики фототранзистора.

Полевой фототранзистор.

Конструкция корпусов

Применение фототранзисторов

KT315 ФОТОДИОД или ФОТОТРАНЗИСТОР | Дмитрий Компанец

Как проверить инфракрасный свето- и фотодиод, мощная доработка тестера ut61e

Как проверить оптопару (оптрон) — схема и принцип работы самодельного тестера

Датчик для обнаружения страйкбольной пули

Вам не нужно, чтобы BB был отцентрирован между излучателем и детектором

Некоторые идеи из световых завес

Еще одна проблема о вашем источнике:

редактировать

Редактировать № 2: Схема для предлагаемого дизайна

Изготовление транзистора своими руками

Собираем солнечную батарею

Обычный транзистор как элемент солнечной фотовольтаики

Как проверить фототранзистор

Что такое фототранзистор »Электроника

представляют собой биполярный транзистор, чувствительный к свету — имея усиление транзистора, они намного более чувствительны, чем фотодиоды.

Применение фототранзисторов

Первоначальная разработка фототранзистора

Записка из истории фототранзисторов:

Работа фототранзистора

Обозначение схемы фототранзистора

Структура фототранзистора

Характеристики фототранзистора

Сводка преимуществ и недостатков фототранзисторов

Конструкция, принципиальная схема и ее применение

Что такое фототранзистор?

Конструкция

Как работает фототранзистор?

Типы фототранзисторов

Фототранзистор BJT

Фототранзистор на полевом транзисторе

Схема фототранзистора

Усиление

Режимы работы

Рабочие характеристики

Параметры конструкции

Преимущества фототранзистора

Недостатки фототранзистора

Применение фототранзисторов

Как проверить оптрон — AntiMath

| Инженерное дело360

Состав фототранзисторов

Как работают фототранзисторы

Усиление

Конфигурации цепей

Режимы работы

Критерии отбора

Технические характеристики

Расчетные параметры

Приложения

Стандарты

Ссылки

Фототранзистор на кремниевой наномембране, перевернутый вместе с многофункциональными датчиками в сторону интеллектуальной цифровой пыли

РЕЗУЛЬТАТЫ

(PDF) Оценка надежности кремниевого фототранзистора и новые стратегии выбора для космических приложений

Читайте также

Что делать, если грудничок не спит днем: советы по налаживанию режима сна

Антигистаминные препараты для новорожденных: лечение и профилактика аллергии у грудничков

Методика «Цветоник» М. Лазарева для музыкального развития детей

Добавить комментарий Отменить ответ