แนวคิดของโฟโตทรานซิสเตอร์เป็นที่ทราบกันมานานหลายปีแล้ว แนวคิดนี้ได้รับการเสนอครั้งแรกโดยวิลเลียม ช็อคลีย์ในปีพ.ศ. 2494 หลังจากการค้นพบทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์ธรรมดา หลังจากนั้น 2 ปี ได้มีการสาธิตโฟโตทรานซิสเตอร์ หลังจากนั้นก็ถูกนำไปใช้ในแอปพลิเคชั่นต่างๆ และพัฒนามาอย่างต่อเนื่องทุกวัน โฟโตทรานซิสเตอร์สามารถหาซื้อได้ในราคาถูกจากผู้จำหน่ายชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ เพื่อใช้กับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ เช่น โฟโตทรานซิสเตอร์ ใช้เพื่อตรวจจับระดับแสงและเปลี่ยนกระแสระหว่างตัวปล่อยและตัวรวบรวมตามระดับแสงที่ได้รับ บทความนี้จะกล่าวถึงภาพรวมของโฟโตทรานซิสเตอร์

โฟโต้ทรานซิสเตอร์คืออะไร?

โฟโตทรานซิสเตอร์คือส่วนประกอบการสลับอิเล็กทรอนิกส์และการขยายกระแสที่ต้องอาศัยแสงในการทำงาน เมื่อแสงตกกระทบที่จุดเชื่อมต่อ กระแสไฟฟ้าย้อนกลับจะไหลตามสัดส่วนของความสว่าง โฟโตทรานซิสเตอร์ใช้กันอย่างแพร่หลายในการตรวจจับพัลส์แสงและแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าดิจิทัล พวกมันใช้พลังงานแสงแทนไฟฟ้า ด้วยค่าเกนสูง ต้นทุนต่ำ โฟโตทรานซิสเตอร์เหล่านี้จึงสามารถนำไปใช้ได้ในแอพพลิเคชั่นต่างๆ มากมาย

สัญลักษณ์โฟโตทรานซิสเตอร์

มันมีความสามารถในการแปลงพลังงานแสงให้เป็นพลังงานไฟฟ้า โฟโตทรานซิสเตอร์ทำงานในลักษณะเดียวกับโฟโตเรซิสเตอร์ที่เรียกกันทั่วไปว่า LDR (ตัวต้านทานที่ขึ้นอยู่กับแสง) แต่สามารถสร้างทั้งกระแสและแรงดันไฟฟ้าได้ ในขณะที่โฟโตเรซิสเตอร์สามารถสร้างกระแสได้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานเท่านั้น

โฟโตทรานซิสเตอร์คือทรานซิสเตอร์ที่มีฐานเปลือย แทนที่จะส่งกระแสไฟฟ้าไปที่ฐาน โฟตอนจากแสงที่ส่องไปที่ฐานจะเปิดใช้งานทรานซิสเตอร์ เนื่องจากโฟโตทรานซิสเตอร์ทำจากเซมิคอนดักเตอร์แบบไบโพลาร์ และโฟกัสพลังงานที่ส่งผ่านมัน พวกมันถูกกระตุ้นด้วยอนุภาคแสงและถูกใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เกือบทั้งหมดที่ต้องอาศัยแสงในบางรูปแบบ โฟโตเซนเซอร์ซิลิกอนทั้งหมด (โฟโตทรานซิสเตอร์) ตอบสนองต่อรังสีที่มองเห็นได้ทุกช่วง รวมถึงอินฟราเรดด้วย ในความเป็นจริงไดโอด ทรานซิสเตอร์ ดาร์ลิงตัน ไตรแอค ฯลฯ ทั้งหมดมีการตอบสนองความถี่ของการแผ่รังสีพื้นฐานเหมือนกัน

โครงสร้างของโฟโตทรานซิสเตอร์ได้รับการปรับให้เหมาะสมเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานด้านออปติก เมื่อเทียบกับทรานซิสเตอร์ทั่วไป โฟโตทรานซิสเตอร์จะมีฐานและความกว้างของคอลเลกเตอร์ที่ใหญ่กว่า และผลิตขึ้นโดยใช้วิธีการกระจายหรือการฝังไอออน

การก่อสร้าง

โฟโตทรานซิสเตอร์ไม่ใช่สิ่งอื่นใดนอกจากทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์ปกติซึ่งมีการส่องสว่างบริเวณฐาน มีให้เลือกใช้ทั้งแบบ PNP และ NPN โดยมีการกำหนดค่าที่แตกต่างกัน เช่น ตัวปล่อยสัญญาณทั่วไป ตัวรวบรวมทั่วไป และฐานทั่วไป แต่โดยทั่วไปจะใช้การกำหนดค่าตัวปล่อยสัญญาณทั่วไป นอกจากนี้ยังสามารถทำงานได้ในขณะที่เสาฐานเปิดอยู่ เมื่อเทียบกับทรานซิสเตอร์แบบเดิม ทรานซิสเตอร์ชนิดนี้จะมีบริเวณเบสและคอลเลกเตอร์มากกว่า

โฟโตทรานซิสเตอร์สมัยโบราณใช้สารเซมิคอนดักเตอร์ชนิดเดียว เช่น ซิลิกอนและเจอร์เมเนียม แต่ปัจจุบันส่วนประกอบที่ทันสมัยใช้สาร เช่น แกลเลียมและอาร์เซไนด์ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูง ฐานเป็นขาที่รับผิดชอบในการเปิดใช้งานทรานซิสเตอร์ นี่คือไดรเวอร์เกตสำหรับแหล่งจ่ายไฟขนาดใหญ่ ตัวเก็บประจุคือขาบวก และแหล่งพลังงานมีขนาดใหญ่กว่า ตัวปล่อยคือพินลบ และซ็อกเก็ตสำหรับแหล่งจ่ายไฟขนาดใหญ่

โครงสร้างทรานซิสเตอร์ภาพ

เมื่อไม่มีแสงส่องไปที่อุปกรณ์ กระแสไฟฟ้าเล็กน้อยจะไหลเนื่องจากคู่อิเล็กตรอน-โฮลที่สร้างขึ้นจากความร้อน และแรงดันไฟฟ้าขาออกจากวงจรจะน้อยกว่าค่าที่จ่ายเล็กน้อยเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมตัวต้านทานโหลด R เมื่อแสงส่องไปที่รอยต่อระหว่างคอลเลกเตอร์กับฐาน กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านจะเพิ่มขึ้น เมื่อฐานเปิดวงจร กระแสคอลเลกเตอร์-ฐานจะต้องไหลในวงจรเบส-ตัวปล่อย ดังนั้น กระแสที่ไหลจึงถูกขยายโดยการทำงานปกติของทรานซิสเตอร์

รอยต่อระหว่างฐานกับตัวเก็บรวบรวมนั้นมีความไวต่อแสงมาก เงื่อนไขการใช้งานขึ้นอยู่กับความเข้มของแสง กระแสเดิมจากโฟตอนที่เข้ามาจะถูกขยายโดยค่าเกนของทรานซิสเตอร์ ทำให้เกิดค่าเกนกระแสหลายร้อยถึงหลายพัน โฟโตทรานซิสเตอร์มีความไวมากกว่าโฟโตไดโอดถึง 50 ถึง 100 เท่า ซึ่งมีระดับสัญญาณรบกวนต่ำกว่า

โฟโต้ทรานซิสเตอร์ทำงานอย่างไร?

ทรานซิสเตอร์ทั่วไปประกอบด้วยตัวปล่อย เบส และคอลเลกเตอร์ ตัวรวบรวมมีความเอนเอียงเป็นบวกเมื่อเทียบกับตัวปล่อย และรอยต่อ BE นั้นมีอคติแบบย้อนกลับ

โฟโตทรานซิสเตอร์จะทำงานเมื่อแสงตกกระทบฐาน และแสงจะเปิดใช้งานโฟโตทรานซิสเตอร์โดยให้การกำหนดค่าคู่รูอิเล็กตรอน รวมทั้งกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวปล่อยหรือตัวสะสม เมื่อกระแสไฟเพิ่มขึ้น จะถูกรวมตัวและแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้า

โดยทั่วไป โฟโตทรานซิสเตอร์จะไม่มีการเชื่อมต่อฐาน ขั้วฐานจะถูกตัดการเชื่อมต่อเมื่อมีการใช้แสงเพื่อให้กระแสไฟไหลผ่านโฟโตทรานซิสเตอร์

ประเภทของโฟโตทรานซิสเตอร์

โฟโตทรานซิสเตอร์สามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภทคือ BJT และ FET

ทรานซิสเตอร์ BJT

ในสภาวะแสงน้อย โฟโตทรานซิสเตอร์ BJT ยอมให้มีการรั่วไหลระหว่างคอลเลกเตอร์และตัวปล่อย 100 nA ในกรณีที่ไม่มีแสงเพียงพอ เมื่อทรานซิสเตอร์นี้สัมผัสกับลำแสง มันจะทำงานที่ความเร็วสูงสุด 50mA ซึ่งแตกต่างจากโฟโตไดโอดที่ไม่ยอมให้กระแสไฟฟ้ามาก

ทรานซิสเตอร์กำลัง FET

โฟโตทรานซิสเตอร์ประเภทนี้ประกอบด้วยการเชื่อมต่อภายใน 2 จุดผ่านคอลเลกเตอร์และตัวปล่อยหรือซอร์สและเดรนภายใน FET ขั้วฐานของทรานซิสเตอร์ตอบสนองต่อแสงและควบคุมกระแสไฟที่ไหลระหว่างขั้ว

วงจรออปโตอิเล็กทรอนิกส์

โฟโตทรานซิสเตอร์ทำงานเช่นเดียวกับทรานซิสเตอร์ทั่วไป โดยที่กระแสเบสจะถูกคูณเพื่อสร้างกระแสคอลเลกเตอร์ ยกเว้นว่าในโฟโตทรานซิสเตอร์ กระแสเบสจะถูกควบคุมด้วยปริมาณแสงที่มองเห็นหรืออินฟราเรด ในขณะที่อุปกรณ์จะต้องการเพียง 2 พินเท่านั้น

แผนผังวงจรโฟโตทรานซิสเตอร์

ในวงจรแบบง่าย โดยถือว่าไม่มีอะไรเชื่อมต่อกับ Vout กระแสฐานที่ควบคุมด้วยปริมาณแสงจะกำหนดกระแสคอลเลกเตอร์ ซึ่งก็คือกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทาน ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าที่ Vout จะเพิ่มขึ้นและลดลงตามปริมาณแสง เราจะเชื่อมต่อกับ op-amp เพื่อเพิ่มสัญญาณหรือเชื่อมต่อกับอินพุตของไมโครคอนโทรลเลอร์โดยตรงได้

เอาต์พุตของโฟโตทรานซิสเตอร์ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของแสงตกกระทบ อุปกรณ์เหล่านี้ตอบสนองต่อแสงในช่วงความยาวคลื่นที่กว้าง ตั้งแต่ช่วงใกล้รังสี UV ผ่านช่วงที่มองเห็น และช่วงใกล้รังสี IR ของสเปกตรัม สำหรับระดับการส่องสว่างของแหล่งกำเนิดแสงที่กำหนด เอาต์พุตของโฟโตทรานซิสเตอร์จะถูกกำหนดโดยพื้นที่ของรอยต่อระหว่างคอลเลกเตอร์กับฐานและการขยายกระแสไฟฟ้า DC ของทรานซิสเตอร์

โฟโตทรานซิสเตอร์มีการกำหนดค่าต่างๆ เช่น ออปโตอิเล็กทริก โฟโตสวิตช์ และเซนเซอร์แบบเรโทร ออปโตอิเล็กทริกจะคล้ายกับหม้อแปลงไฟฟ้า ตรงที่เอาต์พุตจะถูกแยกจากอินพุตด้วยไฟฟ้า วัตถุจะถูกตรวจจับเมื่อเข้ามาในช่องว่างสวิตช์ออปติคัลและปิดกั้นเส้นทางของแสงระหว่างตัวส่งและเครื่องตรวจจับ เซนเซอร์แบบย้อนยุคจะตรวจจับการมีอยู่ของวัตถุด้วยการสร้างแสงและมองหาแสงที่สะท้อนจากวัตถุที่ต้องการตรวจจับ

การขยายเสียง

ช่วงการทำงานของโฟโตทรานซิสเตอร์ขึ้นอยู่กับความเข้มของแสงที่นำมาใช้เป็นหลัก เนื่องจากช่วงการทำงานขึ้นอยู่กับอินพุตของฐาน กระแสฐานจากโฟตอนตกกระทบสามารถขยายได้ผ่านค่าเกนของทรานซิสเตอร์ ส่งผลให้ค่าเกนกระแสอยู่ในช่วง 100 ถึง 1,000 โฟโตทรานซิสเตอร์มีความไวมากกว่าโฟโตไดโอดเนื่องจากมีระดับสัญญาณรบกวนที่ต่ำกว่า

สามารถให้การขยายเพิ่มเติมได้โดยใช้ทรานซิสเตอร์ประเภทโฟโตดาร์ลิงตัน

นี่คือโฟโตทรานซิสเตอร์ที่ประกอบด้วยเอาต์พุตของตัวปล่อยที่เชื่อมต่อกับขั้วฐานของทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์ตัวถัดไป มีความไวสูงในระดับแสงน้อยเนื่องจากให้ค่าขยายกระแสเทียบเท่าทรานซิสเตอร์สองตัว อัตราขยายสองขั้นตอนสามารถให้อัตราขยายสุทธิได้มากกว่า 100,000A ทรานซิสเตอร์โฟโตดาร์ลิงตันมีการป้อนกลับน้อยกว่าโฟโตทรานซิสเตอร์ทั่วไป

โหมดการทำงาน

ในวงจรโฟโตทรานซิสเตอร์ โหมดการทำงานพื้นฐานประกอบด้วยสองโหมด ได้แก่ โหมดการทำงานและการสลับ ซึ่งโหมดการทำงานที่ใช้กันทั่วไปคือโหมดการสลับ อธิบายการตอบสนองแบบไม่เชิงเส้นต่อแสง เมื่อไม่มีแสง จะไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลเข้าสู่ทรานซิสเตอร์ กระแสไฟฟ้าจะเริ่มไหลเมื่อได้รับแสงมากขึ้น โหมดการสวิตซ์ทำงานในระบบเปิด/ปิด โหมดการทำงานนี้เรียกอีกอย่างว่าแบบเชิงเส้น ซึ่งตอบสนองในลักษณะที่เป็นสัดส่วนโดยตรงกับการกระตุ้นของแสง

ข้อมูลจำเพาะประสิทธิภาพ

การเลือกใช้ Phototransistor สามารถทำได้โดยขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์และคุณสมบัติต่างๆ ดังต่อไปนี้

• กระแสไฟคอลเลกเตอร์ (IC)
• กระแสฐาน (Iλ)
• ความยาวคลื่นสูงสุด
• แรงดันพังทลายของคอลเลกเตอร์-อิมิตเตอร์ (VCE)
• แรงดันพังทลายของตัวสะสม-ตัวปล่อย (VBRCEO)
• แรงดันพังทลายของตัวปล่อย-ตัวเก็บรวบรวม (VBRECO)
• กระแสมืด (ไอดี)
• การสูญเสียพลังงาน (PD หรือ Ptot)
• เวลาที่เพิ่มขึ้น (tR)
• เวลาฤดูใบไม้ร่วง (tF)

รายละเอียดการออกแบบ

วัสดุที่เลือกใช้รวมถึงองค์ประกอบมีบทบาทสำคัญในความไวของทรานซิสเตอร์ประเภทนี้ ระดับการขยายของอุปกรณ์ที่มีโครงสร้างแบบ Homo หรือวัสดุเดี่ยวจะมีตั้งแต่ 50 ถึงหลายร้อยตัว เหล่านี้เป็นโฟโตทรานซิสเตอร์แบบธรรมดาที่มักออกแบบด้วยซิลิกอน อุปกรณ์ที่มีโครงสร้างต่างกันหรือการกำหนดค่าวัสดุหลายประเภทอาจมีระดับเกนสูงถึง 10,000 แต่พบได้น้อยลงเนื่องจากต้นทุนการผลิตที่สูง

ช่วงความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของวัสดุต่างๆ ประกอบด้วย:

• สำหรับวัสดุซิลิกอน (Si) ช่วงความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคือ 190 ถึง 1100 นาโนเมตร
• สำหรับวัสดุเจอร์เมเนียม (Ge) ช่วงความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคือ 400 ถึง 1,700 นาโนเมตร
• สำหรับวัสดุอินเดียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ (InGaAs) ช่วงความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคือ 800 ถึง 2600 นาโนเมตร
• สำหรับวัสดุตะกั่วซัลไฟด์ ช่วงความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคือ <1,000 ถึง 3,500
• เพื่อให้โฟโตทรานซิสเตอร์ทำงานได้อย่างถูกต้อง เทคโนโลยีการติดตั้งมีบทบาทสำคัญ

เทคโนโลยี SMT หรือการติดตั้งบนพื้นผิวใช้ส่วนประกอบต่างๆ ลงบน PCB (แผงวงจรพิมพ์) โดยเชื่อมต่อขั้วต่อส่วนประกอบด้วยการบัดกรีหรือที่ด้านบนของบอร์ด โดยทั่วไปแผ่น PCB สามารถเคลือบด้วยสารวางประสาน เช่น สารวางประสานและสูตรฟลักซ์ โดยทั่วไปอุณหภูมิที่สูงจากเตาอินฟราเรดจะทำให้กาวที่ใช้ในการบัดกรีขั้วต่อของส่วนประกอบกับแผ่น PCB ละลาย

เทคโนโลยี THT หรือเทคโนโลยีแบบทะลุผ่าน เป็นประเภทการติดตั้งที่ใช้กันทั่วไป การจัดเรียงส่วนประกอบต่างๆ สามารถทำได้โดยการวางขั้วต่อส่วนประกอบที่มีรูภายใน PCB และสามารถบัดกรีส่วนประกอบเหล่านี้ไว้ที่ด้านตรงข้ามของ PCB ได้ คุณสมบัติของโฟโตทรานซิสเตอร์หลักๆ คือมีฟิลเตอร์ตัดแสง ซึ่งใช้เพื่อปิดกั้นแสงที่สังเกตได้ การตรวจจับแสงประเภทอื่นๆ สามารถปรับปรุงได้โดยการเคลือบป้องกันแสงสะท้อน อุปกรณ์ที่ประกอบด้วยเลนส์โดมทรงกลมแทนเลนส์แบบแบนก็เป็นไปได้เช่นกัน

คุณสมบัติ

ลักษณะเฉพาะของโฟโตทรานซิสเตอร์มีดังนี้:

• การตรวจจับภาพที่มองเห็นได้และใกล้ IR ที่มีต้นทุนต่ำ
• มีให้เลือกตั้งแต่เพิ่มทีละ 100 จนถึงมากกว่า 1,500
• เวลาตอบสนองค่อนข้างเร็ว
• มีผลิตภัณฑ์ให้เลือกหลากหลายรูปแบบ เช่น การเคลือบอีพอกซี การหล่อถ่ายโอน และเทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิว
• ลักษณะทางไฟฟ้าจะคล้ายกับทรานซิสเตอร์สัญญาณ

ข้อดีของโฟโตทรานซิสเตอร์

โฟโตทรานซิสเตอร์มีข้อได้เปรียบสำคัญหลายประการที่แตกต่างจากเซนเซอร์ออปติคัลอื่น ๆ ซึ่งมีการกล่าวถึงบางส่วนด้านล่าง

• โฟโตทรานซิสเตอร์สร้างกระแสไฟฟ้าสูงกว่าโฟโตไดโอด
• โฟโตทรานซิสเตอร์นั้นมีราคาค่อนข้างถูก ใช้งานง่าย และมีขนาดเล็กพอที่จะใส่ได้หลายตัวบนชิปคอมพิวเตอร์แบบบูรณาการตัวเดียว
• โฟโตทรานซิสเตอร์มีความเร็วมากและสามารถให้เอาต์พุตได้เกือบจะทันที
• โฟโตทรานซิสเตอร์สร้างแรงดันไฟฟ้าที่โฟโตเรซิสเตอร์ไม่สามารถทำได้

ข้อเสียของโฟโตทรานซิสเตอร์

• โฟโตทรานซิสเตอร์ที่ทำจากซิลิกอนไม่สามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าเกิน 1,000 โวลต์ได้
• โฟโตทรานซิสเตอร์ยังไวต่อแรงดันไฟฟ้าและพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าอีกด้วย
• โฟโตทรานซิสเตอร์ยังไม่ยอมให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระเหมือนอุปกรณ์อื่นๆ เช่น หลอดอิเล็กตรอน

การประยุกต์ใช้งานของโฟโตทรานซิสเตอร์

พื้นที่การประยุกต์ใช้ของ Phototransistor ได้แก่:

• เครื่องอ่านบัตรเจาะ
• ระบบรักษาความปลอดภัย
• ตัวเข้ารหัส – วัดความเร็วและทิศทาง
• ภาพเครื่องตรวจจับอินฟราเรด
• การควบคุมไฟฟ้า
• วงจรลอจิกคอมพิวเตอร์
• รีเลย์
• การควบคุมแสงสว่าง (ทางหลวง ฯลฯ)
• ตัวระบุระดับ
• ระบบการนับ

นี่คือทั้งหมดเกี่ยวกับภาพรวมของโฟโตทรานซิสเตอร์ สุดท้ายจากข้อมูลข้างต้นเราสามารถสรุปได้ว่าโฟโตทรานซิสเตอร์ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ เพื่อตรวจจับแสง เช่น ตัวรับอินฟราเรด เครื่องตรวจจับควัน เลเซอร์ เครื่องเล่นซีดี เป็นต้น

‍

‍