Fototransistor: O que é, Operação e Símbolo

Os fototransistores são uma forma de transistor bipolar sensível à luz – tendo o ganho de um transistor, eles são muito mais sensíveis do que os fotodiodos e encontram uso em muitos projetos de circuitos de detecção de luz.

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Nosso tutorial de fototransistor inclui:

Fundamentos de Fototransistor | Aplicações e Circuitos | Fotodarlington | Acoplador Óptico / Opto-isolador

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O fototransistor é um dispositivo semicondutor capaz de detectar os níveis de luz e alterar a corrente que flui entre o emissor e o coletor de acordo com o nível de luz que recebe.

Tanto fototransistores quanto fotodiodos podem ser usados ​​para detecção de luz, mas o fototransistor é mais sensível em vista do ganho proporcionado pelo fato de ser um transistor bipolar. Isso torna os fototransistores mais adequados em várias aplicações.

Embora todos os transistores bipolares sejam sensíveis à luz, e é por isso que a maioria dos transistores são encapsulados em latas de metal ou plástico, os fototransistores são uma forma especializada de transistor bipolar que foi otimizada para sua sensibilidade à luz, tornando esses componentes eletrônicos ideais para muitas aplicações de detecção de luz..

A ideia do fototransistor é conhecida há muitos anos. William Shockley propôs a ideia pela primeira vez em 1951, não muito depois da descoberta do transistor bipolar comum. Passaram-se então apenas dois anos antes que o fototransistor fosse demonstrado.

Desde sua primeira introdução e uso, os fototransistores têm sido usados ​​em uma variedade de projetos e aplicações de circuitos, e seu desenvolvimento continua desde então.

Os fototransistores estão amplamente disponíveis e podem ser facilmente obtidos a baixo custo de distribuidores de componentes eletrônicos – em vista de seu uso em muitos circuitos e aplicações eletrônicos, eles estão disponíveis como parte do inventário de dispositivos semicondutores padrão.

Tendo em vista que esses componentes eletrônicos são baratos e de fácil acesso, é necessário garantir que o componente selecionado atenda aos requisitos do projeto do circuito no qual será utilizado. Compreender as várias especificações é importante para isso.

Desenvolvimento inicial do fototransistor

A invenção do fototransistor seguiu-se ao desenvolvimento do primeiro transistor de contato de ponto. Um grande número de desenvolvimentos de semicondutores estava sendo realizado nos Laboratórios Bell nessa época, e o fototransistor era desenvolvido por uma das equipes de lá.

Embora a história do fototransistor não seja tão divulgada quanto muitos dos outros desenvolvimentos iniciais de semicondutores, foi certamente um desenvolvimento muito importante.

Nota sobre a história do fototransistor:

O fototransistor surgiu dos primeiros desenvolvimentos de semicondutores que ocorreram nos Bell Telephone Laboratories. A invenção foi anunciada pela primeira vez em 30 de março de 1950.

Operação do Fototransistor

O fototransistor usa o conceito básico de transistor bipolar como base de sua operação. Na verdade, um fototransistor pode ser feito expondo o semicondutor de um transistor comum à luz. Os primeiros fototransistores foram feitos não cobrindo o encapsulamento plástico do transistor bipolar com tinta preta.

O fototransistor opera porque a luz que atinge o semicondutor libera elétrons/buracos e faz com que a corrente flua na região da base.

Os fototransistores são operados em seu regime ativo, embora a conexão de base geralmente seja deixada em circuito aberto ou desconectada porque muitas vezes não é necessária. A base do fototransistor seria usada apenas para polarizar o transistor para que a corrente adicional do coletor estivesse fluindo e isso mascararia qualquer fluxo de corrente como resultado da fotoação. Para operação, as condições de polarização são bastante simples. O coletor de um transistor NPN é positivo em relação ao emissor ou negativo para um transistor PNP.

A luz entra na região da base onde causa a geração de pares de elétrons vazios. Esta geração ocorre principalmente na junção do coletor de base com polarização reversa. Os pares buraco-elétron se movem sob a influência do campo elétrico e fornecem a corrente de base, fazendo com que os elétrons sejam injetados no emissor. Como resultado, a corrente do fotodiodo é multiplicada pelo ganho de corrente β do transistor.

O desempenho do fototransistor pode ser superior ao do fotodiodo para algumas aplicações em vista de seu ganho. Como um guia aproximado, onde um fotodiodo pode permitir um fluxo de corrente de cerca de 1µA em condições típicas de ambiente, um fototransistor pode permitir um fluxo de corrente de 100µA. Estas são aproximações muito grosseiras, mas mostram a ordem de grandeza dos vários valores e comparações.

Uma das desvantagens do fototransistor é que ele é particularmente lento e sua resposta de alta frequência é muito ruim. Os fotodiodos são componentes eletrônicos muito mais rápidos e são usados ​​onde a velocidade é essencial, apesar de sua sensibilidade inferior.

Símbolo do circuito do fototransistor

Os símbolos de circuito padrão são essenciais para cada tipo de componente eletrônico, permitindo que os diagramas de circuito sejam desenhados facilmente e reconhecíveis por todos. O símbolo do fototransistor consiste no símbolo básico do transistor bipolar com duas setas apontando para a junção do transistor bipolar. Isso representa esquematicamente a operação do fototransistor.

Os fototransistores podem ser baseados em transistores NPN e transistores PNP e, portanto, é perfeitamente possível ter um fototransistor PNP, e para isso a direção da seta no emissor é invertida da maneira normal.

Pode ser visto que o símbolo do fototransistor mostrado não fornece uma conexão de base. Freqüentemente, a base é deixada desconectada enquanto a luz é usada para permitir o fluxo de corrente através do fototransistor. Em alguns casos, a base pode ser polarizada para definir o ponto de operação necessário. Neste caso a base será mostrada de forma normal no símbolo do fototransistor.

Estrutura do fototransistor

Embora os transistores bipolares comuns exibam efeitos fotossensíveis se forem expostos à luz, a estrutura do fototransistor é especificamente otimizada para aplicações fotográficas. O fototransistor tem áreas de base e coletor muito maiores do que seriam usadas para um transistor normal. Esses dispositivos geralmente eram feitos por difusão ou implantação iônica.

Os primeiros fototransistores usavam germânio ou silício em todo o dispositivo, dando uma estrutura de homo-junção. Os fototransistores mais modernos usam materiais semicondutores do tipo III-V, como arsenieto de gálio e similares. As variedades de transistores NPN são mais populares devido ao fato de que sistemas de aterramento negativo são usados, e os transistores NPN se ajustam melhor a esse modo de operação.

As heteroestruturas que usam materiais diferentes em cada lado da junção PN também são populares porque fornecem uma alta eficiência de conversão. Estes são geralmente fabricados usando crescimento epitaxial de materiais que possuem estruturas de treliça correspondentes.

Esses fototransistores geralmente usam uma estrutura de mesa. Às vezes, uma junção Schottky (metal semicondutor) pode ser usada para o coletor dentro de um fototransistor, embora essa prática seja menos comum hoje em dia porque outras estruturas oferecem melhores níveis de desempenho.

Para garantir a conversão ideal e, portanto, a sensibilidade, o contato do emissor é muitas vezes deslocado dentro da estrutura do fototransistor. Isso garante que a quantidade máxima de luz atinja a região ativa dentro do fototransistor.

Características do fototransistor

Como já mencionado o fototransistor possui um alto nível de ganho resultante da ação do transistor. Para homoestruturas, ou seja, aquelas que usam o mesmo material em todo o dispositivo semicondutor, isso pode ser da ordem de cerca de 50 até algumas centenas.

Já para os dispositivos heteroestruturados, os níveis de ganho podem chegar a dez mil. Apesar de seu alto nível de ganho, os dispositivos de heteroestrutura não são amplamente utilizados porque esses dispositivos semicondutores são consideravelmente mais caros de fabricar. Outra vantagem de todos os fototransistores quando comparados ao fotodiodo avalanche, outro dispositivo que oferece ganho, é que o fototransistor tem um nível de ruído muito menor. Diodos de avalanche de todas as formas são conhecidos pelos grandes níveis de ruído que geram como resultado do processo de avalanche.

Uma das principais desvantagens do fototransistor é o fato de não ter uma resposta de alta frequência particularmente boa. Isso decorre da grande capacitância associada à junção do coletor de base. Esta junção é projetada para ser relativamente grande para permitir que ela capte quantidades suficientes de luz. Para um dispositivo típico de homoestrutura, a largura de banda pode ser limitada a cerca de 250 kHz. Os dispositivos de heterojunção têm um limite muito maior e alguns podem operar em frequências de até 1 GHz.

As características do fototransistor sob diferentes intensidades de luz. Eles são muito semelhantes às características de um transistor bipolar convencional, mas com os diferentes níveis de corrente de base substituídos pelos diferentes níveis de intensidade de luz.

Há uma pequena quantidade de corrente que flui no fototransistor mesmo quando não há luz presente. Isso é chamado de corrente escura e representa o pequeno número de portadores que são injetados no emissor. Assim como as portadoras fotogeradas, esta também está sujeita à amplificação pela ação do transistor.

Aplicações do fototransistor

O fato de os fototransistores serem fáceis de usar e funcionarem bem, dentro de suas limitações, significa que esses dispositivos semicondutores são usados ​​em uma ampla variedade de projetos de circuitos eletrônicos.

Freqüentemente, os circuitos e aplicações são onde um feixe de luz é interrompido, mas às vezes eles podem ser usados ​​para detecção de nível de luz.

• Codificadores onde um disco giratório com listras claras e escuras gira – isso dá velocidade e direção ou rotação.
• Leitores de cartões.
• Sistemas de segurança
• Detectores infravermelhos.
• Controle de luz.
• Opto-acopladores
• Sistemas de contagem – um feixe de luz ou IR é interrompido para cada item contado.
• Controle de luz.

Existem, é claro, muitas outras aplicações onde esses componentes eletrônicos são usados.

Resumo das vantagens e desvantagens dos fototransistores

Embora esses dispositivos semicondutores sejam usados ​​em um grande número de dispositivos eletrônicos, circuitos e aplicações, suas vantagens e desvantagens precisam ser ponderadas para determinar se eles são o componente eletrônico certo para a aplicação em questão. Fotoresistores ou resistores dependentes de luz LDRs; fotodiodos; fotodarlingtons, foto-FETs e até mesmo foto-tiristores e triacs estão disponíveis e podem atender a qualquer aplicação.

Vantagens do fototransistor

• Têm um ganho relativamente alto e, portanto, são relativamente sensíveis.
• Esses componentes eletrônicos são relativamente baratos, pois são efetivamente um transistor aberto à luz.
• Eles podem ser incorporados em um circuito integrado.
• Ofereça uma velocidade razoável.

Desvantagens do fototransistor

• Esses dispositivos não suportam as altas tensões de outros dispositivos semicondutores, como fototiristores e triacs.
• Em aplicações em que estão expostos a picos e surtos de tensão transientes, eles estão sujeitos a danos
• Não tão rápido quanto outros componentes eletrônicos sensíveis à luz, como fotodiodos.

Estas são algumas das principais vantagens e desvantagens desses componentes eletrônicos.

Os fototransistores são dispositivos semicondutores baseados no transistor bipolar básico e estão disponíveis como transistores NPN ou transistores PNP. Juntamente com outros componentes eletrônicos e dispositivos semicondutores, eles estão disponíveis em praticamente todos os distribuidores de componentes eletrônicos e geralmente seu custo é muito baixo.

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