¿Qué Es Un Fototransistor? Estructura, Funcionamiento Y Aplicaciones.
El fototransistor es un dispositivo semiconductor capaz de detectar los niveles de luz y alterar la corriente que fluye entre el emisor y el colector según el nivel de luz que recibe.
Tanto los fototransistores como los fotodiodos pueden utilizarse para detectar la luz, pero el fototransistor es más sensible en vista de la ganancia que proporciona el hecho de que es un transistor bipolar. Esto hace que los fototransistores sean más adecuados en varias aplicaciones.
La idea del fototransistor se conoce desde hace muchos años. William Shockley propuso la idea por primera vez en 1951, no mucho después de que se descubriera el transistor bipolar ordinario. Fue entonces sólo dos años antes de que se demostrara el fototransistor. Desde entonces, los fototransistores se han utilizado en una variedad de aplicaciones, y su desarrollo ha continuado desde entonces.
Los fototransistores están ampliamente disponibles y pueden obtenerse fácilmente a un precio bastante económico en los distribuidores de componentes electrónicos; en vista de su uso en muchos circuitos electrónicos y aplicaciones, están disponibles como parte del inventario estándar de dispositivos semiconductores.
Aplicaciones de los fototransistores
El hecho de que los fototransistores sean fáciles de usar y funcionen bien, dentro de sus limitaciones, significa que estos dispositivos semiconductores se utilizan en una amplia variedad de circuitos electrónicos.
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Cómo Evitar Un CortocircuitoA menudo las aplicaciones son donde se interrumpe un rayo de luz, pero a veces pueden utilizarse para la detección del nivel de luz.
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- Lectores de tarjetas.
- Sistemas de seguridad
- Detectores de infrarrojos.
- Control de iluminación.
- Optoacopladores
- Sistemas de conteo - se interrumpe un rayo de luz o IR por cada artículo contado.
- Control de la luz.
Hay por supuesto, muchas otras aplicaciones donde estos componentes electrónicos se utilizan.
Funcionamiento del fototransistor
El fototransistor utiliza el concepto básico de transistor bipolar como base de su funcionamiento. De hecho, un fototransistor puede hacerse exponiendo a la luz el semiconductor de un transistor ordinario. Los primeros fototransistores se hacían no cubriendo el encapsulado plástico del transistor bipolar con pintura negra.
El fototransistor funciona porque la luz que incide sobre el semiconductor libera electrones/agujeros y hace que la corriente fluya en la región de la base.
Los fototransistores funcionan en su régimen activo, aunque la conexión de la base se deja generalmente en circuito abierto o desconectada porque a menudo no se requiere. La base del fototransistor sólo se utilizaría para sesgar el transistor de modo que fluyera corriente colectora adicional y esto enmascararía cualquier corriente que fluyera como resultado de la fotoacción. Para el funcionamiento, las condiciones de polarización son bastante sencillas. El colector de un transistor NPN se hace positivo con respecto al emisor o negativo para un transistor PNP.
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La luz entra en la región de la base donde hace que se generen pares de electrones huecos. Esta generación se produce principalmente en la unión del colector de la base, que está sesgada al revés.
Los pares de electrones huecos se mueven bajo la influencia del campo eléctrico y proporcionan la corriente de base, haciendo que los electrones se inyecten en el emisor. Como resultado, la corriente de fotodiodo se multiplica por la ganancia de corriente del transistor.
El rendimiento del fototransistor puede ser superior al del fotodiodo para algunas aplicaciones en vista de su ganancia. Como guía aproximada, donde un fotodiodo puede permitir un flujo de corriente de alrededor de 1A en condiciones ambientales típicas, un fototransistor puede permitir un flujo de corriente de 100A. Estas son aproximaciones muy aproximadas, pero muestran el orden de magnitud de los diversos valores y comparaciones.
Uno de los inconvenientes del fototransistor es que es particularmente lento y su respuesta de alta frecuencia es muy pobre. Los fotodiodos son componentes electrónicos mucho más rápidos y se utilizan cuando la velocidad es esencial a pesar de su menor sensibilidad.
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Cómo Funciona un GiroscopioEl símbolo del circuito del fototransistor
Los símbolos de los circuitos estándar son esenciales para cada tipo de componente electrónico, permitiendo que los diagramas de los circuitos se dibujen fácilmente y sean reconocibles por todos. El símbolo del fototransistor consiste en el símbolo básico del transistor bipolar con dos flechas que apuntan hacia la unión del transistor bipolar. Este diagrama representa gráficamente el funcionamiento del fototransistor.
Los fototransistores pueden basarse tanto en transistores NPN como en transistores PNP y, por lo tanto, es perfectamente posible tener un fototransistor PNP, y para ello la dirección de la flecha del emisor se invierte de forma normal.
Se puede ver que el símbolo del fototransistor mostrado no da una conexión de base. A menudo la base se deja desconectada ya que la luz se utiliza para permitir el flujo de corriente a través del fototransistor. En algunos casos la base puede estar sesgada para establecer el punto de operación requerido. En este caso, la base se mostrará de forma normal en el símbolo del fototransistor.
Estructura del fototransistor
Aunque los transistores bipolares ordinarios exhiben los efectos fotosensibles si se exponen a la luz, la estructura del fototransistor está optimizada específicamente para aplicaciones fotográficas. El fototransistor tiene áreas de base y colector mucho más grandes que las que se utilizarían para un transistor normal. Estos dispositivos se fabricaron generalmente utilizando la difusión o la implantación de iones.
Diferencias Entre Cable Trifásico Y MonofásicoLos primeros fototransistores usaban germanio o silicio en todo el dispositivo dando una estructura de homo-junción. Los fototransistores más modernos utilizan materiales semiconductores de tipo III-V como el arseniuro de galio y similares. Las variedades de transistores NPN son más populares en vista de que se utilizan sistemas de tierra negativa, y los transistores NPN se adaptan mejor a este modo de funcionamiento.
Las heteroestructuras que utilizan materiales diferentes a cada lado de la unión PN también son populares porque proporcionan una alta eficiencia de conversión. Generalmente se fabrican utilizando crecimiento epitaxial de materiales que tienen estructuras de rejilla que coinciden.
Estos fototransistores generalmente usan una estructura de mesa. A veces se puede utilizar una unión Schottky (semiconductor metálico) para el colector dentro de un fototransistor, aunque esta práctica es menos común hoy en día porque otras estructuras ofrecen mejores niveles de rendimiento.
A fin de asegurar la conversión óptima y, por lo tanto, la sensibilidad, el contacto del emisor suele estar desplazado dentro de la estructura del fototransistor. Esto asegura que la máxima cantidad de luz llegue a la región activa dentro del fototransistor.
Características del fototransistor
Como ya se ha mencionado, el fototransistor tiene un alto nivel de ganancia resultante de la acción del transistor. Para las homoestructuras, es decir, las que utilizan el mismo material en todo el dispositivo semiconductor, puede ser del orden de unos 50 hasta unos pocos cientos.
Sin embargo, para los dispositivos de heteroestructura, los niveles de ganancia pueden aumentar hasta diez mil. A pesar de su alto nivel de ganancia, los dispositivos de heteroestructura no se utilizan ampliamente porque estos dispositivos semiconductores son considerablemente más costosos de fabricar.
Otra ventaja de todos los fototransistores en comparación con el fotodiodo de avalancha, otro dispositivo que ofrece ganancia, es que el fototransistor tiene un nivel de ruido mucho menor. Los diodos de avalancha de todas las formas son conocidos por los grandes niveles de ruido que generan como resultado del proceso de avalancha.
Una de las principales desventajas del fototransistor es el hecho de que no tiene una respuesta de alta frecuencia particularmente buena. Esto se debe a la gran capacitancia asociada a la unión del colector de base.
Esta unión está diseñada para ser relativamente grande para que pueda captar cantidades suficientes de luz. Para un dispositivo típico de homoestructura, el ancho de banda puede limitarse a unos 250 kHz. Los dispositivos de heterounión tienen un límite mucho más alto y algunos pueden funcionar a frecuencias tan altas como 1 GHz.
Las características del fototransistor bajo diferentes intensidades de luz. Son muy similares a las características de un transistor bipolar convencional, pero con los diferentes niveles de corriente de base reemplazados por los diferentes niveles de intensidad de luz.
Hay una pequeña cantidad de corriente que fluye en el fototransistor incluso cuando no hay luz. Esto se llama la corriente oscura, y representa el pequeño número de portadores que se inyectan en el emisor. Al igual que los portadores generados por la foto, esta también está sujeta a la amplificación por la acción del transistor.
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