Fototransistör ve Fotodiyotlar

Fototransistör ve Fotodiyotlar 

Fototransistörler, elektrik akımını ışık ile kontrol eden devre elemanlarıdır. Genel olarak her türlü transistör, ışığı görecek şekilde şeffaf muhafazalara konulsaydı, fototransistör olarak kullanılabilirdi. Ancak fototransistörlerde bazı etki gözönüne alınarak diğre transistörlerden farklı bir tasarım tekniği kullanılmıştır.
Fototransistörün çalışma prensibi, yarıiletkenler üzerindeki ışık etkisinin bir sonucudur. Gerilim tatbik edilmiş bir yarıiletken üzerine uygun dalga boyunda bir ışık düşürüldüğünde + ve - yüklü tanecikler oluşur ve devre üzerinden akarlar. Bu akma miktarı, uygulanan ışık miktarına bağlıdır. Bu şekilde ışık miktarı ile orantılı bir elektrik akımı doğmuş olur.


Şekil 12

Bir fototransistörde + ve - yüklü tanecikler aslında kollektör - beyz sınırı yakınlarında oluşur. Şekil 12 'de görüldüğü gibi NPN tipi bir transistörde ışık etkisi ile oluşan + tanecikler beyzde toplanırlar. Yani ışık etksiyle beyzde oluşan + tanecikler orada kalırlar, kollektörde oluşanlar ise kuvvetli bir manyetik alan etkisiyle beyze doğru çekilirler. Aynı şekilde ışık etkisiyle oluşan - tanecikler (elektronlar) ise kollektörde toplanırlar. Biriken bu + ve - yüklü tanecikler bir noktada birikmek yerine düzgün bir şekilde dağılmak isterler. Bu yüzden + tanecikler (elektronlar) ise kollektörde toplanırlar. Biriken injekte edilirler. Bu ise emiterden beyze doğru elektron injekte edilmesine yol açar. Emiter injeksiyonu beyz injeksiyonuna nazaran çaok daha fazla olduğu için emitere injekte edilen bir + tanecik, beyze çok sayıda elektron injeksiyonuna sebep olur. İşte bu noktada bilinen transistör çalışma şekli oluşur. Emiterden injekte edilen elektronlar beyze geçerek kollektöre doğru çekilirler. Orada ışık etkisiyle oluşan elektronlarla birleşerek ışıkla oluşmuş elektrik akımını meydana getirirler.
Asıl ışık etkili taneciklerin oluşması kollektör beyz bölgesinde meydana geleceğinden dolayı bu bölge ne kadar büyük olursa, ışık etkisinden dolayı oluşacak elektrik akımı da o ölçüde büyük olacaktır. İşte bu yüzden fototransistörlerin beyz alanı, Şekil 13 'de de görüldüğü gibi gelen ışığa geniş bir yüzey teşkil edecek şekilde tasarımlanmaktadır.
Bir fototransistör iki veya üç bacaklı olabilir. Üç bacaklı olanlarda beyz, bir terminal ile dışarıya verilmiştir. Bu tip fototransistörler, normal bipolar transistörler gibi kullanılabilirler. Işık gören pencere kapatılmaz ise normal transistör çalışması ile beraber ışık etkisi de ilave edilmiş olur. İki bacaklı olanlarda ise beyze bağlı bacak kaldırılmıştır. Bu durumda sadece ışık ile çalışma söz konusudur.



Şekil 13Fotodiyotlar, ters yönde polarlandıkları zaman üzerlerine düşen ışıkla orantılı olarak kaçak akımları değişen diyotlardır. Bilindiği gibi diyotlar ters yönde (blokaj yönünde) polarlandıklarında µA veya nA seviyesinde kaçak akımlar oluşur. İşte fotodiyotlar, üzerlerine düşen ışık miktarı arttıkça bu kaçak akımların artması prensibine dayanarak yapılmışlardır. Kaçak akımlardaki ışığa bağlı değişim elektronik yükselteç devreleriyle yükseltilerek dedektör olarak kullanılmaktadır.

Mercek Sistemleri

Fototransistör veya fotodiyot (dedektör) ile kullanılacak bir mercek sistemi, dedektörün hassasiyetini büyük ölçüde arttıracaktır. Şekil 14(a) da görüldüğü gibi şiddeti I olan bir nokta kaynağın bir dedektör üzerindeki yoğunluğu,

H = I / d2 'dir. Burada d aradaki mesafedir.



Şekil 14(a) - 14(b)Şekil 14(b) de ise kaynak ve dedektör arasına bir mercek yerleştirimesi halindeki durum görülmektedir. Burada kaynaktan merceğe olan d' mesafesinin, d 'ye eşit olduğu varsayılmıştır. Yani d' d dir.
Eğer dedektör alan olarak yuvarlak ise:
PD = PL = H'(rL)2 dir.

Burada,
PD : Dedektör üzerine düşen ışık akısı.
PL : Mercek üzerine düşen ışık akısı.
H' : Mercekteki akı yoğunluğu.
rL : Mercek yarıçapıdır.
d' d olduğundan,
Dedektör üzerindeki akı yoğunluğu:
HD = PD / AD olup AD = rd2 dir. (AD : Dedektör alanı)
Böylece HD = 1 / d2 (rL / rd)2 olur.
Bu durumda dedektör üzerine mercek ile düşen ışık miktarının mercek yokken düşen miktara oranı,
HD / H = [I/d2(rL/rd)2] / (I/d2) = (rL/rd)2 olur.
Bu formülden da anlaşılacağı gibi eğer mercek yarıçapı dedektör yarıçapından büyük ise, dedektör üzerine düşen ışık miktarı artmaktadır. Mercekteki kayıpları da dikkate alırsak mercekli bir sistemin kazancı R aşağıdaki gibi ifade edilebilir.
R = 0,9 (rL/rd)
Burada dikkat edilecek husus, mercek sisteminin uygun olarak yerleştirilmesidir. Biçimsiz yerleştirilen bir merceğin faydadan çok zararı olmaktadır. Örneğin Şekil 15 'de kendi merceği olan bir fototransistörün önüne diğer bir mercek konulması neticesinde sistemin veriminin bozulması gösterilmiştir.



Şekil 15Bu sistemin verimli olabilmesi için ışınların fototransistöre paralele olarak gelmesi gerekir. Halbuki konan ikinci mercek, paralel gelen ışınların bu niteliğini yok etmektedir. Şekil 16 'da ise verimli bir mercek sistemi gösterilmiştir. 1. mercek gelen ışınları toplamakta, 2. mercek ise bunları paralele ışınlar haline çevirmektedir. Böylece dedektörün yüzey alanı, 1. merceğin yüzey alanına eşdeğer olmaktadır.


Şekil 16



Foto Diyot

Foto diyot ışık enerjisiyle iletime geçen diyottur.
Foto diyotlara polarma geriliminin uygulanışı normal diyotlara göre ters yöndedir. Yani anoduna negatif (-), katoduna pozitif (+) gerilim uygulanır.
Sembolü:

Başlıca foto diyotlar şöyle sıralanır:

• Germanyum foto diyot
• Simetrik foto diyot
• Schockley (4D) foto diyodu

1. Germanyum FotoDiyot

Aslı alaşım yoluyla yapılan bir NP jonksiyon diyotudur. Cam veya metal bir koruyucu içerisine konularak iki ucu dışarıya çıkartılır. (Şekil 3.26).
Koruyucunun bir tarafı, ışığın jonksiyon üzerinde toplanmasını sağlayacak şekilde bir mercek ile kapatılmıştır.
Diyodun devreye bağlanması sırasında firmasınca uçlarına konulan işarete dikkat etmek gerekir. Hassas yüzeyi çok küçük olduğundan, 1.-3mA 'den daha fazla ters akıma dayanamaz.
Aşırı yüklemeyi önlemek için, bir direnç ile koruyucu önlem alınır. Işık şiddeti arttırıldıkça ters yön akımı da artar.



Şekil 3.26 - Germayum Foto diyot

Foto Diyodun Çalışma Prensibi

Foto diyot ters polarmalı bağlandığından üzerine ışık gelmediği müddetçe çalışmaz. Bilindiği gibi ters polarma nedeniyle P-N birleşme yüzeyinin iki tarafında "+" ve "-" yükü bulunmayan bir nötr bölge oluşmaktadır.


Şekil 3.27 'de görüldüğü gibi birleşme yüzeyine ışık gelince, bu ışığın verdiği enerji ile kovalan bağlarını kıran P bölgesi elektronları, gerilim kaynağının pozitif kutbunun çekme etkisi nedeniyle N bölgesine ve oradan da N bölgesi serbest elektronları ile birlikte kaynağa doğru akmaya başlar.
Diğer taraftan, kaynağın negatif kutbundan kopan elektronlar, diyodun P bölgesine doğru akar.



Şekil 3.27 - Foto diyodun çalışması

1. Yapısal gösterimi
2. Sembolik gösterimi

2. Simetrik FotoDiyotlar

Alternatif akım devrelerinde kullanılmak üzere, Şekil 3.28 'de görüldüğü gibi NPN veya PNP yapılı simetrik fotodiyotlar da üretilmektedir.



Şekil 3.28 - Simetrik foto diyot 
Işığa Duyarlı Diyotların Kullanım Alanları: 

Uzaktan kumanda, alarm sistemi, sayma devreleri, yangın ihbar sistemleri, elektronik hesap makineleri, gibi çeşitli konuları kapsamaktadır.

Şekil 3.29 'da ışığa duyarlı elemanların, foto elektrik akımının (Iph) ışık şiddetine göre değişimleri verilmiştir.



Şekil 3.29 - Çeşitli ışığa hassas elemanların akımlarının ışık şiddeti ile değişimleri