Fototransistor

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Ein Foto- bzw. Phototransistor ist ein Bipolartransistor mit pnp- oder npn-Schichtenfolge, dessen pn-Übergang der Basis-Kollektor-Sperrschicht einer externen Lichtquelle zugänglich ist. Er ähnelt somit einer Photodiode mit angeschlossenem Verstärkertransistor. Die Ansteuerung des Transistors wird mittels des über den Lichteinfall erzeugten Sperrstromes durch diese Sperrschicht realisiert.

Der erste Phototransistor wurde 1948 von John Northrup Shive in den Bell Laboratories entwickelt.[1] Erste Anwendungen von Fototransistoren lagen im Jahr 1950 bei dem Routing von Telefongesprächen in automatischen Vermittlungsstellen, wo Fototransistoren zum optischen Auslesen der Steuerinformation aus Lochkarten genutzt wurden.[2]

Schaltzeichen
npn-Foto-
transistor
pnp-Foto-
transistor
Fototransistor (quadratischer Silizium-Chip in der Mitte) mit herausgeführter Basis (Ringstruktur, Bonddraht führt nach rechts). Emitteranschluss mit Bonddraht nach unten, Kollektoranschluss durch Montage zum Gehäuse

Funktionsweise und Aufbau[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die lichtempfindliche Fotodiode liegt schaltungstechnisch parallel zu den Kollektor-Basis-Anschlüssen des Transistors. Licht, das durch das klare Gehäuse direkt oder durch eine Linse im ansonsten geschlossenen Gehäuse auftrifft, lässt durch den inneren photoelektrischen Effekt einen geringen Photostrom fließen, der im Transistor um den Stromverstärkungsfaktor zu dem Kollektorstrom verstärkt wird. Der Stromverstärkungsfaktor liegt im Bereich je nach Typ in der Größenordnung von 100 bis 1000, womit der Kollektorstrom um diesen Faktor größer ist als der Fotostrom einer Fotodiode.

Fototransistoren haben meist nur zwei herausgeführte Anschlüsse – den Kollektor und den Emitter. Es gibt jedoch auch Ausführungen mit herausgeführtem Basis-Anschluss – z. B. zum Regeln des Arbeitspunktes. Bleibt die Basis unbeschaltet, dauert es relativ lange, bis die Basis-Emitter-Zone frei von Ladungsträgern wird. Daher resultiert u. a. das langsame Ausschaltverhalten des Fototransistors. Zusätzlich verringert der Millereffekt die Reaktionsgeschwindigkeit bei schnellen Helligkeitsänderungen. Wird eine hohe Grenzfrequenz gefordert, müssen Photodiode und Transistorfunktion getrennt werden.

Anwendungsgebiete[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Fototransistoren sind wesentlich empfindlicher als Photodioden, da sie gleichzeitig als Verstärker wirken. Anwendung finden sie beim Detektieren von oder Übertragungen via Licht, zum Beispiel Lichtschranken, Dämmerungsschalter, Optokoppler. In den Empfangseinheiten von Fernbedienungen werden jedoch Photodioden eingesetzt, da Fototransistoren für diese Anwendung zu langsam sind. Bei diesen, wie auch bei Lichtschranken und Optokopplern, wird nicht mit sichtbarem Licht gearbeitet, sondern mit Infrarot.

Empfangswellenlänge[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Fototransistor – Gesamtansicht zu Bild oben

Die Wellenlänge der maximalen Empfindlichkeit eines Silizium-Fototransistors liegt bei etwa 850 nm (Nahes Infrarot) und fällt hin zu kürzeren Wellenlängen (sichtbares Licht, Ultraviolett) ab. Die Empfindlichkeit des Typs BP103 (Metallgehäuse, siehe Bilder) beträgt zum Beispiel bei 420 nm noch 10 % des Wertes bei 850 nm.

Der Empfangswellenlängen-Bereich wird hin zu größeren Wellenlängen durch die Energie der Bandkante von Silizium bei etwa 1100 nm begrenzt und endet dort (Rotgrenze).

Bauformen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die hinsichtlich Produktionsvolumen häufigsten Fototransistoren werden – ähnlich wie Leuchtdioden – lediglich in transparenten Kunststoff verkapselt. Meist werden mit dem Planar-Epitaxie-Verfahren hergestellte npn-Transistoren verwendet. Der Chip ist dabei auf das Kollektor-Anschlussbein gebondet und besitzt lediglich einen per Drahtbonden realisierten Emitteranschluss. Der Basisanschluss ist normalerweise nicht herausgeführt. Das Gehäusematerial kann als Linse ausgebildet sein. Die bedrahteten Bauteile können vertikal oder zur Seite „schauen“.

Fototransistoren für hochwertigere Anwendungen werden in Metallgehäusen mit Fenster oder (Kunststoff-)Linse verkapselt. Sie besitzen oft einen herausgeführten Basisanschluss.

Fototransistoren in Optokopplern sind lichtundurchlässig verkapselt und besitzen zur Sendediode hin einen transparenten, oft außen verspiegelten Kunststoffkörper.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Ekbert Hering, Klaus Bressler, Jürgen Gutekunst: Elektronik für Ingenieure und Naturwissenschaftler ; mit 119 Tabellen. 5. Auflage. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-24309-7.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Michael Riordan, Lillian Hoddeson: Crystal Fire: The Invention of the Transistor and the Birth of the Information Age. ISBN 978-0-393-31851-7.
  2. Bell Laboratories RECORD (Hrsg.): The phototransistor. 1950 (Online).