Ratgeber
Halbleitermaterialien verändern ihre Leitfähigkeit durch äußere Einflüsse, z. B. Einwirken eines elektrischen Feldes, Wärme- oder Lichtbestrahlung. Letztere Eigenschaft nutzt man, um Bauelemente zu realisieren, die sich mit Hilfe von Lichteinstrahlung steuern lassen, um damit Funktionen in elektronischen Systemen auszulösen. Zu diesen Optoelektronik-Bauelementen gehören die Fototransistoren.
Ähnlich wie eine Fotodiode arbeitet ein Fototransistor mit einer Halbleiterstruktur, deren Eigenschaften von einfallendem Licht verändert wird. Ein Fototransistor hat prinzipiell einen ähnlichen Aufbau wie ein üblicher Transistor. Der Unterschied besteht darin, dass das Gehäuse so gestaltet ist, dass auf die Basis-Kollektor-Sperrschicht, die als Fotodiode fungiert, von außen Licht fallen kann. Die Sperrschicht ist die Zone zwischen p- und n-leitendem Material, durch die nur in Flussrichtung Strom fließen kann, in Sperrrichtung hingegen nicht.
Licht besteht bekanntlich aus Lichtquanten, den Photonen. Wenn diese auf den pn-Übergang auftreffen, sorgen sie dafür, dass in der in Sperrrichtung polarisierten Grenzschicht auf Grund des inneren lichtelektrischen Effekts freie Elektronen aus der atomaren Struktur gelöst werden.
Diese führen zu einem Stromfluss in die Basis des Transistorsystems, dem sogenannten "Fotostrom", der direkt von der Beleuchtungsstärke abhängig ist. Dieser Basisstrom führt wie bei einem normalen Transistor zu dem um den Verstärkungsfaktor höheren Kollektorstrom. Ein Phototransistor kann deswegen vom einfallenden Licht gesteuert werden.
Ein Basisanschluss ist deshalb überflüssig, wird aber bei einigen wenigen Spezialtypen eingebaut, um im Transistor den Arbeitspunkt von außen einstellen oder eine Schaltfunktion realisieren zu können. Die meisten Fototransistoren werden deshalb in einem zweipoligen Gehäuse angeboten.
Der innere lichtelektrische Effekt hängt ähnlich wie bei Fotodioden vom molekularen Aufbau des verwendeten Halbleitermaterials ab. Deshalb liegt das Maximum der spektralen Empfindlichkeit je nach Material in unterschiedlichen Bereichen des Lichtspektrums. Im unteren langwelligen Bereich liegt die Grenze für Silizium bei einer Wellenlänge von etwa 1.200 nm. Die Wellenlänge im oberen kurzwellige Bereich hängt von der Oberfläche des Halbleiters sowie dem Fenstermaterial des Gehäuses ab und liegt typischerweise bei einer Wellenlänge von etwa 400 nm.
Der Vorteil von Fototransistoren im Vergleich zu Fotodioden ist deren höhere Empfindlichkeit, denn der Fotostrom des pn-Übergangs wird im Transistorsystem intern um einen Faktor von etwa 200 bis 500 verstärkt. Allerdings arbeitet der lichtelektrische Effekt von Fototransistoren langsamer als der von Photodioden, d. h. impulsartige Änderungen haben eine längere Anstiegszeit. Deshalb liegt die maximale Schaltfrequenz von Fototransistoren bei etwa 250 kHz. Im Vergleich zu Fotowiderständen ist die Linearität von Fototransistoren deutlich besser, aber nicht so gut wie die von Fotodioden.
Die praktische Ausführung von Fototransistoren hängt von deren jeweiligen Anwendungen ab. So unterscheiden sich die einzelnen Typen durch den Spektralbereich, in dem sie die höchste Empfindlichkeit aufweisen, sowie dem Erfassungswinkel des einfallenden Lichts, der zwischen etwa 10° und maximal 70° liegt. Dieser Winkel bestimmt, ob die Erfassung auf einen schmalen Sektor fokussiert ist oder in der Breite wirken soll.
Eingebaut sind die Halbleiterchips der Phototransistoren in unterschiedlichen Gehäusetypen, die an die jeweiligen Anwendungen angepasst sind. So zum Beispiel in runden Gehäusen der 3-mm- oder 5-mm-Bauform (Bild 1), wie sie auch bei Leuchtdioden üblich ist. Bei diesen Typen besteht das Gehäusematerial entweder aus klarem Kunststoff oder solchem Kunststoff, der nur Infrarotstrahlung durchlässt. Andere Typen sind in kleinen bedrahteten Metallgehäusen, z. B. TO-18 (Bild 2) oder ähnliche, untergebracht.
Besonders platzsparend sind die Fototransistoren, die in oberflächenmontierbaren SMD-Gehäusen mit zwei Anschlüssen (Bild 3) untergebracht sind. Darüber hinaus werden Fototransistoren in speziellen bedrahteten Kunststoff- oder Epoxy-Gehäusen angeboten.
1. Fototransistor radial bedrahtet im 5 mm-Kunststoffgehäuse
2. Fototransistor im dichtem TO-18-Gehäuse
3. Transistor im oberflächenmontierbaren SMD-Gehäuse
Fototransistoren werden als empfindliche Lichtsensoren für Anwendungen beim Messen, Steuern und Regeln verwendet. Beispiele dafür sind Lichtschranken, optische Scanner oder analoge Spurführungssysteme in der Industrieelektronik. Üblicherweise werden Fototransistoren so geschaltet, dass der Kollektor direkt an der Betriebsspannung und der Arbeitswiderstand zwischen Emitter sowie Masse liegt. Damit ergibt sich für das Ausgangssignal ein eindeutiger Massebezug, was die Realisierung von Schnittstellen zu einer Auswerteelektronik, z. B. einem Mikrocontroller, erleichtert.
Es gibt auch Phototransistoren, bei denen im Gehäuse ein Schwellwertschalter integriert ist. Der sorgt dafür, dass das Bauelement in einem eng definierten Bereich schaltet und störende Einflüsse des Umgebungslichtes unterdrückt werden. Gabellichtschranken und Optokoppler arbeiten in der Regel auch mit integrierten Fototransistoren.
Das wichtigste Auswahlkriterium von Fototransistoren ist der Spektralbereich, d.h. der Bereich der Wellenlänge, in denen das Bauelement betrieben werden soll, beispielsweise sichtbares Licht oder Infrarot. In den Datenblättern wird dieser in Form einer Kurve dargestellt. Als weiterer wichtige Parameter wird der Erfassungswinkel der Lichteinstrahlung angegeben. Als Maß für die Empfindlichkeit wird der Fotostrom bei einer definierten Beleuchtungsstärke mit einer Lichtquelle einer bestimmten Wellenlänge angegeben.
Wie alle anderen Halbleiter sind auch Fototransistoren hitzeempfindlich. Deshalb ist bei der Montage darauf zu achten, dass der Lötvorgang möglichst kurz ist. Im Betrieb macht sich mit zunehmender Temperatur wachsender Rauschpegel bemerkbar. Deshalb dürfen die in den Datenblättern angegebenen Grenzwerte für Temperatur und Verlustleistung nicht überschritten werden.