Fototransistor
Englisch: phototransistor
Ein Halbleiterbauelement, dessen elektrische Eigenschaften lichtempfindlich sind.
Phototransistor: Licht macht ihn zum Stromverstärker
Ein Phototransistor ist ein Halbleiter, der Lichtdetektor und Verstärker in einem Bauteil vereint. Wenn Photonen auf seinen PN-Übergang treffen, erzeugen sie Elektronen-Loch-Paare, die einen Basisstrom auslösen. Die Transistorstruktur verstärkt diesen Strom dann um den Faktor 100 bis 1000 oder mehr. Dieser eingebaute Gewinn macht Phototransistoren bei gleicher Photonenflussrate deutlich empfindlicher als Fotodioden und eignet sich besser für Niedriglicht-Sensoranwendungen.
Das Bauteil ist typischerweise ein Bipolartransistor (BJT) mit freiliegender oder sehr schwach dotierter Basiszone. Im Dunkeln hat er fast null Kollektorstrom. Mit steigender Lichtintensität wird der Photostrom in der Basis durch den Stromverstärkungsfaktor des Transistors vervielfacht und erzeugt einen entsprechend größeren Kollektorstrom. Die Wellenlängenempfindlichkeit hängt vom Halbleitermaterial ab: Silizium-Phototransistoren haben ein Maximum bei etwa 800 bis 950 Nanometern im nahen Infrarot; Germanium hat eine erweiterte Reaktion weiter ins Infrarot, aber mit höherem Dunkelstrom und niedrigerer Geschwindigkeit.
Übliche Schaltungen und Grenzen
Phototransistoren gibt es als zweipoliges Bauteil (Emitter und Kollektor) oder dreipoliges Bauteil (mit zugänglicher Basis). Die dreipolige Ausführung ermöglicht manuelle Empfindlichkeitseinstellung über Vorspannung der Basis, kommt aber in der Serienfertigung selten vor. Die Ansprechzeit liegt typischerweise bei 10 bis 100 Mikrosekunden, je nach Lastwiderstand und Transistortyp; das ist viel langsamer als eine Fotodiode allein, ein echter Nachteil für schnelle Schaltvorgänge oder Modulation. Der Dunkelstrom steigt mit der Temperatur stark an, daher ist Temperaturkompensation in Präzisionsschaltungen notwendig.
Der Kompromiss zwischen Empfindlichkeit und Geschwindigkeit zusammen mit Nichtlinearität bei hohen Lichtstufen beschränkt den Einsatz auf mäßig schnelle Niedriglicht-Detektionsaufgaben. Typische Anwendungen sind Infrarot-Fernbedienungsempfänger, Objektzählschranken und Umgebungslicht-Sensoren in Unterhaltungselektronik. Für Hochgeschwindigkeits-Faseroptik-Empfänger oder Präzisions-Analogarbeiten wählen Ingenieure oft eine Fotodiode kombiniert mit einem separaten Transimpedanz-Verstärker, tauschen also Bauteilzahl gegen bessere Leistung ein.