fotodiyot-fototransistör

1. ELEKTRİK ELEKTRONİK
MÜHENDİSLİĞİ
FOTODİYOT - FOTOTRANSİSTÖR
Şevket Bedirhan ÇETİN 190113066
Ali AKKOYUN 190113062
Ozan BUDAK 190113036

2. FOTODİYOT NEDİR?
■ Bir fotodiyot, bir elektrik akımı üretmek için ışık enerjisi
tüketen bir PN-eklem diyotudur . Bazen foto dedektör, ışık
dedektörü ve foto sensör olarak da adlandırılır. Bu diyotlar
özellikle ters kutuplama koşullarında çalışacak şekilde
tasarlanmıştır, bu, fotodiyotun P tarafının pilin negatif
terminali ile ilişkili olduğu ve n tarafının pilin pozitif
terminaline bağlı olduğu anlamına gelir. Bu diyot ışığa
karşı çok hassastır, bu nedenle diyot üzerine ışık
düştüğünde ışığı kolayca elektrik akımına dönüştürür.

3. FOTODİYOT NEDİR?
■ Bir fotodiyot, cihazın çalışma moduna bağlı olarak ışığı
akıma dönüştürmek için kullanılan bir tür ışık
dedektörüdür. Bu diyotlar, fotodiyotun yüzey alanı
arttığında yavaş tepki süresine sahiptir. Fotodiyotlar normal
yarı iletken diyotlara benzer, ancak ışığın cihazın hassas
kısmına ulaşmasına izin vermek için görünür
olabilirler. Tam olarak bir fotodiyot olarak kullanılması
amaçlanan birkaç diyot , normal PN bağlantısından biraz
daha fazla bir PIN bağlantısı kullanacaktır.
■ Bazı fotodiyotlar ışık yayan bir diyot gibi
görünecektir . Uçtan gelen iki terminalleri var. Diyotun
küçük ucu katot terminali, diyotun uzun ucu ise anot
terminalidir. İleri polarma koşulu altında, konvansiyonel
akım diyot sembolündeki oku takip ederek anottan katota
doğru akacaktır. Fotoakım ise ters yönde akar.

5. FOTODİYOT ÇEŞİTLERİ
■ Piyasada çok sayıda fotodiyot türü olmasına ve bazıları
başka etkilerle iyileştirilse de hepsi aynı temel prensipler
üzerinde çalışmaktadırlar. Bazı fotodiyot türlerinin
çalışması biraz farklıdır ancak bu diyotların temel çalışma
prensibi aynı kalmaktadır. Fotodiyot türleri yapılarına ve
işlevlerine göre aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir :
■ PN Fotodiyot
■ Schottky Foto Diyot
■ PIN Fotodiyot
■ Çığ Fotodiyodu

6. PN FOTODİYOT
■ PN bağlantı fotodiyotları, fotodiyotların ilk şeklidir. PIN
fotodiyotlarının geliştirilmesinden önce en yaygın
kullanılan fotodiyotlardır . PN bağlantı fotodiyodu ayrıca
basitçe fotodiyot olarak da adlandırılır. Günümüzde PN
bağlantı fotodiyotları yaygın olarak kullanılmamaktadır.
PN FOTODİYOTUN ÇALIŞMA PRENSİBİ
■ PN bağlantı fotodiyoduna harici ışık enerjisi
verildiğinde , tükenme bölgesindeki valans elektronları
enerji kazanır.
■ Fotodiyota uygulanan ışık enerjisi, yarı iletken
malzemenin bant aralığından daha büyükse, değerlik
elektronları yeterli enerji kazanır ve ana atomla bağlarını
koparır . Ana atomla bağını koparan valans elektronu
serbest elektron olur. Serbest elektronlar elektrik
akımını taşıyarak bir yerden başka bir yere serbestçe
hareket ederler.

7. ■ Değerlik elektronu, değerlik kabuğunu
terk ettiğinde, değerlik kabuğunda,
değerlik elektronunun ayrıldığı yerde
boş bir alan oluşur. Değerlik
kabuğundaki bu boş alana delik
denir. Böylece hem serbest
elektronlar hem de delikler çift olarak
üretilir. Işık enerjisi kullanarak
elektron-boşluk çifti oluşturma
mekanizması, iç fotoelektrik etki
olarak bilinir.
■ Tükenme bölgesindeki azınlık
taşıyıcıları, tükenme bölgesi elektrik
alanı ve dış elektrik alan nedeniyle
kuvvet yaşar. Örneğin, tükenme
bölgesindeki serbest elektronlar, p-
tarafında ve n-tarafında tükenme
bölgesinin kenarında bulunan negatif
ve pozitif iyonlardan itici ve çekici
kuvvete maruz kalır. Sonuç olarak,
serbest elektronlar n bölgesine doğru
hareket eder. Serbest elektronlar n
bölgesine ulaştığında, pilin artı
kutuplarına doğru çekilirler. Benzer
şekilde delikler ters yönde hareket
eder.

8. PIN FOTODİYOT
■ PIN fotodiyotları, PN bağlantı fotodiyotlarından geliştirilmiştir. PIN
fotodiyotunun çalışması, PN bağlantı fotodiyoduna benzer, tek
fark, PIN fotodiyotunun performansını artırmak için farklı şekilde
üretilmesidir. PIN fotodiyodu, azınlık taşıyıcı akımını ve yanıt
hızını artırmak için geliştirilmiştir. PIN fotodiyotları, aynı miktarda
ışık enerjisi ile PN bağlantı fotodiyotlarından daha fazla elektrik
akımı üretir.
■ Bir PN bağlantı fotodiyodu, p-tipi ve n-tipi yarı iletken olmak üzere
iki katmandan yapılırken, PIN fotodiyodu, p-tipi, n-tipi ve içsel yarı
iletken olmak üzere üç katmandan yapılır.
■ PIN fotodiyodunda, azınlık taşıyıcı akımını artırmak için p-tipi ve
n-tipi yarı iletken arasına içsel yarı iletken adı verilen bir ek
katman yerleştirilir.

9. ■ PIN FOTODİYOTUN ÇALIŞMA PRENSİBİ
■ Bir PIN fotodiyodu, oldukça dirençli bir iç katmanla ayrılmış p bölgesi ve n
bölgesinden yapılır. İç katman, tükenme bölgesinin genişliğini artırmak için p bölgesi
ile n bölgesi arasına yerleştirilir.
■ p-tipi ve n-tipi yarı iletkenler ağır katkılıdır. Bu nedenle, PIN fotodiyotunun p bölgesi
ve n bölgesi, elektrik akımını taşımak için çok sayıda yük taşıyıcıya sahiptir. Bununla
birlikte, bu yük taşıyıcılar, ters polarma koşulu altında elektrik akımı taşımazlar.
■ Öte yandan, içsel yarı iletken, katkısız bir yarı iletken malzemedir. Bu nedenle, içsel
bölge elektrik akımını iletmek için yük taşıyıcılara sahip değildir.
■ Ters önyargı koşulu altında, n bölgesindeki ve p bölgesindeki çoğunluk yük
taşıyıcıları bağlantı noktasından uzaklaşır. Sonuç olarak, tükenme bölgesinin
genişliği çok genişler. Bu nedenle, çoğunluk taşıyıcıları ters polarma koşulu altında
elektrik akımı taşımazlar.
■ Bununla birlikte, azınlık taşıyıcıları, dış elektrik alanından itme kuvveti yaşadıkları
için elektrik akımı taşıyacaklardır.
■ PIN fotodiyodunda, tükenme bölgesinde üretilen yük taşıyıcıları elektrik akımının
çoğunu taşır. p bölgesinde veya n bölgesinde üretilen yük taşıyıcıları sadece küçük
bir elektrik akımı taşır.
■ PIN diyotuna ışık veya foton enerjisi uygulandığında, geniş tükenme genişliği
nedeniyle enerjinin büyük bir kısmı içsel veya tükenme bölgesi tarafından
gözlenir. Sonuç olarak, çok sayıda elektron-boşluk çifti üretilir.
■ İçsel bölgede üretilen serbest elektronlar n-tarafına doğru hareket ederken, içsel
bölgede üretilen delikler p-tarafına doğru hareket eder. Bir bölgeden başka bir
bölgeye taşınan serbest elektronlar ve boşluklar elektrik akımı taşırlar.
■ Serbest elektronlar ve delikler n bölgesine ve p bölgesine ulaştığında, pilin artı ve
eksi kutuplarına doğru çekilirler.

11. ÇIĞ FOTODİYOT
■ Çığ fotodiyotunun çalışması, çığ çoğalmasını sağlamak için çığ
fotodiyodu durumunda yüksek bir ters ön gerilim uygulanır ve PIN
fotodiyoduna benzer. Ek olarak p bölgesi eklenir.
■ Çığ fotodiyoduna yüksek ters öngerilim voltajı uygulamak, yük
taşıyıcılarının üretimini doğrudan artırmayacaktır. Bununla birlikte,
gelen ışık tarafından üretilen elektron-boşluk çiftlerine enerji sağlar.
■ Çığ fotodiyoduna ışık enerjisi uygulandığında, tükenmede elektron
deliği çiftleri üretilir. Üretilen elektron deliği çiftleri, tükenme bölgesi
elektrik alanı ve harici elektrik alan nedeniyle bir kuvvet yaşar.
■ Çığ fotodiyodunda, çok yüksek bir ters ön gerilim, azınlık taşıyıcılara
(elektron deliği çiftleri) büyük miktarda enerji sağlar. Büyük miktarda
enerji kazanan azınlık taşıyıcıları daha yüksek hızlara çıkarılır.
■ Yüksek hızda hareket eden serbest elektronlar atomla çarpıştığında
daha fazla serbest elektron koparırlar. Yeni üretilen serbest
elektronlar tekrar hızlandırılır ve diğer atomlarla çarpışır. Atomlarla bu
sürekli çarpışma nedeniyle, çok sayıda azınlık taşıyıcı
üretilir. Böylece çığ fotodiyotları, PN ve PIN fotodiyotlarından daha
fazla sayıda yük taşıyıcı üretir.

13. SCHOTTKY
FOTO DİYOT
■ PIN ve çığ fotodiyotlarının her ikisi
de pn-kavşağı tabanlı
cihazlardır. Buna karşılık, Schottky
fotodiyodu , fotojenleştirilmiş yük
taşıyıcılarını ayırmak ve toplamak
için bir metal-yarı iletken bağlantı
kullanır.
■ SCHOTTKY FOTO DİYOT
ÇALIŞMA PRENSİBİ
■ Fotonlar, kısmen saydam bir metalik
katmandan (genellikle altın) geçer
ve n-tipi yarı iletkende
emilir. Tükenme bölgesinde üretilen
yük taşıyıcıları, yerleşik elektrik alan
tarafından verimli bir şekilde
süpürülür. Bu olay fotoakıma yol
açar.Tıpkı bir PIN fotodiyodunda
olduğu gibi tükenme bölgesi N+
katmanına kadar uzanır. Schottky
fotodiyotunun yapısı ve işleyişi, p-
tipi bir katmanın olmaması dışında,
bir PIN fotodiyoduna benzer.

15. FOTODİYOTUN ÇALIŞMA
MODLARI
■ Fotodiyotun çalışma modları, Fotovoltaik mod, Fotoiletken
mod, Çığ diyot modu olmak üzere üç mod içerir.
■ Fotovoltaik Mod
■ Fotovoltaik modda, fotodiyot tarafsızdır. Başka bir deyişle, fotovoltaik
modda fotodiyoda harici voltaj uygulanmaz.
■ Fotovoltaik modda, karanlık akım çok düşüktür. Fotovoltaik modda
çalıştırılan fotodiyotlar düşük tepki hızına sahiptir.
■ Fotovoltaik modda çalışan fotodiyotlar genellikle düşük hızlı
uygulamalar veya düşük ışık seviyelerini algılamak için kullanılır.
■ Fotoiletken Mod
■ Fotoiletken modda, fotodiyota harici bir ters polarizasyon gerilimi
uygulanır.
■ Ters öngerilim voltajı uygulamak, tükenme bölgesinin genişliğini
arttırır ve bağlantı kapasitansını azaltır, bu da yanıt hızının artmasına
neden olur. Ters önyargı ayrıca karanlık akımı da arttırır.
■ Foto iletken modda çalışan fotodiyotlar yüksek gürültü akımına
sahiptir. Bunun nedeni, fotodiyottan akan ters doyma akımıdır.

16. ■ Çığ Diyot Modu
■ Çığ diyotları, foto ile üretilen her bir elektron deliği çiftinde
bir çığ kırılmasının çoğalmasına izin veren yüksek bir ters
polarizasyon koşulunda çalışır. Bu sonuç, fotodiyotta cihaz
yanıtını yavaş yavaş artıran dahili bir kazançtır.
■ Karanlık Akım Nedir?
■ Karanlık akım, ışıksız durumda fotodiyotta akan
kaçak akımdır. Sıcaklık arttığında fotodiyottaki
karanlık akım artar. Fotodiyotu oluşturmak için
kullanılan malzeme de karanlık akımı etkiler.

17. FOTODİYOT V-I GERİLİM
KARAKTERİSTİĞİ
■ Bir fotodiyot sürekli olarak ters
polarma modunda
çalışır. Fotodiyodun özellikleri
aşağıdaki şekilde açıkça
gösterilmiştir, fotoakım uygulanan
ters ön gerilimden neredeyse
bağımsızdır. Sıfır parlaklık için,
küçük karanlık akım dışında
fotoakım neredeyse sıfırdır. Nano
amper mertebesindedir. Optik güç
arttıkça fotoakım da doğrusal olarak
yükselir. Maksimum fotoakım,
fotodiyotun güç dağılımı nedeniyle
eksiktir.

18. FOTODİYOT UYGULAMALARI
1. Kompakt disk oynatıcılar
2. Duman dedektörleri
3. Uzay uygulamaları
4. Fotodiyotlar, bilgisayarlı tomografi,
örnekleri analiz eden aletler ve nabız
oksimetreleri gibi tıbbi uygulamalarda
kullanılır.
5. Fotodiyotlar optik iletişim için kullanılır.
6. Fotodiyotlar, son derece düşük ışık
yoğunluklarını ölçmek için kullanılır.

19. FOTODİYOTUN AVANTAJ ve
DEZAVANTAJLARI
■ Avantajları
Daha az direnç
Hızlı ve yüksek çalışma hızı
Uzun ömür.
En hızlı fotodedektör.
Yüksek voltaj kullanmaz.
Frekans tepkisi iyidir.
Karanlık akım daha azdır.
Yüksek kuantum verimliliği.
Daha az gürültü.
■ Dezavantajları
Sıcaklık kararlılığı zayıftır.
Akım içindeki değişim son
derece küçüktür, bu nedenle
devreyi sürmek için yeterli
olmayabilir.
Yüksek tepki süresi
Asıl olarak sıcaklığa bağlı
olarak çalışır.

20. FOTOTRANSİSTÖR
NEDİR?
Fototransistör gibi bir yarı iletken cihaz,
ışığa duyarlı bir taban bölgesine sahip üç
katman içerir. Burada taban bölgesi ışığı
algılar ve onu yayıcı ve toplayıcı gibi iki
bölge arasında beslenen akıma
dönüştürür. Fototransistör yapısı, taban
bölgesi dışında sıradan bir transistör gibi
yapılabilir. Bu tip transistörlerde taban
bölgesine akım akışı sağlanmaz, ancak
ışık enerjisi giriş olarak kullanılabilir.

21. FOTOTRANSİSTÖRÜN ÇALIŞMA PRENSİBİ
■ Bir fototransistörün çalışması, taban bölgesine
düşen radyasyonun yoğunluğuna bağlıdır. Bununla
birlikte, çalışması neredeyse normal bir transistöre
benzer; varyasyon, devreyi çalıştıran giriş
akımındadır. Ve bir fototransistör durumunda, gelen
ışık sürüş akımı üretir.
■ Yandaki şekil, bir fototransistörün polarizasyon
düzenlemesini temsil etmektedir.
■ Devre düzenlemesinde, taban bölgesinin harici
besleme gerilimi ile bağlantısız tutulduğunu ve
radyasyon insidansı için bölge olarak kullanıldığını
açıkça görebiliriz. Negatif tarafa bağlanan emitör ile
sağlanan kaynağın pozitif tarafına sadece kollektör
bölgesi bağlanır. Ancak çıkış, transistörün verici
terminalinde alınır.
■ Transistörün taban bölgesinde herhangi bir ışığın
oluşmasına izin verilmediğinde, sıcaklık değişimi
nedeniyle, azınlık taşıyıcıların bağlantı noktası
boyunca hareketi, transistör boyunca temelde
karanlık akım olarak adlandırılan ters doyma akımı
olan çok küçük bir akım üretir. Burada temel
akım IBeyz 0’dır. İşte bu durumda çıkış akımı
sağlanan beslemeye göre daha az olacaktır. Ancak,
transistörün tabanına belirli bir miktarda ışık
enerjisinin düşmesine izin verildiğinde, elektron ve
boşluk çifti oluşur. Uygulanan elektrik alan,
elektronların yayıcı bölgeye hareket etmesine ve
böylece büyük elektrik akımı oluşmasına neden
olur.

22. FOTOTRANSİSTÖR TÜRLERİ
■ Fototransistörler BJT ve FET olmak üzere iki tipe
ayrılır.
■ BJT Fototransistör
■ Işık eksikliğinde, BJT fototransistörü kollektörler arasında
sızıntıya izin verir. Bu sızıntı akımı 100 nA’liktir ve bir
emitör seviyesi için düşüktür. Bu transistör ışına maruz
kaldığında 50mA'ya kadar performans gösterir. Bu, onu
fazla akıma izin vermeyen fotodiyottan ayırır.
■ FET Fototransistör
■ Bu tür bir fototransistör, içeriye bağlanan iki
terminal içerir. Bunlar source ve drain
terminalleridir. Transistörün gate terminali ışığa
tepki verir ve terminaller arasındaki akım akışını
kontrol eder.

24. FOTOTRANSİSTÖR V-I
KARAKTERİSTİĞİ
■ Aşağıdaki grafikte, x ekseni, transistörün kollektör-emitör bölgesinde
uygulanan voltajı, y ekseni ise mA cinsinden cihaz boyunca kollektör akım
beslemesini gösterir. Aşağıdaki grafikten, kollektör bölgesindeki akım akışının
gelen ışık şiddeti ile nasıl değiştiğini görebiliriz.
■ Kollektör terminalindeki akım, ışığın yoğunluğuyla artar. Kollektör bölgesindeki
akım, ışık yoğunluğunun yanı sıra dalga boyuna göre değişir. Yukarıdaki grafikte,
baz terminaline düştüğünde akımın ışık yoğunluğu ile arttığını görebiliriz. Ve
aynı zamanda, ışık yoğunluğundaki fark yoluyla temel akım içindeki farkı da
ifade eder.

25. FOTOTRANSİSTÖR
UYGULAMALARI
• Işık algılama ve kontrol için
• Sayım sistemlerinde ve delikli kart
okuyucularda
• rölelerde
• Alarm Sistemleri
• Seviye Göstergeleri
• Yakınlık Dedektörleri
• Kodlayıcılar

26. FOTOTRANSİSTÖRÜN
AVANTAJ ve DEZAVANTAJLARI
■ Avantajları
1. Oldukça hassas bir
optoelektronik cihazdır.
2. Daha az karmaşık ve
ucuzdur.
3. Fototransistörler, yüksek
kazançlı büyük bir çıkış akımı
sağlar.
■ Dezavantajları
1. Düşük frekanslı bir yanıt
sağlar.
2. Az miktarda aydınlatma
sağlandığında, devre bunu
etkin bir şekilde algılayamaz.
3. Elektrik dalgalanmaları
fotodiyot yerine
fototransistörlerde daha
şiddetlidir.
4. Fototransistörler
elektromanyetik enerjideki
değişimden etkilenir.

28. TEŞEKKÜRLER
