Come funziona un fototransistor: amplificazione di corrente controllata dalla luce

Un fototransistor è un bipolar junction transistor (BJT) sensibile alla luce dove la corrente di base è generata da fotoni incidenti anziché da una connessione elettrica. Combina un fotodiodo (luce-corrente) con un transistor (guadagno di corrente) in un'unica struttura.

Struttura

• Giunzione Collettore-Base: ampia area, inversamente polarizzata — il collettore di luce.
• Regione Base: sottile, leggermente drogata — zona di assorbimento dei fotoni.
• Emettitore: pesantemente drogata — inietta portatori di maggioranza.
• Nessun morsetto di base esterno (di solito): 2 morsetti (Collettore, Emettitore) o 3 morsetti (base portata fuori per controllo di polarizzazione).

Sequenza operativa

1. Assorbimento di fotoni: la luce (λ abbinata al bandgap) colpisce la regione di esaurimento base-collettore (o la base).
2. Generazione di coppie elettrone-lacuna: ogni fotone con \(E > E_g\) crea una coppia e-h.
3. Separazione del campo built-in: il campo di polarizzazione inversa spazza gli elettroni verso il collettore, le lacune verso la base.
4. Corrente di base (\(I_{ph}\)): le lacune che si accumulano in base costituiscono una fotocorrente \(I_{ph} \propto \text{Intensità luminosa}\).
5. Guadagno del transistor: \(I_C = \beta \times I_{ph}\) (β = 100–1000+). Piccola corrente luminosa → grande corrente di collettore.
6. Uscita: \(I_C\) scorre attraverso una resistenza di carico esterna → tensione di uscita \(V_{out} = V_{CC} - I_C R_L\).

Caratteristiche chiave

• Risposta spettrale: picco ~800–950 nm (Si). I telecomandi IR (940 nm) si abbinano bene.
• Responsività: 0.1–1 A/W (× β vs responsività del fotodiodo di 0.5 A/W).
• Velocità: più lenta dei fotodiodi (capacità di base × β). Tipico \(t_r/t_f\): 2–10 µs. Non adatta per comunicazioni ad alta velocità.
• Corrente buia: perdita a luce zero; raddoppia circa ogni 8–10°C.

Applicazioni tipiche

• Ricevitori IR telecomandi (38 kHz modulato — usa IC integrato filtro/demod, non fototransistor grezzo).
• Opto-interruttori (sensori a fessura): oggetto interrompe fascio → segnale logico.
• Interruttori attivati dalla luce, controlli illuminazione stradale.
• Feedback isolato in SMPS (gli optocoupler usano uscita fototransistor).
• Codifica posizione/velocità (dischi encoder).

Fototransistor vs Fotodiodo