Fototransistoren

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.

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.