Noțiuni de bază despre fotodiode și fototranzistori și cum se aplică acestea

Există o clasă de probleme legate de proiectare care pot fi rezolvate cu ușurință prin utilizarea vederii umane. Luați în considerare detectarea poziției corecte a hârtiei într-o imprimantă. Este ușor pentru un om să vadă alinierea, dar pentru un microprocesor este dificil să o verifice. Camera foto a unui telefon mobil trebuie să măsoare lumina ambientală pentru a determina dacă este necesară activarea blițului. Cum poate fi evaluat nivelul de oxigen din sânge în mod neinvaziv?

Soluția la aceste probleme de proiectare este utilizarea fotodiodelor sau a fototranzistorilor. Aceste dispozitive optoelectronice convertesc lumina (fotonii) în semnale electrice, permițând astfel unui microprocesor (sau microcontroler) să „vadă”. Astfel, aceștia pot să controleze poziționarea și alinierea obiectelor, să determine intensitatea luminii și să măsoare proprietățile fizice ale materialelor, pe baza interacțiunii acestora cu lumina.

Acest articol explică teoria funcționării atât a fotodiodelor, cât și a fototranzistorilor, și oferă proiectanților cunoștințele de bază pentru aplicarea acestora. Sunt prezentate exemple de dispozitive de la Advanced Photonix, Inc., Vishay Semiconductor Opto Division, Excelitas Technologies, Genicom Co., Ltd., Marktech Optoelectronics și NTE Electronics.

Spectrul optic utilizat de obicei pentru fotodiode și fototranzistori

Fotodiodele și fototranzistorii sunt sensibili la o gamă de lungimi de undă optice. În unele cazuri, acest lucru este un considerent legat de proiectare, de exemplu, pentru ca operațiunea să fie invizibilă pentru ochiul uman. Proiectantul trebuie să cunoască spectrul optic pentru a adapta dispozitivele la aplicație.

Spectrul optic se întinde de la infraroșu (IR), cu lungime de undă mai mare, până la ultraviolet (UV), cu lungime de undă mai mică (Figura 1). Lungimile de undă vizibile se află între acestea două.

Figura 1: parte a spectrului electromagnetic, spectrul optic se întinde de la UV la IR, spectrul vizibil fiind între acestea. Tabelul enumeră lungimile de undă vizibile și frecvențele asociate acestora. (Sursa imaginii: Once Lighting (sus) și Art Pini (jos))

Majoritatea dispozitivelor optoelectronice sunt specificate cu lungimile lor de undă de funcționare în nanometri (nm); valorile de frecvență sunt rareori folosite.

Fotodiodele din siliciu (Si) tind să fie sensibile la lumina vizibilă. Dispozitivele sensibile la infraroșu utilizează antimoniură de indiu (InSb), arseniură de indiu și galiu (InGaAs), germaniu (Ge) sau telurură de cadmiu și mercur (HgCdTe). În mod obișnuit, dispozitivele sensibile la UV utilizează carbură de siliciu (SiC).

Fotodioda

Fotodioda este o joncțiune P-N sau PIN cu două elemente, care este expusă la lumină printr-un corp sau un capac transparent. Atunci când lumina lovește joncțiunea, se dezvoltă un curent sau o tensiune, în funcție de modul de funcționare. Fotodioda are trei moduri de funcționare, în funcție de polarizarea care i se aplică. Acestea sunt modurile fotovoltaice, fotoconductoare sau diode cu avalanșă.

În cazul în care fotodioda nu este polarizată, aceasta funcționează în modul fotovoltaic și produce o tensiune de ieșire mică atunci când este iluminată cu o sursă de lumină. În acest mod, fotodioda acționează ca o celulă solară. Modul fotovoltaic este util în aplicații de frecvență joasă, în general sub 350 kilohertzi (kHz), cu intensități luminoase scăzute. Tensiunea de ieșire este scăzută, iar ieșirea fotodiodei necesită un amplificator în majoritatea cazurilor.

Modul fotoconductor necesită ca fotodioda să fie polarizată invers. Polarizarea inversă aplicată va genera o regiune de epuizare la joncțiunea P-N. Cu cât polarizarea este mai mare, cu atât regiunea de epuizare este mai amplă. Regiunea de epuizare mai amplă rezultă într-o capacitate redusă, în comparație cu dioda nepolarizată, ceea ce duce la timpi de răspuns mai rapizi. Acest mod are niveluri de zgomot mai ridicate și poate necesita o limitare a lățimii de bandă pentru a le controla.

Dacă polarizarea inversă este crescută în continuare, fotodioda funcționează în modul diodă cu avalanșă. În acest mod, fotodiodele funcționează în condiții de polarizare inversă ridicată, permițând multiplicarea fiecărei perechi electron-gol produse de lumină, ca urmare a efectului avalanșei. Acest lucru rezultă într-un câștig intern și o sensibilitate mai mare a fotodiodei. Acest mod de funcționare este similar cu cel al unui tub fotomultiplicator.

În majoritatea aplicațiilor, fotodioda funcționează în modul fotoconductor cu polarizare inversă (Figura 2).

Figura 2: fotodioda polarizată invers produce un curent proporțional cu intensitatea luminii datorită creării perechilor electron-gol în regiunea de epuizare. Cercurile umplute cu albastru reprezintă electronii, iar cercurile albe reprezintă golurile. (Sursa imaginii: Art Pini)

Joncțiunea fotodiodei polarizate invers, neiluminate, are o zonă de epuizare cu puțini purtători liberi. Arată ca un condensator încărcat. Există un curent mic cauzat de ionizarea excitată termic, numit curent de „întuneric”. O fotodiodă ideală ar avea un curent de întuneric zero. Nivelurile de curent de întuneric și de zgomot termic sunt proporționale cu temperatura diodei. Curentul de întuneric poate ascunde fotocurentul din cauza nivelurilor de lumină extrem de scăzute, astfel că trebuie selectate dispozitive care au curenți de întuneric scăzuți.

Atunci când lumina lovește stratul de epuizare cu suficientă energie, atomii din structura cristalină sunt ionizați și se generează perechi electron-gol. Câmpul electric existent, ca urmare a polarizării, va face ca electronii să se deplaseze spre catod, iar golurile să se deplaseze spre anod, determinând apariția unui fotocurent. Cu cât intensitatea luminii este mai mare, cu atât mai mare este fotocurentul. Caracteristica curent-tensiune a fotodiodei polarizate invers arată acest lucru în Figura 3.

Figura 3: diagrama caracteristică V-I pentru fotodioda polarizată invers arată modificările incrementale ale curentului diodei în funcție de nivelul de lumină. (Sursa imaginii: Art Pini)

Graficul prezintă curentul invers al diodei ca o funcție a tensiunii de polarizare inverse aplicate, cu intensitatea luminii ca parametru. Rețineți că creșterea nivelului de lumină produce o creștere proporțională a nivelului de curent invers. Aceasta este baza utilizării fotodiodelor pentru măsurarea intensității luminii. Tensiunea de polarizare, atunci când este mai mare de 0,5 volți, are un efect redus asupra fotocurentului. Curentul invers poate fi transformat în tensiune prin aplicarea acestuia la un amplificator de transimpedanță.

Tipuri de fotodiode

Varietatea aplicațiilor de detectare și măsurare a luminii a dat naștere la o varietate de tipuri de fotodiode distincte. Fotodioda de bază este joncțiunea planară P-N. Aceste dispozitive oferă cele mai bune performanțe în modul fotovoltaic, fără polarizare. De asemenea, acestea sunt cele mai rentabile dispozitive.

Modelul 002-151-001 de la Advanced Photonix, Inc. este un exemplu de fotodiodă/fotodetector InGaAs cu difuzie planară (Figura 4). Acesta se prezintă într-un pachet SMD (dispozitiv cu montare la suprafață) care măsoară 1,6 x 3,2 x 1,1 milimetri (mm), cu o deschidere optică activă cu un diametru de 0,05 mm.

Figura 4: 002-151-001 este o fotodiodă SMD P-N cu difuzie planară care măsoară 1,6 x 3,2 x 1,1 mm. Are o gamă spectrală cuprinsă între 800 și 1700 nm. (Sursa imaginii: Advanced Photonix)

Această fotodiodă InGaAs are o gamă spectrală de la 800 până la 1700 nm, acoperind spectrul IR. Curentul său de întuneric este mai mic de 1 nanoamper (nA). Sensibilitatea spectrală a acesteia, ce specifică ieșirea de curent pentru o anumită intrare de putere optică, este, de obicei, de 1 amper pe watt (A/W). Aceasta este destinată unor aplicații care includ detectarea, securitatea și comunicațiile industriale.

Dioda PIN este formată prin intercalarea unui strat semiconductor intrinsec de mare rezistivitate între straturile de tip P și N ale unei diode convenționale; de aceea, denumirea PIN reflectă structura diodei.

Inserția stratului intrinsec crește lățimea efectivă a stratului de epuizare al diodelor, ceea ce duce la o capacitate mai mică și la o tensiune de străpungere mai mare. Capacitatea mai mică crește în mod eficient viteza fotodiodei. Regiunea de epuizare mai mare oferă un volum mai mare de generare de electron-gol indusă de fotoni și o eficiență cuantică mai mare.

VBP104SR de la Divizia optică Vishay Semiconductor este o fotodiodă PIN din siliciu care acoperă gama spectrală de la 430 la 1100 nm (de la violet la IR apropiat). Acesta are un curent de întuneric tipic de 2 nA și o suprafață mare sensibilă din punct de vedere optic, de 4,4 mm² (Figura 5).

Figura 5: Vishay VBP104SR este o fotodiodă PIN cu o fereastră mare de detecție optică destinată fotodetecției de mare viteză. (Sursa imaginii: Vishay Semiconductors)

Fotodioda cu avalanșă (APD) este similară din punct de vedere funcțional cu un tub fotomultiplicator, deoarece utilizează efectul de avalanșă pentru a crea un câștig în diodă. În prezența unei polarizări inverse ridicate, fiecare pereche electron-gol generează perechi suplimentare prin intermediul unui efect de avalanșă. Acest lucru rezultă într-un câștig sub forma unui fotocurent mai mare per foton de lumină. Acest lucru face ca APD să fie o alegere ideală pentru sensibilitatea la lumină slabă.

Un exemplu de APD este C30737LH-500-92C de la Excelitas Technologies. Acesta are o gamă spectrală cuprinsă între 500 și 1000 nm (de la cyan la IR apropiat), cu un răspuns de vârf la 905 nm (IR). Are o sensibilitate spectrală de 60 A/W la 900 nm, cu un curent de întuneric mai mic de 1 nA. Acesta este destinat aplicațiilor cu lățime de bandă mare, cum ar fi detectarea și măsurarea luminii (LiDAR) pentru automobile și comunicațiile optice (Figura 6).

Figura 6: Fotodioda cu avalanșă C30737LH-500-92C este o fotodiodă cu lățime de bandă mare destinată unor aplicații cum ar fi LiDAR și comunicațiile optice. (Sursa imaginii: Excelitas Technology)

Fotodiodele Schottky

Fotodioda Schottky se bazează pe o joncțiune metal-semiconductor. Partea metalică a joncțiunii formează electrodul anodic, în timp ce partea semiconductoare de tip N este catodul. Fotonii trec printr-un strat metalic parțial transparent și sunt absorbiți în semiconductorul de tip N, eliberând perechi de purtători încărcați. Acești purtători încărcați liber sunt îndepărtați din stratul de epuizare de câmpul electric aplicat și formează fotocurentul.

O caracteristică importantă a acestor diode este timpul lor de răspuns foarte rapid. În general, acestea utilizează structuri de joncțiune cu diode mici, care sunt capabile să răspundă rapid. În comerț sunt disponibile fotodiode Schottky cu lățimi de bandă în gama gigahertzilor (GHz). Acest lucru le face ideale pentru legăturile de comunicații optice cu lățime de bandă mare.

Un exemplu de fotodiodă Schottky este senzorul foto GUVB-S11SD de la Genicom Co., Ltd. (Figura 7). Această fotodiodă sensibilă la UV este destinată unor aplicații precum indexarea UV. Acesta utilizează un material pe bază de nitrură de aluminiu și galiu (AlGaN) și are o gamă de sensibilitate spectrală cuprinsă între 240 și 320 nm în spectrul UV. Dispozitivul prezintă sensibilitate spectrală și nu detectează lumina vizibilă, o caracteristică utilă în mediile foarte luminate. Are un curent de întuneric mai mic de 1 nA și o capacitate de răspuns de 0,11 A/W.

Figura 7: GUVB-S11SD este un senzor foto sensibil la UV pe bază de AlGaN, cu o suprafață optică activă de 0,076 mm². (Sursa imaginii: Genicom Co, Ltd.)

Fototranzistorii

Fototranzistorul este un dispozitiv semiconductor cu joncțiune similar cu fotodioda, în sensul că generează un curent proporțional cu intensitatea luminii. Acesta poate fi considerat ca o fotodiodă cu un amplificator de curent încorporat. Fototranzistorul este un tranzistor NPN în care conexiunea de bază este înlocuită cu o sursă optică. Joncțiunea bază-colector este polarizată invers și expusă la lumina exterioară printr-o fereastră transparentă. Joncțiunea bază-colector este realizată în mod intenționat cât mai mare posibil pentru a maximiza fotocurentul. Joncțiunea bază-emițător este polarizată direct, curentul său de colector fiind o funcție a nivelului de lumină incidentă. Lumina furnizează curentul de bază, care este amplificat prin acțiunea normală a tranzistorului. În absența luminii, circulă un mic curent de întuneric, ca în cazul fotodiodei.

Marktech Optoelectronics MTD8600N4-T este un fototranzistor NPN cu o sensibilitate spectrală de la 400 la 1100 nm (de la vizibil la IR apropiat) și un răspuns foto de vârf la 880 nm (Figura 8).

Figura 8: fototranzistorul MTD8600N4-T produce un curent de colector proporțional cu nivelul luminii incidente. Rețineți, curentul de colector este cu un ordin de magnitudine peste cel al unei fotodiode, datorită amplificării curentului din tranzistor. (Sursa imaginii: Marktech Optoelectronics)

Acest fototranzistor este închis într-o cutie metalică prevăzută cu un capac tip dom transparent. Graficul prezintă curentul de colector ca o funcție a tensiunii dintre colector și emițător, având ca parametru iradierea luminii. Curenții de colector sunt mult mai mari decât curentul dintr-o fotodiodă, datorită amplificării curentului în tranzistor.

Fototranzistorii sunt disponibili în mai multe tipuri de pachete. De exemplu, fototranzistorul NTE Electronics NTE3034A NPN utilizează un pachet epoxidic turnat care primește lumină din lateral. De asemenea, acesta răspunde și de la infraroșu vizibil până la infraroșu apropiat, cu un vârf de reacție foto la 880 nm.

Concluzie

Detectarea luminii cu ajutorul fototranzistorilor și fotodiodelor este unul dintre mijloacele prin care microprocesoarele sau microcontrolerele înțeleg lumea fizică și implementează algoritmi de control sau analiză în consecință. Fototranzistorul este utilizat în aceleași aplicații ca și fotodioda, deși fiecare dintre ele are avantajele sale. Fototranzistorul oferă un nivel de curent de ieșire mai mare decât fotodioda, în timp ce fotodioda are avantajul că funcționează la frecvențe mai mari.