Grunnleggende om fotodioder og fototransistorer og hvordan man bruker dem

Det er en klasse konstruksjonsproblemer som lett kan løses ved å bruke menneskesyn. Ta i betraktning en situasjon hvor riktig plassering av papiret i en skriver skal detekteres. Det er lett for et menneske å se hvordan papiret er justert, men for en mikroprosessor er dette vanskelig å bekrefte. Kameraet i en mobiltelefon må måle omgivelseslyset for å avgjøre om blitsen skal aktiveres. Hvordan kan oksygennivået i blodet vurderes på en ikke-inntrengende måte?

Løsningen på disse konstruksjonsproblemene er å bruke fotodioder eller fototransistorer. Disse optoelektroniske enhetene konverterer lys (fotoner) til elektriske signaler, noe som gjør det mulig for en mikroprosessor (eller mikrokontroller) å «se». Dette gjør det mulig å styre posisjoneringen og justeringen av objekter, fastsette lysintensiteten og måle de fysiske egenskapene til materialer basert på hvordan de samhandler med lys.

Denne artikkelen forklarer teorien om hvordan både fotodioder og fototransistorer fungerer, og gir konstruktører grunnleggende kunnskap om anvendelsen av dem. Enheter fra Advanced Photonix, Inc., Vishay Semiconductor Opto Division, Excelitas Technologies, Genicom Co., Ltd., Marktech Optoelectronics og NTE Electronics presenteres som eksempel.

Det optiske spekteret som vanligvis brukes for fotodioder og fototransistorer

Fotodioder og fototransistorer er følsomme for en rekke optiske bølgelengder. I noen tilfeller er dette et konstruksjonshensyn, for eksempel når målet er å gjøre driften usynlig for det menneskelige øyet. Konstruktøren må være oppmerksom på det optiske spekteret slik at enhetene kan samsvares med konstruksjonen.

Det optiske spekteret strekker seg fra lengre infrarød (IR) bølgelengde til kortere ultrafiolett (UV) bølgelengde (figur 1). De synlige bølgelengdene ligger mellom disse.

Figur 1: Det optiske spekteret er en del av det elektromagnetiske spekteret og spenner fra UV til IR, der det synlige spekteret ligger imellom. Tabellen viser de synlige bølgelengdene og deres tilknyttede frekvenser. (Bildekilde: Once Lighting (øverst) og Art Pini (nederst))

De fleste optoelektroniske enheter spesifiseres ved å bruke driftsbølgelengdene deres i nanometer (nm). Frekvensverdier brukes sjelden.

Fotodioder av silisium (Si) har en tendens til å være følsomme for synlig lys. IR-følsomme enheter bruker indiumantimonid (InSb), indiumgalliumarsenid (InGaAs), germanium (Ge) eller kvikksølvkadmiumtellurid (HgCdTe). UV-følsomme enheter bruker vanligvis silisiumkarbid (SiC).

Fotodioden

Fotodioden er et to-elementers P-N- eller PIN-koblingspunkt som utsettes for lys gjennom et gjennomsiktig legeme eller deksel. Når lys treffer koblingspunktet dannes en strøm eller spenning, avhengig av driftsmodusen. Fotodioden er virksom i en hvilken som helst av de tre modusene, avhengig av forspenningen som påføres. Dette er fotovoltaisk-, fotokonduktiv- eller skreddiode-modusen.

Hvis fotodioden ikke er forspent, fungerer den i den fotovoltaiske modusen og produserer en liten utgangsspenning når den belyses med en lyskilde. I denne modusen fungerer fotodioden som en solcelle. Fotovoltaisk modus er nyttig i konstruksjoner med lav frekvens, vanligvis under 350 kilohertz (kHz), med lav lysintensitet. Utgangsspenningen er lav, og fotodiodens utgang krever som regel en forsterker.

Den fotokonduktive modusen krever at fotodioden er drevet i sperreretningen. Den påførte sperrespenningen vil generere et utladingsområde i P-N-koblingspunktet. Jo større forspenningen er, jo bredere vil utladingsområdet være. Det bredere utladingsområdet resulterer i redusert kapasitans, sammenlignet med dioden uten forspenning, noe som resulterer i raskere responstider. Denne modusen har høyere støynivåer og kan kreve begrensning av båndbredden for å styre disse.

Hvis sperrespenningen økes ytterligere, fungerer fotodioden i skreddiodemodus. I denne modusen fungerer fotodiodene i en høy sperrespenningstilstand, noe som muliggjør multiplikasjon av hvert fotoproduserte elektronhull-par på grunn av skredsammenbrudd (avalanche breakdown). Dette resulterer i intern forsterkning og høyere følsomhet i fotodioden. Denne modusen ligner et fotomultiplikatorrør i funksjonalitet.

Fotodioden fungerer i de fleste konstruksjoner i en fotoledende modus med sperrespenning (figur 2).

Figur 2: Fotodioden som er drevet i sperreretningen produserer en strøm som er proporsjonal med lysintensiteten på grunn av opprettelsen av elektronhull-par i utladingsområdet. De blåfylte sirklene representerer elektroner, og de hvite sirklene markerer hullene. (Bildekilde: Art Pini)

Den ubelyste fotodiodekoblingen som er drevet i sperreretningen har en utladingssone med få frie bærere (carriers). Den ser ut som en ladet kondensator. Det er en liten strøm forårsaket av termisk eksitert ionisering, kalt «mørkestrøm». En ideell fotodiode ville hatt null mørkestrøm. Mørkestrøm og termiske støynivåer er proporsjonale med diodens temperatur. Mørkestrømmen kan skjule fotostrømmen på grunn av ekstremt lave lysnivåer, så enheter med lav mørkestrøm bør velges.

Når lys påvirker utladingslaget med tilstrekkelig energi, ioniseres atomene i krystallstrukturen og elektronhull-par genereres. Det eksisterende elektriske feltet vil, på grunn av forspenningen, føre til at elektronene beveger seg til katoden og hullene beveger seg til anoden, noe som gir opphav til en fotostrøm. Jo større lysintensiteten er, jo større vil fotostrømmen være. Strøm-spenning-egenskapen til fotodioden som er drevet i sperreretningen viser dette i figur 3.

Figur 3: Det karakteristiske V-I-skjemaet for fotodioden som er drevet i sperreretningen viser trinnvise endringer i diodestrømmen som funksjon av lysnivået. (Bildekilde: Art Pini)

Skjemaet plotter diodens negative sperrestrøm som funksjon av den påførte sperrespenningen, med lysintensitet som parameter. Vær oppmerksom på at økende lysnivåer produserer en proporsjonal økning i de negative sperrestrømnivåene. Dette er grunnlaget for å bruke fotodioder til måling av lysintensitet. Forspenningen, når den er større enn 0,5 volt, har liten innvirkning på fotostrømmen. Den negative sperrestrømmen kan konverteres til en spenning ved å påføre den til en transimpedansforsterker (TIA).

Fotodiodetyper

De mange ulike bruksområdene for lysdeteksjon og måling har gitt opphav til en rekke særegne fotodiodetyper. Den grunnleggende fotodioden er den planare P-N-koblingen. Disse enhetene tilbyr den beste ytelsen i fotovoltaisk modus uten forspenning. De er også de mest kostnadseffektive enhetene.

002-151-001 fra Advanced Photonix, Inc., er et eksempel på en planar diffusjon InGaAs-fotodiode/fotodetektor (figur 4). Den leveres i en overflatemontert SMD-kapsling (SMD – surface-mount device) som måler 1,6 x 3,2 x 1,1 millimeter (mm), med en aktiv optisk åpning som måler 0,05 mm i diameter.

Figur 4: 002-151-001 er en planar P-N SMD-fotodiode som måler 1,6 x 3,2 x 1,1 mm. Den har et spektralområde på 800 til 1700 nm. (Bildekilde: Advanced Photonix)

Denne InGaAs-fotodioden har et spektralområde på 800 til 1700 nm, noe som dekker IR-spekteret. Mørkestrømmen er mindre enn 1 nanoampere (nA). Dens spektrale responsivitet, som spesifiserer strømutgangen for en bestemt optisk strøminngang, er vanligvis 1 ampere per watt (A/W). Den er beregnet for bruksområder som industriell detektering, sikkerhet og kommunikasjon.

PIN-dioden dannes ved å klemme et høyresistivt intrinsik-halvlederlag mellom P-type- og N-type-laget til en konvensjonell diode. PIN-navnet gjenspeiler diodens struktur.

Innsettingen av intrinsik-laget øker den effektive bredden til diodenes utladingslag, noe som resulterer i lavere kapasitans og høyere sammenbruddsspenning. Den lavere kapasitansen øker effektivt fotodiodens hastighet. Det større utladingsområdet tilbyr et større volum av fotonindusert elektronhullgenerering og større kvantevirkningsgrad.

Vishay Semiconductor Opto Division sin VBP104SR er en silisium-PIN-fotodiode som dekker spektralområdet fra 430 til 1100 nm (fiolett til nær IR). Den har en typisk mørkestrøm på 2 nA og et stort optisk følsomt område på 4,4 mm² (figur 5).

Figur 5: Vishay VBP104SR er en PIN-fotodiode med et stort optisk deteksjonsvindu beregnet for høyhastighets fotodeteksjon. (Bildekilde: Vishay Semiconductors)

Skredfotodioden (APD – avalanche photodiode) har lignende funksjonalitet som fotomultiplikatorrør ved at den bruker skredeffekten til å skape forsterkning i dioden. I nærvær av høy sperrespenning genererer hvert hullelektron-par ytterligere par ved hjelp av skredsammenbrudd. Dette resulterer i forsterkning i form av økt fotostrøm per lysfoton. Dette gjør APD til et ideelt valg for lavlys-følsomhet.

Et eksempel på en APD er C30737LH-500-92C fra Excelitas Technologies. Den har et spektralområde på 500 til 1000 nm (cyan til nær IR) med en spissrespons på 905 nm (IR). Den har en spektralrespons på 60 A/W @ 900 nm med en mørkestrøm på mindre enn 1 nA. Den er beregnet på bruksområder med høy båndbredde, for eksempel lysdeteksjon og rekkevidde (LiDAR) i biler og optisk kommunikasjon (figur 6).

Figur 6: Skredfotodioden C30737LH-500-92C er en fotodiode med høy båndbredde rettet mot bruksområder som LiDAR og optisk kommunikasjon. (Bildekilde: Excelitas Technology)

Schottky-fotodioder

Schottky-fotodioden er basert på en metall-til-halvleder-kobling. Metallsiden på koblingen danner anodeelektroden, og N-type-halvledersiden er katoden. Fotoner passerer gjennom et delvis gjennomsiktig metallag og absorberes i N-type-halvlederen, og frigjør dermed ladede bærerpar. Disse fritt-ladede bærestrømmene sveipes ut av utladingslaget av det påførte elektriske feltet, og danner fotostrømmen.

En viktig egenskap til disse diodene er den svært raske responstiden. De bruker vanligvis små diodekoblingsstrukturer som er i stand til å reagere raskt. Schottky-fotodioder med båndbredder i gigahertz-området (GHz) er kommersielt tilgjengelige. Dette gjør dem ideelle for optiske kommunikasjonsforbindelser med høy båndbredde.

Et eksempel på Schottky-fotodioden er GUVB-S11SD-fotosensoren fra Genicom Co., Ltd. (Figur 7). Denne UV-følsomme fotodioden er beregnet for bruksområder som UV-indeksering. Den bruker et aluminiumgalliumnitrid (AlGaN)-basert materiale, og den har en spektral følsomhet som spenner fra 240 til 320 nm i UV-spekteret. Enheten er spektrumfølsom og blind for synlig lys, noe som er en nyttig funksjon i sterkt opplyste omgivelser. Den har en mørkestrøm på mindre enn 1 nA og en responsivitet på 0,11 A/W.

Figur 7: GUVB-S11SD er en AlGaN-basert UV-følsom fotosensor med et aktivt optisk område på 0,076 mm². (Bildekilde: Genicom Co, Ltd.)

Fototransistorer

Fototransistoren er en halvlederenhet som ligner på fotodioden ved at den genererer en strøm som er proporsjonal med lysintensiteten. Det kan ses på som en fotodiode med innebygd strømforsterker. Fototransistoren er en NPN-transistor der basisforbindelsen er erstattet av en optisk kilde. Basis-kollektor-koblingen er drevet i sperreretningen, og den utsettes for eksternt lys gjennom et gjennomsiktig vindu. Basis-kollektor-koblingen er med hensikt laget så stor som er praktisk mulig for å maksimere fotostrømmen. Basis-emitter-koblingen er fremover-forspent, og kollektorstrømmen er en funksjon av det innfallende lysnivået. Lyset forsyner basisstrømmen, som forsterkes gjennom normal transistorhandling. Når lys er fraværende, strømmer en liten mørkestrøm, på samme måte som i fotodioden.

Marktech Optoelectronics MTD8600N4-T er en NPN-fototransistor med en spektral følsomhet på 400 til 1100 nm (synlig for nær IR), og en maksimal fotorespons på 880 nm (figur 8).

Figur 8: MTD8600N4-T-fototransistoren produserer en kollektorstrøm som er proporsjonal med det innfallende lysnivået. Vær oppmerksom på at kollektorstrømmen er en størrelsesorden høyere enn strømmen til en fotodiode på grunn av strømforsterkningen til transistoren. (Bildekilde: Marktech Optoelectronics)

Denne fototransistoren er plassert i en metallkapsling med en gjennomsiktig kuppeltopp. Diagrammet er av kollektorstrøm som funksjon av kollektor-til-emitter-spenning, med lysbestråling som parameter. Kollektorstrømmene er betydelig høyere enn strømmen i en fotodiode på grunn av strømforsterkningen i transistoren.

Fototransistorer er tilgjengelige i mange kapslingstyper. For eksempel bruker NTE Electronics NTE3034A NPN-fototransistoren en støpt epoksykapsling som mottar lys fra siden. Den reagerer også på synlig lys til nær IR med en maksimal fotorespons på 880 nm.

Konklusjon

Lysdeteksjon ved hjelp av fototransistorer og fotodioder er en måte der mikroprosessorer eller mikrokontrollere gir mening til den fysiske verden, og implementerer styrings- eller analysealgoritmer som er i samsvar med dette. Fototransistoren brukes ofte i de samme konstruksjonene som fotodioden, selv om hver av dem har sine respektive fordeler. Fototransistoren tilbyr et høyere utgangsstrømnivå enn fotodioden, mens fotodioden har fordelen av å fungere ved høyere frekvenser.