Podstawy fotodiod i fototranzystorów oraz ich zastosowanie

Istnieje klasa problemów projektowych, które można łatwo rozwiązać za pomocą ludzkiego wzroku. Rozważmy wykrywanie prawidłowego położenia papieru w drukarce. Człowiekowi łatwo jest zobaczyć, czy papier leży równo, ale dla mikroprocesora jest to trudne. Aby określić, czy aparat w telefonie komórkowym ma włączyć lampę błyskową, musi on zmierzyć światło z otoczenia. W jaki sposób można nieinwazyjnie ocenić poziom tlenu we krwi?

Rozwiązaniem tych problemów projektowych jest zastosowanie fotodiod lub fototranzystorów. Wspomniane urządzenia optoelektroniczne przetwarzają światło (fotony) na sygnały elektryczne, dzięki czemu mikroprocesor (lub mikrokontroler) może „widzieć”. Dzięki temu może kontrolować położenie i wyrównanie obiektów, określać natężenie światła i mierzyć właściwości fizyczne materiałów na podstawie ich interakcji ze światłem.

Artykuł wyjaśnia teorię działania zarówno fotodiod, jak i fototranzystorów oraz dostarcza projektantom podstawowej wiedzy o ich zastosowaniach. Na przykładach przedstawiono urządzenia firm Advanced Photonix, Inc, Vishay Semiconductor Opto Division, Excelitas Technologies, Genicom Co Ltd, Marktech Optoelectronics i NTE Electronics.

Widmo optyczne zwykle stosowane w fotodiodach i fototranzystorach

Fotodiody i fototranzystory są wrażliwe na różne długości fal optycznych. W niektórych przypadkach założeniem projektowym jest aby dana operacja była na przykład niewidoczna dla ludzkiego oka. Projektant powinien rozumieć widmo optyczne, aby dopasować urządzenie do zastosowania.

Widmo optyczne rozciąga się od dłuższych fal podczerwonych (IR) do krótszych fal ultrafioletowych (UV) (ilustracja 1). Widzialne długości fal znajdują się pomiędzy nimi.

Ilustracja 1: część widma elektromagnetycznego - widmo optyczne rozciąga się od fal ultrafioletowych (UV) do podczerwonych (IR) z widmem widzialnym pomiędzy nimi. Tabela zawiera widzialne długości fal i powiązane częstotliwości. (Źródło ilustracji: Once Lighting (u góry) i Art Pini (u dołu))

Specyfikacje większości urządzeń optoelektronicznych określa się na podstawie roboczych długości fal w nanometrach (nm). Wartości częstotliwości są rzadko używane.

Fotodiody krzemowe (Si) są zwykle wrażliwe na światło widzialne. Urządzenia wrażliwe na podczerwień wykorzystują antymonek indu (InSb), arsenek indu i galu (InGaAs), german (Ge) lub tellurek rtęciowo-kadmowy (HgCdTe). Urządzenia wrażliwe na promieniowanie UV zwykle wykorzystują węglik krzemu (SiC).

Fotodioda

Fotodioda to dwuelementowe złącze PN lub PIN, które jest wystawione na działanie światła wpadającego przez przezroczysty korpus lub pokrywę. Gdy światło pada na złącze, w zależności od trybu pracy powstaje prąd lub napięcie. Fotodioda działa w jednym z trzech trybów w zależności od zastosowanej polaryzacji. Są to tryby diody fotowoltaicznej, fotoprzewodzącej lub lawinowej.

Jeśli fotodioda jest niespolaryzowana, działa w trybie fotowoltaicznym i wytwarza niewielkie napięcie wyjściowe po oświetleniu źródłem światła. W tym trybie fotodioda działa jak ogniwo słoneczne. Tryb fotowoltaiczny jest przydatny w zastosowaniach niskiej częstotliwości, zwykle poniżej 350kHz, przy niskim natężeniu światła. Napięcie wyjściowe jest niskie, a wyjście fotodiody w większości przypadków wymaga wzmacniacza.

Tryb diody fotoprzewodzącej wymaga, aby fotodioda była spolaryzowana zaporowo. Zastosowanie odwróconej polaryzacji wygeneruje obszar zubożony na złączu PN. Im większa polaryzacja, tym szerszy obszar zubożony. Szerszy obszar zubożony powoduje niższą pojemność w porównaniu z diodą niespolaryzowaną, co skutkuje szybszymi czasami odpowiedzi. Ten tryb charakteryzuje się wyższym poziomem szumów i może wymagać ograniczenia przepustowości w celu ich redukcji.

W przypadku dalszego wzrostu polaryzacji zaporowej fotodioda pracuje w trybie diody lawinowej. W tym trybie fotodiody działają w warunkach wysokiej polaryzacji zaporowej, co pozwala na zwielokrotnienie każdej wytworzonej pary elektron-dziura w wyniku przebicia lawinowego. Powoduje to wewnętrzne wzmocnienie i wyższą czułość fotodiody. Ten tryb działa podobnie do fotopowielacza.

W większości zastosowań fotodioda działa w trybie fotoprzewodzącym z polaryzacją zaporową (ilustracja 2).

Ilustracja 2: fotodioda spolaryzowana zaporowo wytwarza prąd proporcjonalny do natężenia światła w wyniku tworzenia się par elektron-dziura w obszarze zubożonym. Niebieskie kółka reprezentują elektrony, a białe okręgi - dziury. (Źródło ilustracji: Art Pini)

Nieoświetlone złącze fotodiody spolaryzowane zaporowo ma strefę zubożoną zawierającą niewiele swobodnych nośników. Wygląda jak naładowany kondensator. Występuje niewielki prąd spowodowany termicznie wzbudzoną jonizacją, zwany prądem „ciemnym”. Idealna fotodioda miałaby zerowy prąd ciemny. Poziomy prądu ciemnego i szumów termicznych są proporcjonalne do temperatury diody. Prąd ciemny może maskować prąd fotoelektryczny przy bardzo niskich poziomach oświetlenia, dlatego należy wybierać urządzenia o niskim prądzie ciemnym.

Kiedy na warstwę zubożoną pada światło o wystarczającej energii, dochodzi do jonizacji atomów w strukturze krystalicznej i powstawania par elektron-dziura. Ze względu na polaryzację istniejącego pola elektrycznego elektrony przesuną się w stronę katody, a dziury w stronę anody, powodując powstanie fotoprądu. Im większe natężenie światła, tym większy fotoprąd. Przedstawia to charakterystyka prądowo-napięciowa fotodiody spolaryzowanej zaporowo na ilustracji 3.

Ilustracja 3: wykres charakterystyki napięciowo-prądowej (V-I) dla fotodiody spolaryzowanej zaporowo wykazuje przyrost prądu diody w funkcji poziomu światła. (Źródło ilustracji: Art Pini)

Wykres przedstawia prąd wsteczny diody jako funkcję przyłożonego napięcia polaryzacji zaporowej z natężeniem światła jako parametrem. Zauważmy, że rosnące poziomy oświetlenia powodują proporcjonalny wzrost poziomów prądu wstecznego. Stanowi to podstawę dla zastosowania fotodiod do pomiaru natężenia światła. Napięcie polaryzacji większe niż 0,5V ma niewielki wpływ na fotoprąd. Prąd wsteczny można przekształcić w napięcie poprzez jego doprowadzenie do wzmacniacza transimpedancyjnego.

Typy fotodiod

Różnorodność zastosowań do wykrywania i pomiaru oświetlenia doprowadziła do powstania różnych charakterystycznych typów fotodiod. Podstawową fotodiodą jest złącze planarne PN. Urządzenia te oferują najlepszą wydajność w trybie fotowoltaicznym bez polaryzacji. Są one również najbardziej ekonomiczne.

Przykładem dyfuzyjnej planarnej fotodiody/fotodetektora InGaAs jest urządzenie 002-151-001 firmy Advanced Photonix Inc. (ilustracja 4). Jest ona dostarczana w obudowie do montażu powierzchniowego (SMD) o wymiarach 1,6 x 3,2 x 1,1mm, z aktywnym otworem optycznym o średnicy 0,05mm.

Ilustracja 4: dioda 002-151-001 jest dyfuzyjną fotodiodą planarną PN w obudowie do montażu powierzchniowego o wymiarach 1,6 x 3,2 x 1,1mm. Jej zakres widma wynosi od 800 do 1700nm. (Źródło ilustracji: Advanced Photonix)

Omawiana fotodioda InGaAs ma zakres widma od 800 do 1700nm i obejmuje widmo podczerwieni (IR). Jej prąd ciemny wynosi mniej niż 1nA. Jej wrażliwość widmowa, która określa prąd wyjściowy dla określonej wejściowej mocy optycznej, wynosi zwykle 1A/W. Jest przeznaczona do zastosowań obejmujących pomiary, bezpieczeństwo i komunikację w przemyśle.

Diodę PIN tworzy się poprzez umieszczenie warstwy półprzewodnikowej o przewodnictwie samoistnym pomiędzy warstwami typu P i N konwencjonalnej diody - stąd nazwa PIN odzwierciedlająca strukturę diody.

Wprowadzenie warstwy wewnętrznej zwiększa efektywną szerokość warstwy zubożonej diody, co skutkuje bardzo niską pojemnością i wyższymi wartościami przebicia. Niższa pojemność skutecznie zwiększa szybkość fotodiody. Większy obszar zubożony zapewnia zwiększenie indukowanego fotonami wytwarzania dziur elektronowych i większą sprawność kwantową.

Krzemowa fotodioda PIN VBP104SR firmy Vishay Semiconductor Opto Division charakteryzuje się zakresem widmowym od 430 do 1100nm (od fioletu do bliskiej podczerwieni). Ma typowy prąd ciemny 2nA i duży obszar czuły optycznie o powierzchni 4,4mm² (ilustracja 5).

Ilustracja 5: fotodioda PIN VBP104SR firmy Vishay posiada duże okno detekcji optycznej, i przeznaczona jest do szybkiego fotowykrywania. (Źródło ilustracji: Vishay Semiconductors)

Fotodioda lawinowa (APD) jest funkcjonalnie podobna do fotopowielacza, ponieważ do wytworzenia wzmocnienia w diodzie wykorzystywane jest zjawisko lawinowe. W obecności wysokiej polaryzacji zaporowej każda para dziura-elektron generuje dodatkowe pary w wyniku przebicia lawinowego. Powoduje to wzmocnienie w postaci większego fotoprądu na jeden foton światła. To sprawia, że fotodioda lawinowa jest idealnym wyborem przy niskiej czułości na światło.

Przykładem fotodiody lawinowej jest C30737LH-500-92C firmy Excelitas Technologies. Ma zakres widmowy od 500 do 1000nm (od cyjanu do bliskiej podczerwieni) z wrażliwością szczytową przy 905nm (IR). Charakteryzuje się wrażliwością widmową 60A/W przy 900nm i prądem ciemnym mniejszym niż 1nA. Jest przeznaczona do zastosowań szerokopasmowych, takich jak wykrywanie i określanie odległości w samochodach (LiDAR) oraz komunikacja optyczna (ilustracja 6).

Ilustracja 6: szerokopasmowa fotodioda lawinowa C30737LH-500-92C przeznaczona jest do zastosowań takich jak LiDAR i komunikacja optyczna. (Źródło ilustracji: Excelitas Technology)

Fotodiody Schottky'ego

Fotodiody Schottky’ego wykorzystują złącze metal-półprzewodnik. Metalowa strona złącza tworzy elektrodę anodową, a strona półprzewodnika typu N jest katodą. Fotony przechodzą przez częściowo przezroczystą warstwę metaliczną i są absorbowane w półprzewodniku typu N, uwalniając naładowane pary nośników. Te swobodnie naładowane nośniki są wymiatane z warstwy zubożonej przez przyłożone pole elektryczne i tworzą fotoprąd.

Inną istotną cechą tych diod jest bardzo krótki czas opóźnienia odpowiedzi. Zwykle wykorzystują one niewielkie struktury złączy diodowych, które są w stanie szybko reagować. Na rynku dostępne są fotodiody Schottky’ego o szerokości pasma w zakresie gigahercowym. Dzięki temu idealnie nadają się do użycia w szerokopasmowych optycznych łączach komunikacyjnych.

Przykładem fotodiody Schottky’ego jest fotoczujnik GUVB-S11SD firmy Genicom Co Ltd. (Ilustracja 7). Ta czuła na promieniowanie UV fotodioda jest przeznaczona do zastosowań takich jak indeksowanie UV. Wykorzystuje ona materiał na bazie azotku glinu i galu (AlGaN) oraz ma zakres czułości widmowej od 240 do 320nm w widmie UV. Urządzenie jest czułe na to widmo i nieczułe na światło widzialne, co jest użyteczną funkcją w jasno oświetlonym otoczeniu. Prąd ciemny jest niższy od 1nA a wrażliwość wynosi 0,11A/W.

Ilustracja 7: GUVB-S11SD to czuły na promieniowanie ultrafioletowe (UV) czujnik na bazie AlGaN z aktywnym obszarem optycznym 0,076 mm². (Źródło ilustracji: Genicom Co Ltd)

Fototranzystory

Fototranzystor to złączowe urządzenie półprzewodnikowe podobne do fotodiody, w taki sposób, że również generuje prąd proporcjonalny do natężenia światła. Można go traktować jako fotodiodę z wbudowanym wzmacniaczem prądowym. Fototranzystor jest tranzystorem NPN, w którym połączenie bazowe zastąpiono źródłem optycznym. Złącze baza-kolektor jest spolaryzowane zaporowo i wystawione na działanie światła zewnętrznego przez przezroczyste okienko. Złącze baza-kolektor jest celowo wykonywane w maksymalnym praktycznym rozmiarze, aby zmaksymalizować prąd fotoelektryczny. Złącze baza-emiter jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a prąd kolektora jest funkcją poziomu padającego oświetlenia. Światło dostarcza prądu bazy, który jest wzmacniany przez normalne działanie tranzystora. W przypadku braku światła płynie mały prąd ciemny, jak w fotodiodzie.

Fototranzystor NPN MTD8600N4-T firmy Marktech Optoelectronics posiada czułość widmową od 400 do 1100nm (od światła widzialnego do bliskiej podczerwieni) i szczytowej fotoodpowiedzi przy 880nm (ilustracja 8).

Ilustracja 8: fototranzystor MTD8600N4-T wytwarza prąd kolektora proporcjonalny do poziomu padającego oświetlenia. Należy zauważyć, że prąd kolektora jest o rząd wielkości wyższy niż prąd fotodiody ze względu na wzmocnienie prądowe tranzystora. (Źródło ilustracji: Marktech Optoelectronics)

Omawiany fototranzystor jest umieszczony w metalowej puszce z przezroczystą kopułką. Wykres przedstawia prąd kolektora w funkcji napięcia kolektor-emiter, z parametrem natężenia światła. Prądy kolektora są znacznie wyższe niż prądy w fotodiodzie ze względu na wzmocnienie prądu w tranzystorze.

Fototranzystory są dostępne w różnego rodzaju obudowach. Na przykład fototranzystor NPN NTE3034A firmy NTE Electronics wykorzystuje formowaną obudowę epoksydową, która przyjmuje światło z boku. Reaguje również na światło w zakresie od widzialnego do bliskiej podczerwieni ze szczytową fotoodpowiedzią przy 880nm.

Podsumowanie

Wykrywanie światła za pomocą fototranzystorów i fotodiod jest jednym ze sposobów, za pomocą których mikroprocesory lub mikrokontrolery rozumieją świat fizyczny i odpowiednio wdrażają algorytmy sterowania lub analizy. Fototranzystory znajdują zastosowanie w tych samych sytuacjach, co fotodiody, chociaż każdy z tych komponentów ma swoje zalety. Fototranzystor oferuje wyższy poziom prądu wyjściowego niż fotodioda, podczas gdy fotodioda ma tę zaletę, że działa przy wyższych częstotliwościach.