Det grundlæggende om fotodioder og fototransistorer og hvordan man anvender dem

Der er en klasse af designproblemer, som let kan løses ved hjælp af menneskesyn. Overvej at mærke den korrekte placering af papiret i en printer. Det er let for et menneske at se justeringen, men vanskeligt for en mikroprocessor at kontrollere den. Kameraet i en mobiltelefon skal måle det omgivende lys for at afgøre, om blitzen skal aktiveres. Hvordan kan iltniveauet i blodet vurderes på en ikke-invasiv måde?

Løsningen på disse designproblemer er brugen af fotodioder eller fototransistorer. Disse optoelektroniske enheder konverterer lys (fotoner) til elektriske signaler og gør det muligt for en mikroprocessor (eller mikrocontroller) at "se". Dette gør det muligt at kontrollere positionering og justering af objekter, bestemme lysintensiteten og måle materialers fysiske egenskaber baseret på deres interaktion med lys.

Denne artikel forklarer teorien om både fotodioder og fototransistorers funktion og giver designere den grundlæggende viden om deres anvendelse. Enheder fra Advanced Photonix, Inc., Vishay Semiconductor Opto Division, Excelitas Technologies, Genicom Co. Ltd., Marktech Optoelectronics og NTE Electronics præsenteres som eksempler.

Det optiske spektrum, der typisk anvendes til fotodioder og fototransistorer

Fotodioder og fototransistorer er følsomme over for en række optiske bølgelængder. I nogle tilfælde er dette et designmæssigt hensyn, f.eks. ved at gøre operationen usynlig for det menneskelige øje. Designeren skal være opmærksom på det optiske spektrum for at kunne tilpasse enhederne til anvendelsen.

Det optiske spektrum strækker sig fra længere bølgelængder i det infrarøde område (IR) til kortere bølgelængder i det ultraviolette område (UV) (figur 1). De synlige bølgelængder ligger midt imellem.

Figur 1: Det optiske spektrum er en del af det elektromagnetiske spektrum og spænder fra UV til IR med det synlige spektrum i mellem. Tabellen viser de synlige bølgelængder og de tilhørende frekvenser. (Billedkilde: (kilde: Once Lighting (øverst) og Art Pini (nederst))

De fleste optoelektroniske anordninger er specificeret ved hjælp af deres driftsbølgelængder i nanometer (nm); frekvensværdier anvendes sjældent.

Fotodioder af silicium (Si) er normalt følsomme over for synligt lys. IR-følsomme anordninger anvender indiumantimonid (InSb), indiumgalliumarsenid (InGaAs), germanium (Ge) eller kviksølvkadmiumtellurid (HgCdTe). UV-følsomme anordninger anvender almindeligvis siliciumcarbid (SiC).

Fotodioden

Fotodioden er en P-N- eller PIN-forbindelse med to elementer, der er eksponeret for lys gennem et gennemsigtigt hus eller et gennemsigtigt dæksel. Når lyset rammer krydset (junction), udvikles der en strøm eller spænding afhængigt af driftsformen. Fotodioden fungerer i en af tre tilstande afhængigt af den forspænding, der påføres den. Det drejer sig om fotovoltaiske, fotokonduktive eller avalanche diode-tilstande.

Hvis fotodioden ikke er forspændt, fungerer den i fotovoltaisk tilstand og producerer en lille udgangsspænding, når den belyses med en lyskilde. I denne tilstand fungerer fotodioden som en solcelle. Den fotovoltaiske tilstand er nyttig i lavfrekvente applikationer, generelt under 350 kilohertz (kHz), med lav lysintensitet. Udgangsspændingen er lav, og fotodiodeudgangen kræver i de fleste tilfælde en forstærker.

Den fotokonduktive tilstand kræver, at fotodioden er omvendt polariseret. Den påførte omvendte forspænding vil skabe et udtømningsområde ved P-N-forbindelsen. Jo større bias, jo bredere er udtømningsområdet. Det bredere udtømningsområde resulterer i en reduceret kapacitet sammenlignet med den uforspændte diode, hvilket resulterer i hurtigere responstider. Denne tilstand har højere støjniveauer og kan kræve båndbreddebegrænsning for at kontrollere dem.

Hvis den omvendte forspænding øges yderligere, fungerer fotodioden i avalanche diode-tilstand. I denne tilstand fungerer fotodioderne i en høj omvendt forspænding, hvilket muliggør multiplikation af hvert fotoproduceret elektron-hul-par på grund af avalanche-sammenbrud. Dette resulterer i intern forstærkning og højere følsomhed i fotodioden. Denne funktion svarer til et fotomultiplierrør.

I de fleste anvendelser fungerer fotodioden i fotokonduktiv tilstand med en omvendt bias (figur 2).

Figur 2: Den omvendt polariserede fotodiode producerer en strøm, der er proportional med lysintensiteten, fordi der dannes elektron-hul-par i depletionområdet. De blå fyldte cirkler repræsenterer elektroner, og de hvide cirkler repræsenterer huller. (Billedkilde: Art Pini)

Den omvendt forspændte, uoplyste fotodiodeforbindelse har en udtyndingszone med få frie ladninger. Det ligner en opladet kondensator. Der er en lille strøm forårsaget af termisk exciteret ionisering, den såkaldte "mørke" strøm. En ideel fotodiode ville have nul mørkestrøm. Mørkestrøm og termisk støjniveau er proportionalt med diodens temperatur. Mørkestrømmen kan skjule fotostrømmen på grund af ekstremt lave lysniveauer, så der bør vælges enheder med lave mørkestrømme.

Når lys rammer udtyndingslaget med tilstrækkelig energi, ioniserer det atomerne i krystalstrukturen og danner elektron-hul-par. Det eksisterende elektriske felt, som skyldes forspændingen, vil få elektronerne til at bevæge sig til katoden og hullerne til at bevæge sig til anoden, hvilket giver anledning til en fotostrøm. Jo større lysintensitet, jo større er fotostrømmen. Strøm-spændingskarakteristikken for den omvendt forspændte fotodiode viser dette i figur 3.

Figur 3: Det karakteristiske V-I-diagram for den omvendt forspændte fotodiode viser trinvise ændringer i diodestrømmen som funktion af lysniveauet. (Billedkilde: Art Pini)

Grafen viser diodens omvendte strøm som en funktion af den påførte omvendte forspænding med lysintensiteten som parameter. Bemærk, at stigende lysniveauer giver en proportional stigning i de omvendte strømniveauer. Dette er grundlaget for at bruge fotodioder til måling af lysintensitet. Forspændingsspændingen, når den er større end 0,5 volt, har kun en lille virkning på fotostrømmen. Den omvendte strøm kan omdannes til en spænding ved at anvende den på en transimpedansforstærker.

Typer af fotodioder

De mange forskellige lysdetekterings- og måleapplikationer har givet anledning til en række forskellige fotodiodetyper. Den grundlæggende fotodiode er den plane P-N-forbindelse. Disse enheder giver den bedste ydelse i uforstyret solcelletilstand. De er også de mest omkostningseffektive enheder.

002-151-001 fra Advanced Photonix, Inc. er et eksempel på en planar diffusion InGaAs-fotodiode/fotodetektor (figur 4). Den leveres i en SMD-pakke (Surface Mount Device), der måler 1,6 x 3,2 x 1,1 millimeter (mm), med en aktiv optisk åbning på 0,05 mm i diameter.

Figur 4: 002-151-001 er en planar diffusion P-N SMD-fotodiode med dimensionerne 1,6 x 3,2 x 1,1 mm. Det har et spektralområde på 800 til 1700 nm. (Billedkilde: Advanced Photonix)

Denne InGaAs-fotodiode har et spektralområde på 800 til 1700 nm, der dækker IR-spektret. Dens mørkestrøm er mindre end 1 nanoampere (nA). Dens spektrale responsivitet, som angiver strømudgangen for en bestemt optisk effekt, er typisk 1 ampere pr. watt (A/W). Den er beregnet til bl.a. industrielle sensorer, sikkerhed og kommunikation.

PIN-dioden er dannet ved at indlejre et intrinsisk halvlederlag med høj resistivitet mellem P- og N-type lagene i en konventionel diode; derfor afspejler navnet PIN diodens struktur.

Indførelsen af det intrinsiske lag øger den effektive bredde af diodens udtyndingslag, hvilket resulterer i lavere kapacitet og højere nedbrydningsspænding. Den lavere kapacitans øger fotodiodens hastighed effektivt. Det større depletionområde giver et større volumen af fotoninduceret elektron-hul-generering og større kvanteeffektivitet.

Vishay Semiconductor Opto Division's VBP104SR er en PIN-fotodiode i silicium, der dækker spektralområdet fra 430 til 1100 nm (violet 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 sensorfelt, der er beregnet til fotodetektion ved høj hastighed. (Billedkilde: Vishay Semiconductors)

Avalanche-fotodioden (APD) fungerer på samme måde som et fotomultiplikatorrør, idet den bruger avalanche-effekten til at skabe forstærkning i dioden. Ved tilstedeværelse af en høj omvendt bias genererer hvert hul-elektronpar yderligere par ved hjælp af avalanche-sammenbrud. Dette resulterer i en gevinst i form af en større fotostrøm pr. lysfoton. Dette gør APD til et ideelt valg til følsomhed ved lavt lys.

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 maksimal respons ved 905 nm (IR). Den har en spektral responssivitet på 60 A/W ved 900 nm med en mørkestrøm på mindre end 1 nA. Den er beregnet til applikationer med høj båndbredde som f.eks. LiDAR (Light detection and ranging) og optisk kommunikation i biler (figur 6).

Figur 6: C30737LH-500-92C avalanche-fotodioden er en fotodiode med høj båndbredde, der er beregnet til applikationer som LiDAR og optisk kommunikation. (Billedkilde: Excelitas Technology)

Schottky-fotodioder

Schottky-fotodioden er baseret på et metal-til-halvleder-lederskifte. Metalsiden af krydset udgør anodeelektroden, mens N-type halvledersiden er katoden. Fotoner passerer gennem et delvist gennemsigtigt metallisk lag og absorberes i N-type halvlederen, hvorved ladede ladningspar frigøres. Disse frit ladede ladningsbærere bliver fejet ud af depletionlaget af det påførte elektriske felt og danner fotostrømmen.

En vigtig egenskab ved disse dioder er deres meget hurtige responstid. De anvender generelt små diodeforbindelsesstrukturer, som kan reagere hurtigt. Schottky-fotodioder med båndbredder i gigahertz (GHz)-området er kommercielt tilgængelige. Det gør dem ideelle til optiske kommunikationsforbindelser med høj båndbredde.

Et eksempel på en Schottky-fotodiode er GUVB-S11SD-fotosensoren fra Genicom Co., Ltd. (Figur 7). Denne UV-følsomme fotodiode er beregnet til anvendelser som f.eks. UV-indeksering. Den anvender et materiale baseret på aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) og har et spektralfølsomhedsområde fra 240 til 320 nm i UV-spektret. Enheden er spektralfølsom og blind for synligt lys, hvilket er en nyttig funktion i stærkt oplyste omgivelser. Den har en mørkestrøm på mindre end 1 nA og en responsivitet på 0,11 A/W.

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

Fototransistorer

Fototransistoren er en junction-halvlederenhed, der ligner fotodioden, idet den genererer en strøm, der er proportional med lysintensiteten. Man kan betragte den som en fotodiode med indbygget strømforstærker. Fototransistoren er en NPN-transistor, hvor basisforbindelsen er erstattet af en optisk kilde. Base-kollektor-forbindelsen er omvendt polariseret og udsættes for eksternt lys gennem et gennemsigtigt vindue. Base-kollektor-forbindelsen er med vilje lavet så stor som muligt for at maksimere fotostrømmen. Base-emitter-forbindelsen er forward biased, og dens kollektorstrøm er en funktion af det indfaldende lysniveau. Lyset leverer basisstrømmen, som forstærkes gennem normal transistorfunktion. I fravær af lys strømmer der en lille mørkestrøm, som i fotodioden.

Marktech Optoelectronics MTD8600N4-T er en NPN-fotototransistor med en spektral følsomhed på 400-1100 nm (synlig til nær IR) og en maksimal fotoreaktion ved 880 nm (figur 8).

Figur 8: MTD8600N4-T fototransistoren producerer en kollektorstrøm, der er proportional med det indfaldende lysniveau. Bemærk, at kollektorstrømmen er en størrelsesorden højere end for en fotodiode på grund af transistorens strømforstærkning. (Billedkilde: Marktech Optoelectronics)

Denne fototransistor er anbragt i en metaldåse med en gennemsigtig kupletop. Plottet viser kollektorstrømmen som en funktion af spændingen fra kollektor til emitter med lysbestråling som parameter. Kollektorstrømmene er betydeligt højere end strømmen i en fotodiode på grund af strømforstærkningen i transistoren.

Fototransistorer er tilgængelig i mange forskellige pakkevarianter. NTE Electronics NTE3034A NPN-fotototransistoren NTE3034A har f.eks. en støbt epoxypakning, som modtager lys fra siden. Den reagerer også på synlig til nær IR med en maksimal fotoreaktion ved 880 nm.

Konklusion

Lysdetektion ved hjælp af fototransistorer og fotodioder er et af de midler, hvormed mikroprocessorer eller mikrocontrollere kan forstå den fysiske verden og implementere kontrol- eller analysealgoritmer i overensstemmelse hermed. Fototransistoren anvendes til de samme formål som fotodioden, selv om de hver især har deres fordele. Fototransistoren giver et højere udgangsstrømsniveau end fotodioden, mens fotodioden har den fordel, at den kan fungere ved højere frekvenser.