Základy fotodiod a fototranzistorů a jak je aplikovat

Existuje třída konstrukčních problémů, které lze snadno vyřešit pomocí lidského vidění. Vezměte v úvahu snímání správného umístění papíru v tiskárně. Pro člověka je snadné zarovnání vidět, ale pro mikroprocesor je obtížné jej ověřit. Fotoaparát v mobilním telefonu potřebuje změřit okolní světlo, aby zjistil, zda je třeba aktivovat blesk. Jak lze vyhodnotit hladinu kyslíku v krvi neinvazivním způsobem?

Řešením těchto konstrukčních problémů je použití fotodiod nebo fototranzistorů. Tato optoelektronická zařízení převádějí světlo (fotony) na elektrické signály, a umožňují tak mikroprocesoru (nebo mikrokontroléru) „vidět“. Umožňuje mu to řídit umístění a zarovnání objektů, určovat intenzitu světla a měřit fyzikální vlastnosti materiálů na základě jejich interakce se světlem.

V tomto článku je vysvětlena teorie fungování fotodiod i fototranzistorů a jsou v něm konstruktérům poskytnuty základní znalosti o jejich aplikaci. Jako příklad jsou zde uvedena zařízení od společností Advanced Photonix, Inc., Vishay Semiconductor Opto Division, Excelitas Technologies, Genicom Co., Ltd., Marktech Optoelectronics a NTE Electronics.

Typicky používané optické spektrum pro fotodiody a fototranzistory

Fotodiody a fototranzistory jsou citlivé na řadu optických vlnových délek. V některých případech se jedná o konstrukční hledisko, například při dělání operace neviditelné pro lidské oko. Konstruktér by si měl být vědom optického spektra, aby mohl zařízení přizpůsobit aplikaci.

Optické spektrum sahá od infračerveného záření s delší vlnovou délkou (IR) po ultrafialové záření s kratší vlnovou délkou (UV) (obrázek 1). Vlnové délky viditelného světla se nacházejí mezi těmito dvěma zářeními.

Obrázek 1: Část elektromagnetického spektra, optické spektrum zahrnuje UV až IR záření s viditelným spektrem mezi těmito dvěma zářeními. V tabulce jsou uvedeny viditelné vlnové délky a jejich přidružené frekvence. (Zdroj obrázku: společnosti Once Lighting (nahoře) a Art Pini (dole))

Většina optoelektronických zařízení je specifikována pomocí jejich provozních vlnových délek v nanometrech, hodnoty frekvence se používají jen zřídka.

Křemíkové (Si) fotodiody bývají citlivé na viditelné světlo. Zařízení citlivá na infračervené záření používají antimonid india (InSb), arsenid india a galia (InGaAs), germanium (Ge) nebo telurid rtuťno-kademnatý (HgCdTe). Zařízení citlivá na UV záření běžně používají karbid křemíku (SiC).

Fotodioda

Fotodioda je dvouprvkový PN nebo PIN přechod, který je vystaven světlu přes průhledné tělo nebo kryt. Dopadem světla na přechod vzniká v závislosti na režimu provozu proud nebo napětí. Fotodioda pracuje v kterémkoli ze tří režimů v závislosti na předpětí, které je na ni aplikováno. Jedná se o fotovoltaický nebo fotokonduktivní režim či režim lavinové diody.

Pokud je fotodioda bez předpětí, pracuje ve fotovoltaickém režimu a při osvětlení světelným zdrojem vytváří malé výstupní napětí. V tomto režimu se fotodioda chová jako solární článek. Fotovoltaický režim je užitečný v nízkofrekvenčních aplikacích, obecně pod 350 kHz, s nízkou intenzitou světla. Výstupní napětí je nízké a výstup fotodiody vyžaduje ve většině případů zesilovač.

Fotokonduktivní režim vyžaduje, aby měla fotodioda závěrné předpětí. Aplikované závěrné předpětí vygeneruje vyprázdněnou oblast na PN přechodu. Čím větší je předpětí, tím širší je vyprázdněná oblast. Širší vyprázdněná oblast má za následek sníženou kapacitu ve srovnání s diodou bez předpětí, což má za následek rychlejší doby odezvy. Tento režim má vyšší úrovně šumu a může vyžadovat omezení šířky pásma k jejich regulaci.

Pokud se závěrné předpětí dále zvýší, fotodioda pracuje v režimu lavinové diody. V tomto režimu pracují fotodiody ve stavu s vysokým závěrným předpětím, což umožňuje násobení každého páru elektron-díra vytvořeného světlem v důsledku lavinového průrazu. To má za následek vnitřní zisk a vyšší citlivost fotodiody. Tento režim se funkcí podobná fotonásobiči.

Ve většině aplikací pracuje fotodioda ve fotokonduktivním režimu se závěrným předpětím (obrázek 2).

Obrázek 2: Fotodioda se závěrným předpětím vytváří proud úměrný intenzitě světla v důsledku vytváření párů elektron-díra ve vyprázdněné oblasti. Modré kruhy představují elektrony a bílé kruhy označují díry. (Zdroj obrázku: společnost Art Pini)

Neosvětlený přechod fotodiody se závěrným předpětím má vyprázdněnou zónu s několika volnými nosiči. Vypadá to jako nabitý kondenzátor. Existuje malý proud způsobený tepelně excitovanou ionizací, nazývaný proud „za tmy“ („dark current“). Ideální fotodioda by měla nulový proud za tmy. Úrovně proudu za tmy a tepelného šumu jsou úměrné teplotě diody. Proud za tmy může zakrýt fotoelektrický proud kvůli extrémně nízkým úrovním světla, takže by měla být vybrána zařízení s nízkými proudy za tmy.

Když světlo dopadá na vyprázdněnou vrstvu s dostatečnou energií, ionizuje atomy v krystalové struktuře a vytváří páry elektron-díra. Stávající elektrické pole v důsledku předpětí způsobí, že se elektrony přesunou ke katodě a díry se přesunou k anodě, čímž vznikne fotoelektrický proud. Čím větší je intenzita světla, tím větší je fotoelektrický proud. Charakteristika proudu a napětí fotodiody se závěrným předpětím je uvedena na obrázku 3.

Obrázek 3: Schéma charakteristiky napětí-proud pro fotodiodu se závěrným předpětím ukazuje přírůstkové změny proudu diody jako funkci úrovně světla. (Zdroj obrázku: společnost Art Pini)

Graf znázorňuje zpětný proud diody jako funkci použitého závěrného předpětí s intenzitou světla jako parametrem. Všimněte si, že zvyšující se úrovně osvětlení mají za následek proporcionální nárůst úrovní zpětného proudu. To je základ pro použití fotodiod k měření intenzity světla. Předpětí, když je větší než 0,5 voltu, má na fotoelektrický proud malý vliv. Zpětný proud lze převést na napětí jeho přivedením na transimpedanční zesilovač.

Typy fotodiod

Rozmanitost aplikací detekce a měření světla dala vzniknout řadě různých typů fotodiod. Základní fotodiodou je planární PN přechod. Tato zařízení nabízejí nejlepší výkon ve fotovoltaickém režimu bez předpětí. Jsou to také cenově nejvýhodnější zařízení.

Model 002-151-001 od společnosti Advanced Photonix, Inc. je příkladem planární difúzní fotodiody/fotodetektoru InGaAs (obrázek 4). Dodává se v pouzdru pro povrchovou montáž (SMD) o rozměrech 1,6 × 3,2 × 1,1 mm s aktivní optickou clonou o průměru 0,05 mm.

Obrázek 4: Model 002-151-001 je planární difúzní PN SMD fotodioda o rozměrech 1,6 × 3,2 × 1,1 mm. Má spektrální rozsah 800 až 1 700 nm. (Zdroj obrázku: společnost Advanced Photonix)

Tato fotodioda InGaAs má spektrální rozsah 800 až 1 700 nm pokrývající IR spektrum. Její proud za tmy je méně než 1 nA. Spektrální odezva fotodiody, která udává proudový výstup pro konkrétní optický příkon, je obvykle 1 A/W. Je určena pro aplikace včetně průmyslového snímání, zabezpečení a komunikace.

PIN dioda je vytvořena vložením vysoce odolné vlastní („intrinsic“) polovodičové vrstvy mezi vrstvy typu P a typu N běžné diody. Název PIN proto odráží strukturu diody.

Vložení vlastní vrstvy zvyšuje efektivní šířku vyprázdněné vrstvy diody, což má za následek nižší kapacitu a vyšší průrazné napětí. Nižší kapacita účinně zvyšuje rychlost fotodiody. Větší vyprázdněná oblast nabízí větší objem fotony indukovaného generování párů elektron-díra a větší kvantovou účinnost.

Model VBP104SR společnosti Vishay Semiconductor Opto Division je křemíková PIN fotodioda pokrývající spektrální rozsah od 430 do 1 100 nm (fialová barva až blízko IR záření). Má typický proud za tmy 2 nA a velkou opticky citlivou plochu 4,4 mm² (obrázek 5).

Obrázek 5: Model VBP104SR společnosti Vishay je PIN fotodioda s velkým optickým snímacím okénkem určená pro vysokorychlostní fotodetekci. (Zdroj obrázku: společnost Vishay Semiconductors)

Lavinová fotodioda (APD) je funkčně podobná fotonásobiči v tom, že k vytváření zisku v diodě využívá lavinový efekt. V přítomnosti vysokého závěrného předpětí generuje každý pár díra-elektron další páry pomocí lavinového průrazu. To má za následek zisk ve formě většího fotoelektrického proudu na foton světla. Díky tomu je APD ideální volbou pro nízkou citlivost na světlo.

Příkladem APD je model C30737LH-500-92C od společnosti Excelitas Technologies. Má spektrální rozsah 500 až 1 000 nm (azurová barva až blízko IR záření) se špičkovou odezvou při 905 nm (IR). Spektrální odezva je 60 A/W při 900 nm s proudem za tmy menším než 1 nA. Model je určen pro aplikace s velkou šířkou pásma, jako je detekce a určování vzdálenosti v automobilech (LiDAR) a optická komunikace (obrázek 6).

Obrázek 6: Lavinová fotodioda C30737LH-500-92C je širokopásmová fotodioda zaměřená na aplikace, jako je LiDAR a optické komunikace. (Zdroj obrázku: společnost Excelitas Technology)

Schottkyho fotodiody

Schottkyho fotodioda je založena na přechodu kov-polovodič. Kovová strana přechodu tvoří anodovou elektrodu, zatímco polovodičová strana typu N je katoda. Fotony procházejí částečně průhlednou kovovou vrstvou a jsou v polovodiči typu N absorbovány, čímž se uvolňují páry nabitých nosičů. Tyto volně nabité nosiče jsou smeteny z vyprázdněné vrstvy aplikovaným elektrickým polem a tvoří fotoelektrický proud.

Významnou vlastností těchto diod je jejich velmi rychlá doba odezvy. Obecně používají malé struktury diodových přechodů, které jsou schopny rychle reagovat. Schottkyho fotodiody se šířkou pásma v gigahertzovém rozsahu jsou komerčně dostupné. Díky tomu jsou ideální pro širokopásmové optické komunikační spoje.

Příkladem Schottkyho fotodiody je fotosenzor GUVB-S11SD od společnosti Genicom Co., Ltd. (obrázek 7). Tato fotodioda citlivá na UV záření je určena pro aplikace, jako je UV indexování. Využívá materiál na bázi nitridu hliníku a galia (AlGaN) a má rozsah spektrální citlivosti od 240 do 320 nm v UV spektru. Zařízení je spektrálně citlivé a slepé vůči viditelnému světlu, což je užitečná funkce v jasně osvětlených prostředích. Má proud za tmy menší než 1 nA a odezvu 0,11 A/W.

Obrázek 7: Model GUVB-S11SD je fotosenzor citlivý na UV záření na bázi AlGaN s aktivní optickou plochou 0,076 mm². (Zdroj obrázku: společnost Genicom Co., Ltd.)

Fototranzistory

Fototranzistor je přechodové polovodičové zařízení podobné fotodiodě v tom, že generuje proud úměrný intenzitě světla. Lze si to představit jako fotodiodu s vestavěným proudovým zesilovačem. Fototranzistor je NPN tranzistor, kde je připojení báze nahrazeno optickým zdrojem. Přechod báze-kolektor má závěrné předpětí a je vystaven vnějšímu světlu přes průhledné okénko. Přechod báze-kolektor je záměrně vyroben tak velký, aby bylo možné maximalizovat fotoelektrický proud. Přechod báze-emitor má předpětí v propustném směru, přičemž jeho proud kolektoru je funkcí úrovně dopadajícího světla. Světlo dodává proud základně, který je zesílen normální činností tranzistoru. Při absenci světla protéká malý proud za tmy jako u fotodiody.

Model MTD8600N4-T společnosti Marktech Optoelectronics je NPN fototranzistor se spektrální citlivostí 400 až 1 100 nm (viditelné světlo až blízké IR) a špičkovou fotoodezvou při 880 nm (obrázek 8).

Obrázek 8: Fototranzistor MTD8600N4-T vytváří proud kolektoru úměrný úrovni dopadajícího světla. Všimněte si, že proud kolektoru je řádově vyšší než u fotodiody kvůli proudovému zesílení tranzistoru. (Zdroj obrázku: společnost Marktech Optoelectronics)

Tento fototranzistor je umístěn v kovové nádobě s průhledným kopulovitým vrškem. Graf znázorňuje proud kolektoru jako funkci napětí kolektor-emitor se světelným ozářením jako parametrem. Proudy kolektoru jsou výrazně vyšší než proud ve fotodiodě v důsledku zesílení proudu v tranzistoru.

Fototranzistory jsou dostupné v mnoha stylech pouzder. Například NPN fototranzistor NTE3034A společnosti NTE Electronics používá lisované epoxidové pouzdro, které přijímá světlo ze strany. Reaguje také na viditelné světlo až světlo blízké IR s maximální fotoodezvou při 880 nm.

Závěr

Detekce světla pomocí fototranzistorů a fotodiod je jedním ze způsobů, kterými mikroprocesory nebo mikrokontroléry dávají smysl fyzickému světu a podle toho implementují řídicí nebo analytické algoritmy. Fototranzistor najde využití ve stejných aplikacích jako fotodioda, i když každý z nich má své vlastní výhody. Fototranzistor nabízí vyšší výstupní proud než fotodioda, zatímco fotodioda má tu výhodu, že pracuje při vyšších frekvencích.