Hur du använder fotodioder och fototransistorer effektivast

Fototransistorer och fotodioder är nära relaterade elektrooptiska transduktorer som omvandlar infallande ljus till elektrisk ström i tillämpningar för positions-/närvaroavkänning, mätning av ljusintensitet samt optisk höghastighetspulsavkänning. För att få ut så mycket som möjligt att komponenterna, måste utvecklaren vara särskilt omsorgsfull beträffande gränssnittskretsar, våglängder och optisk mekanisk injustering.

Till exempel krävs det rätt gränssnittskretsar för att få ut maximal ström över varierande intensitet och förhållanden. Men för att få ett väl fungerande system krävs också förståelse av komponenternas funktionsprinciper och skillnaden mellan fototransistorer och fotodioder.

I den här artikeln beskrivs de två komponenternas funktionsprinciper, ett antal kritiska parameteröverväganden och några detaljer kring användande av enheterna, plus exempel på lösningar.

Grundläggande om fotodioder och fototransistorer och deras egenskaper

Fotodioder genererar ett strömflöde genom att absorbera ljus. Det finns två typer – se figur 1. Den första sorten är en s.k. fotoelektrisk (dvs. en solcell), som producerar ström när det faller ljus på den. Den andra sorten är fotoledaren, som är en fotodiod med omvänd biasering. När ljus träffar fotodioden minskar dess resistans mot den omvända biasströmmen.

Denna ström kan mätas, för att få ett värde på det infallande ljusets intensitet. Fotodioden kan betraktas som en begränsare av strömflödet – mer ljus minskar begränsningen. I nästan alla situationer måste fotodioden användas med en förstärkare, till exempel en transimpedansförstärkare (TIA), för att omvandla strömflödet till en signal.

Figur 1: Eftersom det behövs en lins och en optisk väg till sensorn, måste fotodioder och fototransistorer ha andra typer av höljen än konventionella dioder och transistorer. (Bildkälla: Learnabout-electronics)

Fototransistorer är något mer komplicerade än fotodiodoer, eftersom de är transistorer med utsatt basterminal. Fotoner som träffar enheten aktiverar transistorn, men därutöver är beteendet samma som för en konventionell transistor. (I solidstate-enheternas tidiga historia hade vissa transistorer och många dioder genomskinliga höljen, vilket ledde till instabilt beteende hos kretsarna, beroende på hur mycket ljus som träffade dem.) Motsvarande krets hos en fototransistor är en fotodiod där den utgående fotoströmmen leds in i basen på en småsignaltransistor (figur 2).

Figur 2: Den elektriska och fysiska modellen av en fototransistor är en fotodiod där den utgående fotoströmmen leds in i basen på en småsignaltransistor. (Bildkälla: Mechapedia/Northwestern University)

Eftersom fototransistorn har tre poler finns det flera sätt att ansluta den, där anslutning med gemensam emitter (CE) och gemensam kollektor tillhör de vanligaste konfigurationerna (figur 3). I CE-konfigurationen får ljuset utmatningen att gå från hög till låg – i CC-konfigurationen sker det omvända.

Figur 3: Fototransistorn kan anslutas med gemensam emitter (vänster) eller gemensam kollektor (höger), precis som en vanlig transistor. (Bildkälla: ON Semiconductor)

För fototransistorer finns det en annan viktig aspekt som inte gäller fotodioder: Fototransistorer kan användas i aktivt läge eller switchläge. I det aktiva läget är transistorn en analog komponent med linjär utmatning som är proportionell mot ljusets intensitet. I switchläget fungerar transistors som en digital enhet, som är antingen i på-läge (cutoff) eller av-läge (mättat, saturated).

Funktionsläget bestäms av värdet för lastmotståndet R_L, dvs. s R_c eller R_e i figur 3. Det aktiva läget inträffar när V_CC > R_L × I_CC, och switchläget när V_CC < R_L × I_CC, där I_C är maximal förväntad ström och V_CC är matningsspänningen. Om fototransistorn är till för att mäta ljusets intensitet, används det aktiva läget. Switchläget används om fototransistorn är till för att detektera förekomst eller frånvaro av ljus, till exempel för att upptäcka om ett kort har stuckits in i en kortläsare.

Fototransistorer och fotodioder har stora likheter, men skiljer sig åt vad gäller prestanda. Generellt kan fotodioder tillverkas för att vara mycket snabbare – upp till en eller två gånger snabbare – och med bredare frekvensrespons än fototransistorer. Därför används de för ljuspulsdetektering i fiberoptiska höghastighetslänkar. Fotodioder behöver dock en extern förstärkare, medan en fototransistor själv kan generera tillräckligt stor strömförstärkning i en tillämpning.

Fotodiodens prestandaparametrar, däribland ljuskänslighet, läckström och svarstid, är inte heller lika temperaturberoende som fototransistorns.

Designöverväganden: mycket mer än enbart elektronik

Fototransistorer och fotodioder stimuleras av ljus. Det innebär att designen måste erbjuda en tydlig optisk väg som ljuset kan ta för att nå fotokomponenterna, och denna ”ljusväg” måste upprätthållas från källan till avkänningsytan, under produktens hela livslängd.

Mekaniska överväganden för placering av fototransistorn eller fotodioden beror på tillämpningen, funktionslägen, användarinteraktion och många andra faktorer som man måste ta hänsyn till när produkten designas. Att den optiska vägen bibehålls är avgörande. Även små variationer på grund av tillverkningstoleranser, kortböjning, damm eller andra väntade eller oväntade faktorer, måste övervägas.

Den optiska halva acceptansvinkeln för typiska fotodioder och fototransistorer varierar mellan ±10° och ±30° beroende på format, linsarrangemang och avstånd. Beroende på applikationen kan en bredare eller smalare acceptansvinkel vara att föredra.

Ibland kan den omvända situationen vara problemet: oönskat ljus från en källa i omgivningen kan fångas upp av de ljuskänsliga komponenterna. I sådana situationer kan det bli nödvändigt att använda externa optiska skärmar, intern ljusblockering och/eller optiska bandpassfilter, eller att försänka sensorn, utan att emitterutsignalen påverkas på vägen till sensorn. Det här innebär ofta att man måste hitta den ”perfekta balansen” mellan flera motstridiga alternativ och en rad elektroniska, optiska och mekaniska faktorer.

Prestandaparametrar beroende av elektrooptiska aspekter, designkompromisser

Enheterna har en rad elektriska specifikationer, men därutöver ett antal elektrooptiska faktorer att ta hänsyn till, däribland spektral respons, känslighet och förstärkning, linjäritet, mörkström, svarstid och brus.

Spektral respons: Spektral respons beror främst på enhetens basmaterial och dopning. Kiselbaserade enheter har sin toppkänslighet i ett band inom det nära infraröda området, vid ca 840 nm (nanometer), men det finns enheter optimerade för andra våglängder.

Fototransistorer och fotodioder har liknande spektral känslighet eftersom de baseras på samma solidstate-fysikaliska principer. Men toppresponsen för en fototransistor sker vid en något kortare våglängd än för en typisk fotodiod, eftersom fototransistorns förgreningar är ordnade epitaxiellt snarare än som kristallina kiselskikt.

Det här innebär att den ljuskälla som enheterna ”ser” – oavsett om det är LED-ljus, solsken eller omgivningsljus från en annan källa – måste leverera sitt ljus i samma känslighetsband, om fotokomponenten ska fungera effektivt. Vanliga LED-enheters utmatningsspektrum är lyckligtvis inom kiselbaserade fotosensorers känslighetsband.

Känslighet och förstärkning: De här egenskaperna definierar hur effektivt enheten omvandlar fotoner till ett strömflöde. Ett namn för det är kvanteffektivitet, som beskriver förhållandet mellan infallande fotonenergi och strömflödet. Fotodioder producerar endast en mycket liten mängd ström, från några nanoampere (nA) till några mikroampere (µA). Strömmen är mycket högre för fototransistorer, på grund av den egna förstärkningsförmågan, som liknar den hos konventionella småsignaltransistorer, men varierar med basdrivning, biasspänningen och temperaturen.

Linjäritet: En fotodiods utmatning är linjär över ett brett område, vanligen sju till nio dekaders ljusintensitet. En fototransistors kollektorström (I_C) däremot, är linjär endast över tre till fyra dekader, eftersom DC-förstärkningen (h_FE) hos fototransistorn beror på kollektorströmmen, som i sin tur beror på basdrivningen. För vissa fototransistortillämpningar, exempelvis test- och mätinstrument, krävs linjäritet, men för andra tillämpningar, till exempel för enklare närvaroavkänning, behövs inte det.

Här måste man alltså ta ställning till vilken sorts komponent som kan användas i tillämpningen: lägre krav på linjäritet ger flera möjliga alternativ och lägre kostnad.

Mörkström: För fotodioder är det här den lilla ström som flödar även om enheten finns där det är helt mörkt. Mörkström är även en funktion av internt brus. För fototransistorer är mörkströmmen läckströmmen från kollektor-bas-förgreningen multiplicerat med transistorns dc-strömförstärkning. Det förhindrar att fototransistorn är helt ”avstängd” som ideal switch.

Svarstid: Fotodioder är snabbare än fototransistorer, där hastigheten är en funktion av lastmotståndet och kapacitansen för transistorns kollektor-bas-förgrening. Fotodioden behöver å andra sidan en extern förstärkare, vilket påverkar svarstiden. Stig- och sjunktiderna (10–90 % respektive 90–10 %) är vanligen symmetriska, om inte fototransistorn bottnas, vilket ökar sjunktiden. Fotodioder med nanosekunds- och femtosekundssvar är tillgängliga på marknaden.

Brus: Ingen elektronisk komponent kan diskuteras utan brus nämns. För fotodioder och fototransistorer finns många typer av brus, inklusive skottbrus, mörkströmsbrus, termiskt brus, genererings-rekombinationsbrus och avläsningsbrus. Varje sorts brus beror på olika typer av fysikaliska faktorer, och på olika enhetsformuleringar och driftförhållanden (spänning, temperatur, last) som gör att de olika bruskällorna får olika stor effekt. För de flesta masskonsumenttillämpningar är brus inte något större problem. Inom instrumentering och datalänkar med ultrahög överföringshastighet är dock brus att stort problem, särskilt vid mycket låga ljusnivåer.

När det gäller ovanstående prestandaparametrar finns det framför allt två aspekter som konstruktören måste klargöra. För det första: Vilka är testförhållandena när enheter från olika tillverkare testas och jämförs? Prestanda kan variera kraftigt beroende på optiska förhållanden, spänningar, lastmotstånd och andra faktorer, så det är viktigt att använda liknande förhållanden. När en viss komponent har valts, bör den användas under de förhållanden som specificeras i databladet. Om det inte är möjligt, behövs ytterligare testning eller interpoleringar.

Det andra som måste klargöras är: Vilka specifikationer är viktiga i en given tillämpning, och hur viktiga är de? Till exempel är hastighet viktigt för en fotodiod i en fiberoptisk kommunikationslänk. Den spektrala responsen är däremot mindre viktig, eftersom källans LED-spektrum är känt, och responsen kan matchas mot sensorn, med hänsyn till den övergripande känsligheten i systemet.

För en fototransistor som används för att känna av om ett bankkort sticks in i en kortplats, krävs det däremot inte särskilt hög hastighet. I stället är det viktigt med låg mörkström och jämn förstärkning, för att få tillförlitlig funktion i en lång rad olika användningsscenarier.

I allmänhet beror fotodiodens prestanda till stor del på enhetens material, dopning och hölje, liksom det fotokänsliga materialets storlek. Även fototransistorns prestanda beror på dessa faktorer, men även på transistorförstärkningen (tabell 1).

Tabell 1: Fotodioders och fototransistorerns prestanda baserat på det fotokänsliga materialets storlek, och transistorförstärkningens effekt på fototransistorn (bildkälla: DigiKey)

Komponenter för optoelektrisk övergång

En representativ kiselbaserad fotodiod är Everlight PD15-21B/TR8, som har en spektralbandbredd på 730–1100 nm, med en topp vid 940 nm (figur 4). Den ytmonterade enheten har ett svart plasthölje, och är främst avsedd för grundläggande konsumentprodukter som kopiatorer, spelmaskiner och kortläsare. Maximal utström för enheten – som har formatet 1,5 × 3,2 × 1,1 mm – är is 0,8 µA. IR-källan för ljusupptagning är på 875 nm, med effekten 1 mW/cm². Svarstiden är 6 nanosekunder (ns) och maximal mörkström är 10 nA. Som SMT-enhet erbjuder fotodioden många monteringsalternativ jämfört med en blyad enhet, men den omsmältningstemperatur som anges på databladet får inte överskridas, även om den är ”låg” jämfört med vad andra komponenter på kortet klarar.

Figur 4: Spektral utmatning från kiselfotodioden Everlight PD15-21B/TR8, med en topp vid 950 nm och en ungefärlig bandbredd på 370 nm. (Bildkälla: Everlight)

Men endast fotodioder kan inte leverera den ström som behövs i de flesta situationer, och inte heller driva någon större last. Därför används de nästa alltid tillsammans med en transimpedansförstärkare (TIA) som omvandlar den låga högimpedansutmatningen till en användbar spänning. TIA-förstärkaren levererar en låg ingångsimpedans till fotodioden, och översätter små strömvariationer vid ingången till mycket högre spänningsvariationer vid utgången.

Designövervägande: Det här kan tyckas vara samma topologi som att använda en känd strömavkännande resistor för att omvandla lastström till spänning för att mäta ström – det är det inte. I ett sådant arrangemang fås väsentlig drivning från en lågimpedanskälla, vilket är en mycket annorlunda situation.

Ett exempel är Analog Devices LTC6268, en enkanals FET-op-förstärkare med extremt låg ingångsbiasström och låg ingångskapacitans, främst avsedd för instrumenteringstillämpningar (figur 5).

Figur 5: TIA-förstärkaren LTC6268 från Analog Devices är optimerad för instrumenteringstillämpningar, vilket framgår av det minimala bruset och den extremt låga biasströmmen på ingången. (Bildkälla: Analog Devices)

En biasström på endast 3 femtoampere (fA) (typiskt) vid rumstemperatur, och 4 pikoampere (pA) (maximalt) vid 125 °C ser till att TIA-enheten inte ”belastar” fotodiodutgången och avleder den pyttelilla strömmen. Brusströmmen, som kan påverka noggrannheten, är endast 5,5 fA/√Hz, upp till 100 kHz. Dynamiska specifikationer är en örstärknings-bandbreddsprodukt på 500 MHz, och -3 dB bandbredd vid enhetsförstärkningne 350 MHz. Återkopplingsnätverket för RC-förstärkning behöver viss kapacitans för stabilitet och loop-shaping, utöver den diskreta resistorn, men i de flesta fall räcker PC-kortets parasitiska kapacitans, vilket sparar utrymme och ger en komponent mindre i stycklistan.

Andra TIA-enheter är optimerade för optiska datalänkar i stället för instrumentering. Maxim Integrateds MAX3658 är en transimpedansförstärkare för optiska mottagare med hastigheter upp till 622 Mbit/s, och har egenskaper som passar för fiber och sändtagare med liten formfaktor (figur 6). Till skillnad från en TIA-enhet för instrumentering, är den här enheten utformad för att bibehålla signalintegritet, minimera intersymbol-interferens och minimera bitfel i differentialla 75 ohms koaxialledningar.

Figur 6: För optiska fiberlänkar med hastigheter upp till 622 Mbit/s – Maxim Integrateds MAX3658 TIA är utformad för att bibehålla signalintegritet i ett balanserat par av 75 ohms koaxialkablar. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Som med andra op-förstärkare – konventionella eller av TIA-typ – innefattar MAX3658:s datablad många prestandagrafer för olika perspektiv på ström, spänning, hastighet, temperatur osv. Men eftersom den här TIA-enheten är utformad för optiska länkar med hastigheter upp till 622 Mbit/s och uppfyller aktuella branschstandarder, innehåller databladet även ögondiagram som illustrerar prestanda för olika driftförhållanden (figur 7).

Figur 7: Ögondiagram ger en typ av prestandabeskrivning av datakommunikationslänkar för olika optiska inmatningsnivåer. (Bildkälla: Maxim Integrated)

För tillämpningar där det behövs en fototransistor med egenförstärkning, är Kingbrights APTD3216P3C-P22 NPN kiselenhet ett möjligt alternativ (figur 8). Som den föregående fotodioden har den formatet 3,2 × 1,6 mm. Eftersom ljusupptagning är en kritisk faktor för enhetens prestanda, är ”mindre” inte nödvändigtvis lika med ”bättre” för fotonupptagande komponenter.

Figur 8: Fototransistorn APTD3216P3C-P22 från Kingbright har ett stort hölje, jämfört med konventionella transistorer. Detta för att kunnata upp mer infallande ljus och erbjuda förbättrad känslighet. (Bildkälla: Kingbright)

Även denna matchar spektrumet från en infraröd LED-källa, och har en vinkekänslighet på ca ±15° (figur 9).

Figur 9: När det gäller fototransistorer är känsligheten kontra våglängden och off-axis-vinkeln viktiga specifikationer. (Bildkälla: Kingbright)

Eftersom den även är en transistor är många av prestandaspecifikationerna temperaturberoende. Till exempel ökar mörkströmmen på 1 nA vid 25 °C till ca 100 nA vid 70 °C (figur 10). Det måste man ta hänsyn till när produkten designas.

Figure 10: Som transistor är många av specifikationerna för Kingbright APTD3216P3C-P22 beroende av temperatur. Här visas hur mörkströmmen stiger från ca 1 nA till 100 nA när temperaturen ökar från 25 °C till 70 °C. (Bildkälla: Kingbright)

Slutsats

Optiska komponenter, till exempel fotodioder och fototransistorer, används för närvarodetektering och avancerad instrumentering. De är dessutom en grundläggande del av optiska datalänkar. Eftersom de är elektrooptiska komponenter, och därmed är en sorts ”hybrida” enheter, måste utvecklarna göra en mängd överväganden vad gäller elektricitet, optik och mekanik, liksom specialiserade elektroniska gränssnittskomponenter som kan optimera produktens funktioner.

När dessa designöverväganden väl har gjorts finns det många lämpliga enheter som kan användas i tillämpningar för detektering, instrumentering och optiska länkar.