Grunderna kring fotodioder och fototransistorer och hur man tillämpar dem

Det finns en typ av konstruktionsproblem som lätt kan lösas med hjälp av människans syn. Tänk på att känna av hur pappret ska placeras i en skrivare. Det är enkelt för en människa att se placeringen, men svårt för en mikroprocessor att kontrollera den. Kameran i en mobiltelefon behöver mäta det omgivande ljuset för att avgöra om blixten behöver aktiveras. Hur kan syrehalten i blodet bedömas på ett icke-invasivt sätt?

Lösningen på dessa konstruktionsproblem är användningen av fotodioder eller fototransistorer. Dessa optoelektroniska enheter omvandlar ljus (fotoner) till elektriska signaler och gör det möjligt för en mikroprocessor (eller mikrokontroller) att "se". Det gör det möjligt att kontrollera ett objekts position och riktning, bestämma ljusets intensitet och mäta materialens fysiska egenskaper baserat på deras interaktion med ljus.

Artikeln förklarar teorin kring fotodioders och fototransistorers funktion, och ger konstruktörer grundläggande kunskaper om deras tillämpning. Enheter från Advanced Photonix, Inc., Vishay Semiconductor Opto Division, Excelitas Technologies, Genicom Co., Ltd., Marktech Optoelectronics och NTE Electronics presenteras som exempel.

Det optiska spektrum som vanligtvis används för fotodioder och fototransistorer

Fotodioder och fototransistorer är känsliga för ett antal optiska våglängder. I vissa fall är detta av konstruktionsmässiga skäl, som till exempel för att göra användningen osynlig för det mänskliga ögat. Konstruktören bör känna till det optiska spektrumet för att kunna anpassa apparaterna till tillämpningen.

Det optiska spektrumet sträcker sig från infrarött (IR) med längre våglängd till ultraviolett (UV) med kortare våglängd (figur 1). De synliga våglängderna finns däremellan.

Figur 1: Det optiska spektrumet är en del av det elektromagnetiska spektrumet och sträcker sig från UV till IR med det synliga spektrumet däremellan. I tabellen anges de synliga våglängderna och deras tillhörande frekvenser. (Bildkälla: Once Lighting (överst) och Art Pini (nederst))

De flesta optoelektroniska enheter anges med deras våglängder i nanometer (nm); frekvensvärden används sällan.

Fotodioder av kisel (Si) är känsliga för synligt ljus. IR-känsliga enheter använder indiumantimonid (InSb), indiumgalliumarsenid (InGaAs), germanium (Ge) eller kvicksilverkadmiumtellurid (HgCdTe). I UV-känsliga enheter används ofta kiselkarbid (SiC).

Fotodioden

Fotodioden är en P-N- eller PIN-koppling med två element som exponeras för ljus genom en genomskinlig kropp eller ett genomskinligt lock. När ljuset träffar övergången, genereras en ström eller spänning beroende på användning. Fotodioden fungerar i tre olika lägen beroende på den förspänning som appliceras. Lägena är fotovoltaisk, fotokonduktiv och lavindiod.

Om fotodioden är opåverkad fungerar den i fotovoltaiskt läge och producerar en liten utgångsspänning när den belyses med en ljuskälla. I detta läge fungerar fotodioden som en solcell. Det fotovoltaiska läget är användbart i lågfrekventa tillämpningar, i allmänhet under 350 kHz, med låg ljusintensitet. Utgångsspänningen är låg och fotodiodens utgång kräver i de flesta fall en förstärkare.

Det fotokonduktiva läget kräver att fotodioden är omvänt förspänd. Den omvända förspänning som används, skapar en utarmningsregion vid P-N-övergången. Ju större förspänning, desto bredare utarmningsområde. Det bredare utarmningsområdet medför en minskad kapacitans jämfört med en diod utan förspänning, vilket leder till snabbare svarstider. Detta läge har högre störningsnivåer och kan kräva bandbreddsbegränsning för att kontrollera dessa.

Om den omvända förspänningen ökas ytterligare arbetar fotodioden i lavindiodläge. I detta läge arbetar fotodioderna i en hög omvänd förspänning, vilket gör det möjligt att multiplicera varje fotoproducerat elektronhålpar på grund av lavinnerbrytningen. Detta resulterar i en intern förstärkning och högre känslighet i fotodioden. Detta läge är en funktion som liknar ett fotomultiplikatorrör.

I de flesta tillämpningar fungerar fotodioden i fotokonduktivt läge med omvänd förspänning (figur 2).

Figur 2: Den omvänt polariserade fotodioden genererar en ström som är proportionell mot ljusintensiteten tack vare skapandet av elektronhålspar i det utarmade området. De blå fyllda cirklarna representerar elektroner och de vita cirklarna representerar hålen. (Bildkälla: Art Pini)

Den omvänt polariserade, obelysta fotodiodförbindelsen har en utarmningszon med få fria bärare. Det ser ut som en laddad kondensator. Det finns en liten ström som orsakas av termiskt exciterad jonisering, som kallas "mörk" ström. En perfekt fotodiod skulle ha noll mörkström. Mörkerströmmen och de termiska störningsnivåerna är proportionella mot diodens temperatur. Den mörka strömmen kan dölja fotoströmmen på grund av extremt låga ljusnivåer, så man bör välja enheter med låg mörkerström.

När ljuset träffar utarmningsskiktet med tillräcklig energi, joniserar det atomerna i kristallstrukturen och genererar elektronhålpar. Det befintliga elektriska fältet, kommer tack vare förspänningen, att få elektronerna att flytta sig till katoden och hålen att flytta sig till anoden, vilket ger upphov till en fotoström. Ju högre ljusintensitet, desto högre fotoström. Detta visas i figur 3 av ström- och spänningskaraktäristiken för den omvänt förspända fotodioden.

Figur 3: Det karakteristiska V-I-diagrammet för den omvänt förspända fotodioden visar stegvisa förändringar i diodströmmen som en funktion av ljusnivån. (Bildkälla: Art Pini)

Kurvan visar diodens omvända ström som en funktion av den applicerade omvända förspänningen med ljusintensitet som en parameter. Observera att ökande ljusnivåer ger en proportionell ökning av de omvända strömnivåerna. Detta är grunden till att använda fotodioder för att mäta ljusintensitet. Förspänningen, när den är större än 0,5 V, har liten effekt på fotoströmmen. Den omvända strömmen kan omvandlas till en spänning genom att applicera den på en transimpedansförstärkare.

Typer av fotodioder

De många olika tillämpningarna för ljusdetektering och mätning har gett upphov till en mängd olika typer av fotodioder. Den grundläggande fotodioden är den plana P-N-övergången. Dessa enheter ger bäst prestanda i oförspänt fotovoltaiskt läge. De är även de mest kostnadseffektiva enheterna.

002-151-001 från Advanced Photonix, Inc. är ett exempel på en InGaAs-fotodiod/fotodetektor med plan diffusion (figur 4). Den levereras i en kapsling för ytmontering med måtten 1,6 x 3,2 x 1,1 mm, och en aktiv optisk öppning med en diameter på 0,05 mm.

Figur 4: 002-151-001 är en ytmonterad P-N-fotodiod med plan diffusion som har måtten 1,6 x 3,2 x 1,1 mm. Den har ett spektralområde från 800 till 1700 nm. (Bildkälla: Advanced Photonix)

Denna InGaAs-fotodiod har ett spektralområde från 800-1700 nm, vilket omfattar det infraröda spektrumet. Dess mörkerström är mindre än 1 nA. Dess spektrala responsivitet, som anger den utgående strömmen för en specifik optisk effekt, är vanligtvis 1 A/W. Den är avsedd för tillämpningar som industriell avkänning, säkerhet och kommunikation.

PIN-dioden bildas genom att ett odopat halvledarlager med hög inbyggd resistans (med det engelska namnet intrinsic layer) placeras mellan P- och N-lagren i en konventionell diod, därav namnet PIN som återspeglar diodens struktur.

Infogandet av i-lagret ökar den effektiva bredden hos diodens utarmningslager, vilket leder till lägre kapacitans och en högre överslagsspänning. Den lägre kapacitansen ökar i princip fotodiodens hastighet. Det större utarmningsområdet ger en större volym av fotoninducerad generering av elektronhål och en större kvanteffektivitet.

VBP104SR från Vishay Semiconductor Opto Division är en PIN-fotodiod i kisel som täcker spektralområdet från 430 till 1100 nm (violett till nära IR). Den har en typisk mörkerström på 2 nA och ett stort optiskt känsligt område på 4,4 mm² (figur 5).

Figur 5: Vishay VBP104SR är en PIN-fotodiod med ett stort optiskt fönster som är avsedd för fotodetektering i hög hastighet. (Bildkälla: Vishay Semiconductors)

Lavinfotodioden (APD) fungerar på samma sätt som ett fotomultiplikatorrör, eftersom den använder sig av lavinverkan för att skapa förstärkning i dioden. I närvaro av en hög omvänd förspänning genererar varje hålelektronpar ytterligare par med hjälp av lavinnerbrytning. Det ger en förstärkning i form av en större fotoström per ljusfoton. Det gör APD till ett perfekt val för känslighet i svagt ljus.

Ett exempel på en APD är C30737LH-500-92C från Excelitas Technologies. Den har ett spektralområde på 500-1000 nm (cyan till nära IR) med ett maximalt svar vid 905 nm (IR). Den har en spektral känslighet på 60 A/W vid 900 nm med en mörkerström på mindre än 1 nA. Den är avsedd för tillämpningar med hög bandbredd, t.ex. LiDAR (Light detection and ranging) och optisk kommunikation i bilar (figur 6).

Figur 6: lavinfotodioden C30737LH-500-92C är en fotodiod med hög bandbredd som är avsedd för tillämpningar som LiDAR och optisk kommunikation. (Bildkälla: Excelitas Technologies)

Schottky-fotodioder

Schottky-fotodioden är baserad på en metall-till-halvledarövergång (figur 3). Metallsidan av övergången bildar anodelektroden, medan halvledarsidan av N-typ är katoden. Fotoner passerar genom ett delvis genomskinligt metallskikt och absorberas i halvledaren av N-typ, vilket frigör laddade bärarpar. Dessa fritt laddade bärare sveps ut ur utarmningslagret av det applicerade elektriska fältet och bildar fotoströmmen.

En viktig egenskap hos dessa dioder är deras snabba svarstid. De använder i allmänhet små kopplingsstrukturer som kan svara snabbt. Schottky-fotodioder med bandbredd i GHz-området är kommersiellt tillgängliga. Det gör dem perfekta för optiska kommunikationslänkar med hög bandbredd.

Ett exempel på en Schottky-fotodiod är fotosensorn GUVB-S11SD från Genicom Co., Ltd. (figur 7). Denna UV-känsliga fotodiod är avsedd för tillämpningar som UV-indexering. Den använder ett material baserat på aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) och har ett spektralt känslighetsområde från 240 till 320 nm i UV-spektrumet. Apparaten är spektralkänslig och blind för synligt ljus, vilket är en användbar funktion i starkt upplysta miljöer. Den har en mörkerström på mindre än 1 nA och en känslighet på 0,11 A/W.

Figur 7: GUVB-S11SD är en AlGaN-baserad UV-känslig fotosensor med en aktiv optisk yta på 0,076 mm². (Bildkälla: Genicom Co, Ltd.)

Fototransistorer

Fototransistorn är en halvledarenhet som liknar fotodioden i det avseendet att den genererar en ström som är proportionell mot ljusintensiteten. Den kan ses som en fotodiod med en inbyggd strömförstärkare. Fototransistorn är en NPN-transistor där basens anslutning ersatts av en optisk källa. Övergången mellan bas och kollektor är omvänt förspänd och exponeras för externt ljus genom ett genomskinligt fönster. Övergången mellan bas och kollektor har avsiktligt gjorts så stor som möjligt för att maximera fotoströmmen. Övergången mellan bas och emitter är förspänd framåt och kollektorströmmen är en funktion av den infallande ljusnivån. Ljuset levererar basens ström, som förstärks genom normal transistorfunktion. I avsaknad av ljus flödar en liten mörkerström, precis som i fotodioden.

MTD8600N4-T från Marktech Optoelectronics är en NPN-fototransistor med en spektralkänslighet på 400-1100 nm (synlig till nära IR) och en maximal fotoreaktion vid 880 nm (figur 8).

Figur 8: Fototransistorn MTD8600N4-T producerar en kollektorström som är proportionell mot den infallande ljusnivån. Observera att kollektorströmmen är en storleksordning högre än för en fotodiod på grund av transistorns strömförstärkning. (Bildkälla: Marktech Optoelectronics)

Fototransistorn är placerad i en metallburk med en genomskinlig kupol. Diagrammet visar kollektorströmmen som en funktion av spänningen mellan kollektor och emitter, med ljusinstrålningen som parameter. Kollektorströmmarna är betydligt högre än strömmen i en fotodiod på grund av strömförstärkningen i transistorn.

Fototransistorer finns med många olika kapslingar. NPN-fototransistorn NTE3034A från NTE Electronics använder exempelvis en kapsling av gjuten epoxy som tar emot ljus från sidan. Den reagerar även på synligt ljus och ljus nära IR med en maximal fotoreaktion vid 880 nm.

Sammanfattning

Ljusdetektering med hjälp av fototransistorer och fotodioder är ett sätt för mikroprocessorer eller mikrokontroller att förstå den fysiska världen och genomföra styr- och analysalgoritmer i enlighet med detta. Fototransistorn används i samma tillämpningar som fotodioden, även om de båda har sina respektive fördelar. Fototransistorn har en högre nivå på utgångsströmmen än fotodioden, medan fotodioden har fördelen att fungera vid högre frekvenser.