De grondbeginselen van fotodioden en fototransistors en hoe deze toe te passen

Er is een klasse van ontwerpproblemen die gemakkelijk kunnen worden opgelost door gebruik te maken van menselijke visie. Denk aan de juiste plaats van het papier in een printer. Het is gemakkelijk voor een mens om de uitlijning te zien, maar moeilijk voor een microprocessor om dit te verifiëren. De camera in een mobiele telefoon moet het omgevingslicht meten om te bepalen of de flitser moet worden geactiveerd. Hoe kan het zuurstofgehalte in het bloed op niet-invasieve wijze worden bepaald?

De oplossing voor deze ontwerpproblemen is het gebruik van fotodiodes of fototransistors. Deze opto-elektronische apparaten zetten licht (fotonen) om in elektrische signalen en stellen zo een microprocessor (of microcontroller) in staat te "zien". Hierdoor kan hij de positionering en uitlijning van voorwerpen controleren, de lichtintensiteit bepalen en de fysische eigenschappen van materialen meten op basis van hun interactie met licht.

In dit artikel wordt de werkingstheorie van zowel fotodiodes als fototransistors toegelicht en wordt ontwerpers de basiskennis van de toepassing ervan bijgebracht. Apparaten van Advanced Photonix, Inc., Vishay Semiconductor Opto Division, Excelitas Technologies, Genicom Co., Ltd., Marktech Optoelectronics, en NTE Electronics worden bij wijze van voorbeeld gegeven.

Het optische spectrum dat typisch wordt gebruikt voor fotodioden en fototransistoren

Fotodiodes en fototransistors zijn gevoelig voor een reeks optische golflengten. In sommige gevallen is dit een ontwerpoverweging, bijvoorbeeld om de operatie onzichtbaar te maken voor het menselijk oog. De ontwerper moet op de hoogte zijn van het optische spectrum om de toestellen te kunnen afstemmen op de toepassing.

Het optische spectrum strekt zich uit van het infrarood (IR) met een langere golflengte tot het ultraviolet (UV) met een kortere golflengte (Afbeelding 1). De zichtbare golflengten zitten daar tussenin.

Afbeelding 1: Onderdeel van het elektromagnetisch spectrum, het optisch spectrum strekt zich uit van UV tot IR met daartussen het zichtbare spectrum. In de tabel staan de zichtbare golflengten en de bijbehorende frequenties. (Bron afbeelding: Once Lighting (boven) en Art Pini (onder))

De meeste opto-elektronische apparaten worden gespecificeerd aan de hand van hun golflengte in nanometers (nm); frequentiewaarden worden zelden gebruikt.

Fotodiodes van silicium (Si) zijn over het algemeen gevoelig voor zichtbaar licht. IR-gevoelige toestellen maken gebruik van indiumantimonide (InSb), indiumgaliumarsenide (InGaAs), germanium (Ge), of kwik-cadmiumtelluride (HgCdTe). In UV-gevoelige apparaten wordt gewoonlijk siliciumcarbide (SiC) gebruikt.

De fotodiode

De fotodiode is een P-N- of PIN-junctie met twee elementen die aan licht wordt blootgesteld door een transparante behuizing of afdekking. Wanneer licht op de junctie valt, wordt een stroom of spanning ontwikkeld, afhankelijk van de werkingswijze. De fotodiode werkt in een van de drie modi, afhankelijk van de voorspanning die erop wordt toegepast. Dit zijn de fotovoltaïsche, fotogeleidende of lawinediodemodi.

Als de fotodiode niet in balans is, werkt hij in de fotovoltaïsche modus en produceert hij een kleine uitgangsspanning wanneer hij door een lichtbron wordt verlicht. In deze modus werkt de fotodiode als een zonnecel. De fotovoltaïsche modus is nuttig bij toepassingen met een lage frequentie, in het algemeen onder 350 kilohertz (kHz), met een lage lichtintensiteit. De uitgangsspanning is laag, en de fotodiode-uitgang vereist in de meeste gevallen een versterker.

De fotogeleidende modus vereist dat de fotodiode in sperrichting staat. De toegepaste sperspanning zal een depletiegebied genereren bij de P-N-junctie. Hoe groter de bias, hoe breder het depletiegebied. Het bredere depletiegebied resulteert in een lagere capaciteit, vergeleken met de onbelaste diode, wat resulteert in snellere reactietijden. Deze modus heeft hogere ruisniveaus en vereist wellicht bandbreedtebeperking om deze onder controle te houden.

Als de sperrichting verder wordt verhoogd, werkt de fotodiode in de lawinediode-modus. In deze modus werken de fotodiodes in een toestand met een hoge omgekeerde voorspanning, waardoor de vermenigvuldiging van elk foto-geproduceerd elektron-gat-paar als gevolg van lawinedoorslag mogelijk is. Dit resulteert in interne versterking en hogere gevoeligheid in de fotodiode. Deze modus is functioneel vergelijkbaar met een fotomultiplicatorbuis.

In de meeste toepassingen werkt de fotodiode in de fotogeleidende modus met een omgekeerde bias (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De fotodiode met omgekeerde bias produceert een stroom die evenredig is met de lichtintensiteit als gevolg van de vorming van elektron-gatparen in het depletiegebied. De met blauw gevulde cirkels stellen de elektronen voor en de witte cirkels de gaten. (Bron afbeelding: Art Pini)

De in sperrichting geplaatste, niet-verlichte fotodiodeovergang heeft een depletiezone met weinig vrije dragers. Het lijkt op een opgeladen condensator. Er is een kleine stroom die wordt veroorzaakt door thermisch geëxciteerde ionisatie, de "donkere" stroom genoemd. Een ideale fotodiode zou nul donkerstroom hebben. Donkerstroom en thermische ruisniveaus zijn evenredig met de temperatuur van de diode. De donkere stroom kan de fotostroom verbergen als gevolg van extreem lage lichtniveaus, zodat apparaten met lage donkere stromen moeten worden gekozen.

Wanneer licht met voldoende energie op de depletielaag valt, ioniseert het de atomen in de kristalstructuur en genereert het elektron-gatparen. Het bestaande elektrische veld, als gevolg van de biasing, zal de elektronen naar de kathode en de gaten naar de anode doen bewegen, waardoor een fotostroom ontstaat. Hoe groter de lichtintensiteit, hoe groter de fotostroom. De stroom-spanningskarakteristiek van de omgekeerd belaste fotodiode laat dit zien in Afbeelding 3.

Afbeelding 3: Het karakteristieke V-I-diagram voor de fotodiode met omgekeerde bias toont stapsgewijze veranderingen in de diodestroom als functie van het lichtniveau. (Bron afbeelding: Art Pini)

De grafiek toont de omgekeerde stroom van de diode als functie van de toegepaste omgekeerde biasspanning met de lichtintensiteit als parameter. Merk op dat toenemende lichtniveaus een evenredige toename van de omgekeerde stroomniveaus veroorzaken. Dit is de basis voor het gebruik van fotodiodes voor het meten van lichtintensiteit. De biasspanning, indien groter dan 0,5 volt, heeft weinig effect op de fotostroom. De sperstroom kan in een spanning worden omgezet door deze op een transimpedantieversterker aan te sluiten.

Soorten fotodioden

De verscheidenheid aan toepassingen voor lichtdetectie en -meting heeft geleid tot een groot aantal verschillende types fotodiode. De basisfotodiode is de vlakke P-N-junctie. Deze apparaten leveren de beste prestaties in onbelaste, fotovoltaïsche modus. Het zijn ook de meest kosteneffectieve toestellen.

De 002-151-001 van Advanced Photonix, Inc. is een voorbeeld van een planaire diffusie InGaAs fotodiode/-fotodetector (Afbeelding 4). Het zit in een SMD-pakket van 1,6 x 3,2 x 1,1 millimeter (mm), met een actieve optische apertuur van 0,05 mm in diameter.

Afbeelding 4: De 002-151-001 is een planaire diffusie P-N SMD-fotodiode met afmetingen van 1,6 x 3,2 x 1,1 mm. Het heeft een spectraal bereik van 800 tot 1700 nm. (Bron afbeelding: Advanced Photonix)

Deze InGaAs-fotodiode heeft een spectraal bereik van 800 tot 1700 nm, waarmee het IR-spectrum wordt bestreken. De donkere stroom is minder dan 1 nano-ampère (nA). Zijn spectrale responsiviteit, die de stroomoutput voor een specifiek optisch ingangsvermogen specificeert, is typisch 1 ampère per watt (A/W). Het is bedoeld voor toepassingen als industriële detectie, beveiliging en communicatie.

De PIN-diode wordt gevormd door een intrinsieke halfgeleiderlaag met hoge resistiviteit tussen de P- en N-lagen van een conventionele diode te sandwichen; vandaar dat de naam PIN de structuur van de diode weergeeft.

Het inbrengen van de intrinsieke laag verhoogt de effectieve breedte van de depletielaag van de diode, hetgeen resulteert in een lagere capaciteit en een hogere doorslagspanning. De lagere capaciteit verhoogt effectief de snelheid van de fotodiode. Het grotere depletiegebied biedt een groter volume van door fotonen geïnduceerde elektron-gat-generatie en een grotere kwantumefficiëntie.

De VBP104SR van de Vishay Semiconductor Opto Division is een silicium PIN-fotodiode voor het spectrale bereik van 430 tot 1100 nm (violet tot nabij IR). Hij heeft een typische donkerstroom van 2 nA en een groot optisch gevoelig oppervlak van 4,4 mm² (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De Vishay VBP104SR is een PIN-fotodiode met een groot optisch detectievenster, bedoeld voor hogesnelheidsfotodetectie. (Bron afbeelding: Vishay Semiconductors)

De werking van de lawinefotodiode (APD) is vergelijkbaar met die van een fotomultiplicatorbuis, in die zin dat het lawine-effect wordt gebruikt om versterking in de diode te bewerkstelligen. In aanwezigheid van een hoge sperspanning genereert elk gat-elektronenpaar extra paren door middel van lawine-afbraak. Dit resulteert in winst in de vorm van een grotere fotostroom per foton licht. Dit maakt de APD een ideale keuze voor gevoeligheid bij weinig licht.

Een voorbeeld van een APD is de C30737LH-500-92C van Excelitas Technologies. Het heeft een spectraal bereik van 500 tot 1000 nm (cyaan tot nabij IR) met een piekrespons bij 905 nm (IR). Hij heeft een spectrale responsiviteit van 60 A/W @ 900 nm met een donkerstroom van minder dan 1 nA. Het is bedoeld voor toepassingen met een hoge bandbreedte, zoals lichtdetectie en -spreiding (LiDAR) in auto's en optische communicatie (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De C30737LH-500-92C-lawinefotodiode is een fotodiode met hoge bandbreedte, bedoeld voor toepassingen zoals LiDAR en optische communicatie. (Bron afbeelding: Excelitas Technology)

Schottky-fotodiodes

De Schottky-fotodiode is gebaseerd op een metaal-op-halfgeleider junctie. De metaalzijde van de junctie vormt de anode-elektrode, terwijl de N-type halfgeleiderzijde de kathode is. Fotonen gaan door een gedeeltelijk transparante metaallaag en worden geabsorbeerd in de N-type halfgeleider, waarbij geladen dragerparen vrijkomen. Deze vrij geladen dragers worden door het aangelegde elektrische veld uit de depletielaag geslingerd en vormen de fotostroom.

Een belangrijk kenmerk van deze diodes is hun zeer snelle reactietijd. Zij maken in het algemeen gebruik van kleine diode-knooppuntstructuren die snel kunnen reageren. Schottky-fotodioden met bandbreedten in het gigahertz-bereik (GHz) zijn in de handel verkrijgbaar. Dit maakt ze ideaal voor optische communicatieverbindingen met hoge bandbreedte.

Een voorbeeld van de Schottky-fotodiode is de GUVB-S11SD-fotosensor van Genicom Co., Ltd. (Afbeelding 7). Deze UV-gevoelige fotodiode is bedoeld voor toepassingen zoals UV-indexering. Het maakt gebruik van een materiaal op basis van aluminium gallium nitride (AlGaN) en heeft een spectraal gevoeligheidsbereik van 240 tot 320 nm in het UV-spectrum. Het toestel is spectraal gevoelig en blind voor zichtbaar licht, een nuttige eigenschap in helder verlichte omgevingen. Hij heeft een donkerstroom van minder dan 1 nA en een responsiviteit van 0,11 A/W.

Afbeelding 7: De GUVB-S11SD is een UV-gevoelige fotosensor op basis van AlGaN met een actief optisch oppervlak van 0,076 mm². (Bron afbeelding: Genicom Co, Ltd.)

Fototransistors

De fototransistor is een junctiehalfgeleiderapparaat dat vergelijkbaar is met de fotodiode, in die zin dat het een stroom genereert die evenredig is met de lichtintensiteit. Hij kan worden beschouwd als een fotodiode met een ingebouwde stroomversterker. De fototransistor is een NPN-transistor waarbij de basisaansluiting is vervangen door een optische bron. De basiscollectorjunctie is omgekeerd gespiegeld en blootgesteld aan extern licht door een transparant venster. De basiscollectorjunctie is met opzet zo groot gemaakt als praktisch mogelijk is om de fotostroom te maximaliseren. De basisemitterjunctie is voorwaarts gericht, waarbij de collectorstroom een functie is van het invallende lichtniveau. Het licht levert de basisstroom, die wordt versterkt door de normale werking van een transistor. Bij afwezigheid van licht vloeit er een kleine donkere stroom, zoals in de fotodiode.

De Marktech Optoelectronics MTD8600N4-T is een NPN fototransistor met een spectrale gevoeligheid van 400 tot 1100 nm (zichtbaar tot nabij IR), en een fotoresponsie bij 880 nm (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: De MTD8600N4-T-fototransistor produceert een collectorstroom die evenredig is met het invallende lichtniveau. Merk op dat de collectorstroom een orde van grootte hoger is dan die van een fotodiode als gevolg van de stroomversterking van de transistor. (Bron afbeelding: Marktech Optoelectronics)

Deze fototransistor is ondergebracht in een metalen blik met een transparante koepel. De grafiek toont de collectorstroom als functie van de collector-emitterspanning, met de lichtintensiteit als parameter. De collectorstromen zijn aanzienlijk hoger dan de stroom in een fotodiode als gevolg van de stroomversterking in de transistor.

Fototransistors zijn verkrijgbaar in vele verpakkingsvormen. De NTE3034A NPN fototransistor van NTE Electronics maakt bijvoorbeeld gebruik van een gegoten epoxyverpakking die licht van opzij ontvangt. Het reageert ook op zichtbaar tot nabij IR met een fotoreactiepiek bij 880 nm.

Conclusie

Lichtdetectie met fototransistors en fotodiodes is een van de manieren waarop microprocessoren of microcontrollers de fysieke wereld interpreteren en dienovereenkomstig besturings- of analyse-algoritmen toepassen. De fototransistor wordt voor dezelfde toepassingen gebruikt als de fotodiode, hoewel beide hun respectieve voordelen hebben. De fototransistor biedt een hogere uitgangsstroom dan de fotodiode, terwijl de fotodiode het voordeel heeft bij hogere frequenties te werken.