A fotodiódák és fototranzisztorok alapjai és alkalmazásuk

Létezik egy egész sor, különálló osztályba is sorolható tervezési probléma, amelyek emberi látás segítségével könnyen megoldhatók. Vegyük például a papír megfelelő helyének érzékelését a nyomtatóban. Az emberek számára elég egy pillantás és a megfelelő beigazítottság könnyen nyilvánvaló, de egy mikroprocesszor számára ennek ellenőrzése már nehezebb feladat. Egy mobiltelefon kamerájának mérnie kell a környezeti fényt, ha tudni szeretné, hogy a vakut be kell-e kapcsolni vagy sem. Hogyan mérhető le a vér oxigénszintje nem invazív módon?

Ezekre a tervezési problémákra megoldásként fotodiódák vagy fototranzisztorok alkalmazhatók. Ezek az optoelektronikus eszközök a fényt (fotonokat) elektromos jelekké alakítják, és így lehetővé teszik egy mikroprocesszor (vagy mikrovezérlő) számára, hogy az „látni tudjon”. Ez lehetővé teszi a tárgyak pozicionáltságának és beigazítottságának ellenőrzését, a fényintenzitás meghatározását, valamint az anyagok fizikai tulajdonságainak mérését a fénnyel való kölcsönhatásuk alapján.

Ez a cikk elmagyarázza a fotodiódák és a fototranzisztorok működésének elméletét, és a tervezők számára alapvető ismereteket nyújt alkalmazásukhoz. Az Advanced Photonix, Inc., a Vishay Semiconductor Opto Division, az Excelitas Technologies, a Genicom Co., Ltd., a Marktech Optoelectronics és az NTE Electronics által gyártott termékek kerülnek bemutatásra példaként.

A fotodiódák és fototranzisztorok jellemző optikai spektruma

A fotodiódák és fototranzisztorok egymástól eltérő optikai hullámhosszokra érzékenyek. Bizonyos esetekben tervezési követelmény, hogy például egy műveletet úgy kell megvalósítani, hogy az az emberi szem számára láthatatlan legyen. Ahhoz, hogy az eszközöket az alkalmazáshoz tudja igazítani, a tervezőnek ismernie kell az optikai spektrumot.

Az optikai spektrum a hosszabb hullámhosszú infravöröstől (IR) a rövidebb hullámhosszú ultraibolyáig (UV) terjed (1. ábra). Az emberi szem számára látható hullámhosszok a kettő között találhatók.

1. ábra: Az elektromágneses spektrum részeként az optikai spektrum az UV és az IR közötti tartományt öleli fel, a látható spektrum pedig a kettő között helyezkedik el. A táblázatban a látható hullámhosszok és a hozzájuk tartozó frekvenciák felsorolása található (kép: Once Lighting (fent) és Art Pini (lent))

A legtöbb optoelektronikai eszköznél a működési hullámhosszukat adják meg fő műszaki jellemzőként nanométerben (nm), frekvenciaértékeket ritkán használnak.

A szilícium (Si) fotodiódák általában a látható fényre érzékenyek. Az IR-érzékeny eszközökben indium-antimonidot (InSb), indium-gallium-arzenidet (InGaAs), germániumot (Ge) vagy higany-kadmium-telluridot (HgCdTe) használnak. Az UV-érzékeny eszközök általában szilícium-karbid (SiC) használatára épülnek.

A fotodióda

A fotodióda egy kételemű P-N vagy PIN átmenet, amelynél a fény azt egy átlátszó testen vagy burkolaton keresztül éri el. Amikor fény éri az átmenetet, a működési módtól függően áram vagy feszültség generálódik. A fotodiódák a rákapcsolt előfeszítéstől függően három üzemmódban működnek: fotovoltaikus, fotovezető vagy lavinadióda módban.

Egy nem előfeszített fotodióda fotovoltaikus üzemmódban működik, és fényforrással megvilágítva kis kimeneti feszültséget állít elő. Ilyenkor fotodióda napelemként viselkedik. A fotovoltaikus üzemmód alacsony frekvenciájú, általában 350 kilohertz (kHz) alatti, alacsony fényintenzitású alkalmazásokban hasznos. A kimeneti feszültség alacsony, és a fotodióda kimenetét a legtöbb esetben erősíteni kell.

Fotovezető üzemmódhoz a fotodiódát záróirányban kell előfeszíteni. A rákapcsolt záróirányú előfeszítés a P-N átmenetnél egy kiürített réteget hoz létre. Minél nagyobb az előfeszítés, annál szélesebb ez a kiürített réteg. A nem előfeszített diódához képesti szélesebb kiürült réteg miatt az eszköz töltéstárolási képessége (kapacitása) kisebb, aminek eredménye a gyorsabb válaszidő. Ebben az üzemmódban magasabb a zajszint, és ennek szabályozásához sávszélesség-korlátozásra lehet szükség.

Ha a záróirányú előfeszítést tovább növeljük, a fotodióda működése lavina üzemmódba csap át. Ekkor a fotodiódák nagy záróirányú előfeszítésű állapotban működnek, aminek eredményeként mindegyik foton-generált elektron-lyuk pár meg tud sokszorozódni a lavina hatás miatt. Ezzel a fotodióda belső erősítése megnő és érzékenyebbé is válik. Működés tekintetében ez az üzemmód egy fotosokszorozó cső működéséhez hasonlít.

A legtöbb alkalmazásban a fotodióda fotovezető üzemmódban, záróirányban előfeszítve működik (2. ábra).

2. ábra: A záróirányban előfeszített fotodióda a fény erősségével arányos áramot termel a kiürített rétegben keletkezett elektron-lyuk párok miatt. A kék színű körök az elektronokat, a fehér körök pedig a lyukakat jelképezik. (kép: Art Pini)

A záróirányban előfeszített, megvilágítatlan fotodióda átmeneténél a kiürített rétegben kevés szabad töltéshordozó van. Úgy néz ki, mint egy feltöltött kondenzátor. A termikusan gerjesztett ionizáció miatt a diódán keresztül egy kis erősségű áram folyik, ez az úgynevezett „sötétáram”. Ideális fotodióda esetében a sötétáram értéke nulla lenne. A sötétáram és a termikus zajszintek arányosak a dióda hőmérsékletével. Rendkívül alacsony fényszint esetén a nagyságrendileg nagyobb sötétáram miatt a fotoáram alig érzékelhető maradhat, ezért alacsony sötétáramú eszközöket kell választani.

Amikor a fény elegendő energiával éri el a kiürített réteget, ionizálja a kristályszerkezetben lévő atomokat, és elektron-lyuk párokat hoz létre. Az előfeszítéssel generált elektromos tér az elektronokat a katód, a lyukakat pedig az anód felé való elmozdulásra készteti, ami fotóáramot eredményez. A fényintenzitás növelésével a fotoáram is növekszik. A 3. ábrán látható záróirányban előfeszített fotodióda áram-feszültség jelleggörbéjéről ez leolvasható.

3. ábra: A záróirányban előfeszített fotodióda V-I jelleggörbéjén látható a diódaáram fokozatos változása a fényszint függvényében (kép: Art Pini)

A grafikonon a dióda ellenárama látható a rákapcsolt záróirányú feszültség függvényében, a fényintenzitással mint változó paraméterrel. Figyeljük meg, hogy a fényintenzitás növekedése arányosan növeli az ellenáramok erősségét. Ez az alapja annak, hogy a fotodiódák a fényintenzitás mérésére használhatók. A kapcsolófeszültség, ha nagyobb, mint 0,5 V, kevés hatással van a fotoáramra. Egy transzimpedancia erősítőre való kapcsolásával az ellenáram feszültséggé alakítható.

A fotodiódák típusai

A fényérzékelési és mérési alkalmazások sokféleségének köszönhetően számos különböző fotodiódatípust fejlesztettek ki. A legegyszerűbb fotodióda a síkbeli P-N átmenet. Ezek az eszközök legjobb teljesítményüket a nem előfeszített, fotovoltaikus üzemmódban nyújtják, egyben a legköltséghatékonyabb eszközök is.

Az Advanced Photonix, Inc. 002-151-001 jelű eszköze példa a planárdiffúziós InGaAs fotodiódákra/fotodetektorokra (4. ábra). Az eszközt 1,6 x 3,2 x 1,1 mm-es felületszerelt SMD-tokozásban forgalmazzák, 0,05 mm átmérőjű aktív optikai nyílással.

4. ábra: A 002-151-001 egy planárdiffúziós P-N SMD fotodióda, 1,6 x 3,2 x 1,1 mm méretekkel. Spektrumtartománya 800 és 1700 nm között van (kép: Advanced Photonix)

Ez az InGaAs fotodióda 800 és 1700 nm közötti spektrumtartományban működik, lefedve az infravörös spektrumot. Sötétárama kevesebb mint 1 nA. Spektrális érzékenysége, amely a kimeneti áram értéke adott optikai bemeneti teljesítmény esetén jellemzően 1 A/W. Többek között ipari érzékelésre, biztonságtechnikai alkalmazásra és kommunikációra szánták.

A PIN-diódát úgy alakítják ki, hogy egy nagy ellenállású belső félvezető réteget helyeznek egy hagyományos dióda P-típusú és N-típusú rétegei közé, tehát a PIN elnevezés utal a dióda szerkezetére.

A belső félvezető réteg beillesztése megnöveli a diódák kiürített rétegének effektív szélességét, aminek következtében csökken a kapacitás a letörési feszültség pedig magasabb lesz. Az alacsonyabb kapacitás effektíve növeli a fotodióda sebességét. A szélesebb kiürített réteg nagyobb teret ad foton-indukált elektron-lyukak generálásához és növeli a kvantumhatásfokot is.

A Vishay Semiconductor Opto Division VBP104SR egy szilícium PIN-fotodióda, amely a 430 és 1100 nm közötti spektrumtartományt (ibolyától a közeli infravörösig) fedi le. Tipikus sötétárama 2 nA, optikailag érzékeny területe pedig nagy, 4,4 mm² (5. ábra).

5. ábra: A Vishay VBP104SR egy nagyméretű optikai érzékelőnyílással rendelkező PIN-fotodióda, amelyet nagy sebességű fotodetektori alkalmazásra szántak (kép: Vishay Semiconductors)

A lavina-fotodióda működése funkcionálisan hasonló a fotosokszorozó csőjéhez, mivel a lavina-effektust használja erősítés létrehozására a diódán belül. Nagy záróirányú előfeszítés esetén minden lyuk-elektron pár lavinaszerűen további párokat generál. Ez erősítést eredményez, amely a fotononkénti nagyobb fotonáram formájában mérhető. Ennek köszönhetően a lavina fotodiódák ideális választás gyenge fény érzékeléséhez.

Példa egy lavina fotodiódára az Excelitas Technologies C30737LH-500-92C jelű típusa. Spektrumtartománya 500 és 1000 nm között van (ciántól a közeli IR-ig), 905 nm-nél (IR) lévő csúcs érzékenységgel. Spektrális érzékenysége 60 A/W 900 nm-nél, 1 nA-nál kisebb sötétáram mellett. Nagy sávszélességű alkalmazásokhoz, például autóipari fényérzékeléshez és távolságméréshez (LiDAR) valamint optikai kommunikációhoz tervezték (6. ábra).

6. ábra: A C30737LH-500-92C lavina-fotódióda egy nagy sávszélességű fotodióda, amelyet például LiDAR és optikai kommunikációs alkalmazásokban való használatra terveztek (kép: Excelitas Technology)

Schottky-fotodiódák

A Schottky-fotodióda egy fém-félvezető átmenetre épül. Az átmenet fém oldala az anódelektróda, míg az N-típusú félvezető oldala a katód. A fotonok áthaladnak egy részben átlátszó fémrétegen, majd azokat az N-típusú félvezető elnyeli, töltéshordozó párokat szabadítva fel. Ezeket a szabad töltéshordozókat a gerjesztett elektromos tér kihajtja a kiürített rétegből, és ezekből keletkezik a fotoáram.

E diódák egyik jelentős műszaki jellemzője a nagyon gyors válaszidő. Ezeknél általában kis diódaátmenet-struktúrákat alkalmaznak, amelyek képesek gyorsan reagálni. A kereskedelemben kaphatók olyan Schottky-fotodiódák, amelyek sávszélessége a gigahertzes tartományba esik, ezáltal ideálisak a nagy sávszélességű optikai kommunikációs kapcsolatokhoz.

A Schottky-fotodiódára példa a Genicom Co., Ltd. által gyártott GUVB-S11SD fotoérzékelő. (7. ábra). Ezt az UV-érzékeny fotodiódát olyan alkalmazásokhoz szánják, mint az UV sugárzás mérése. Az eszköz alumínium-gallium-nitrid (AlGaN) alapú anyagra épül, és az UV spektrumban, a 240 és 320 nm közötti spektrális érzékenységi tartományban működik. Spektrálisan érzékeny, de vak a látható fényre, ami hasznos tulajdonság fényes környezetben. Sötétárama 1 nA alatt van, spektrális érzékenysége pedig 0,11 A/W.

7. ábra: A GUVB-S11SD egy AlGaN-alapú, UV-sugarakra érzékeny fotoérzékelő, 0,076 mm² aktív optikai felülettel (kép: Genicom Co, Ltd.)

Fototranzisztorok

A fototranzisztorok félvezető anyagból készült átmeneti réteget tartalmazó eszközök, amelyek a fotodiódákhoz hasonlóan a fényintenzitással arányos erősségű áramot generálnak. Úgy is el lehet őket képzelni, mint beépített áramerősítővel rendelkező fotodiódák. A fototranzisztor egy NPN tranzisztor, ahol a bázis elektródát egy optikai forrás helyettesíti. A bázis-kollektor átmenet záróirányban előfeszített, és egy átlátszó ablakon keresztül van kitéve a külső fénynek. A bázis-kollektor átmenetet szándékosan a lehető legnagyobbra tervezik a fotoáram maximalizálása érdekében. A bázis-emitter átmenet nyitóirányban előfeszített, így a kollektoráram erőssége a beeső fény intenzitásától függ. A fény szolgáltatja a bázisáramot, amelyet alapvető felépítésének köszönhetően a tranzisztor normál módon felerősít. Ha nem kap fényt, az eszközön keresztül kis erősségű sötétáram folyik, mint a fotodiódáknál.

A Marktech Optoelectronics MTD8600N4-T egy NPN fototranzisztor, amelynek spektrális érzékenysége 400 és 1100 nm közötti (a láthatótól a közeli infravörösig), csúcs érzékenysége pedig 880 nm-nél van (8. ábra).

8. ábra: Az MTD8600N4-T fototranzisztor a beeső fény erősségével arányos kollektoráramot generál. Figyeljük meg, hogy a tranzisztor áramerősítése miatt a kollektoráram egy nagyságrenddel nagyobb, mint a fotodiódáknál (kép: Marktech Optoelectronics)

Ez a fototranzisztor egy átlátszó kupolás tetejű fémtokban található. A grafikon a kollektoráramot ábrázolja a kollektor és az emitter közötti feszültség függvényében, a fény besugárzott felületi teljesítményét használva fel változó paraméterként. A kollektoráramok a tranzisztor áramerősítése miatt lényegesen nagyobbak, mint a fotodióda áramai.

A fototranzisztorok sokféle tokozásban kaphatók. Az NTE Electronics NTE3034A NPN fototranzisztor például öntött epoxi tokozásban található, amely oldalról kapja a fényt. Érzékelési tartománya a láthatótól a közeli infravörös tartományig terjed, csúcs érzékenysége pedig 880 nm-nél van.

Összegzés

A fototranzisztorok és fotodiódák segítségével végzett fényérzékelés az egyik olyan módszer, amellyel a mikroprocesszorok vagy mikrovezérlők értelmezik a fizikai világot, és ennek megfelelően végrehajtják a vezérlő vagy elemző algoritmusaikat. A fototranzisztorokat ugyanolyan alkalmazásokban használják, mint a fotodiódákat, bár mindkettőnek megvannak a maga előnyei. A fototranzisztor nagyobb kimeneti áramerősséget biztosít, mint a fotodióda, míg az utóbbinak előnye, hogy magasabb frekvencián működik.