Principi base di fotodiodi e fototransistor e loro applicazione

Esiste una classe specifica di problemi di progettazione che può essere risolta facilmente utilizzando la visione umana. Si consideri il rilevamento della posizione corretta della carta in una stampante. È facile per l'uomo vedere l'allineamento, ma è difficile verificarlo per un microprocessore. La fotocamera di un cellulare deve misurare la luce ambientale per determinare se attivare il flash. Come si può misurare il livello di ossigeno nel sangue in modo non invasivo?

La soluzione a questi problemi di progettazione è l'uso di fotodiodi o fototransistor. Questi dispositivi optoelettronici convertono la luce (fotoni) in segnali elettrici, quindi permettono a un microprocessore (o microcontroller) di "vedere". Ciò permette di controllare il posizionamento e l'allineamento degli oggetti, determinare l'intensità luminosa e misurare le proprietà fisiche dei materiali in base alla loro interazione con la luce.

Questo articolo spiega la teoria del funzionamento di fotodiodi e fototransistor e fornisce ai progettisti le conoscenze di base per ogni loro applicazione. Sono presentati a titolo di esempio dispositivi di Advanced Photonix, Inc. Vishay Semiconductor Opto Division, Excelitas Technologies, Genicom Co., Ltd., Marktech Optoelectronics e NTE Electronics.

Lo spettro ottico tipicamente utilizzato per fotodiodi e fototransistor

I fotodiodi e i fototransistor sono sensibili a varie lunghezze d'onda ottiche. In alcuni casi, questa è una considerazione progettuale, ad esempio, per rendere l'operazione invisibile all'occhio umano. Il progettista dovrebbe essere consapevole dello spettro ottico al fine di scegliere i dispositivi idonei a una data applicazione.

Lo spettro ottico si estende dalla lunghezza d'onda più lunga dell'infrarosso (IR) a quella più corta dell'ultravioletto (UV) (Figura 1). Le lunghezze d'onda visibili sono nel mezzo.

Figura 1: Lo spettro ottico, che fa parte dello spettro elettromagnetico, va dall'UV all'IR con lo spettro visibile in mezzo. La tabella elenca le lunghezze d'onda visibili e le rispettive frequenze. (Immagine per gentile concessione di Once Lighting, in alto e Art Pini, in basso)

La maggior parte dei dispositivi optoelettronici è specificata usando le rispettive lunghezze d'onda operative in nanometri; i valori di frequenza sono usati raramente.

I fotodiodi in silicio (Si) tendono ad essere sensibili alla luce visibile. I dispositivi sensibili all'IR utilizzano l'antimoniuro di indio (InSb), l'arseniuro di gallio di indio (InGaAs), il germanio (Ge) o il tellururo di cadmio di mercurio (HgCdTe). I dispositivi sensibili agli UV usano comunemente il carburo di silicio (SiC).

Il fotodiodo

Il fotodiodo è una giunzione P-N o PIN a due elementi esposta alla luce attraverso un corpo o una copertura trasparente. Quando la luce colpisce la giunzione, si sviluppa una corrente o una tensione, a seconda del modo di funzionamento. Il fotodiodo funziona in uno di tre modi in funzione della polarizzazione applicata: fotovoltaico, fotoconduttivo e diodo a valanga.

Se il fotodiodo non è polarizzato, funziona in modalità fotovoltaica e produce una piccola tensione di uscita quando viene illuminato da una sorgente luminosa. In questa modalità, il fotodiodo si comporta come una cella solare. La modalità fotovoltaica è utile nelle applicazioni a bassa frequenza, generalmente sotto i 350 kHz, con basse intensità di luce. La tensione di uscita è bassa e l'uscita del fotodiodo nella maggior parte dei casi richiede un amplificatore.

La modalità fotoconduttiva richiede un fotodiodo a polarizzazione inversa. La polarizzazione inversa applicata genererà una regione di carica spaziale in corrispondenza della giunzione P-N. Maggiore è la polarizzazione, più ampia è la regione di carica spaziale. Una regione di carica spaziale più ampia si traduce in una capacità ridotta rispetto al diodo non polarizzato, con conseguenti tempi di risposta più rapidi. Questa modalità ha livelli di rumore più alti e per controllarli può essere necessario limitare la larghezza di banda.

Se la polarizzazione inversa viene aumentata ulteriormente, il fotodiodo funziona in modalità diodo a valanga. In questa modalità, i fotodiodi operano in una condizione di elevata polarizzazione inversa, permettendo la moltiplicazione di ogni coppia buco-elettrone fotoprodotta a causa del cedimento a valanga. Questo si traduce in un guadagno interno e in una maggiore sensibilità del fotodiodo. Questa modalità è una funzionalità simile a quella di un tubo fotomoltiplicatore.

Nella maggior parte delle applicazioni, il fotodiodo funziona in modalità fotoconduttiva con polarizzazione inversa (Figura 2).

Figura 2: Il fotodiodo a polarizzazione inversa produce una corrente proporzionale all'intensità luminosa a causa della creazione di coppie buco-elettrone nella regione di carica spaziale. I cerchi pieni blu rappresentano gli elettroni e i cerchi bianchi rappresentano i buchi. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

La giunzione del fotodiodo a polarizzazione inversa non illuminato ha una regione di carica spaziale con pochi portatori di carica liberi. Sembra un condensatore carico. Vi è una piccola corrente causata dalla ionizzazione termoeccitata, chiamata corrente "di buio". Un fotodiodo ideale avrebbe una corrente di buio pari a zero. I livelli di corrente di buio e di rumore termico sono proporzionali alla temperatura del diodo. La corrente di buio può nascondere la corrente fotoelettrica a causa di livelli di luce estremamente bassi, quindi si dovrebbero scegliere dispositivi con basse correnti di buio.

Quando impatta la regione di carica spaziale con sufficiente energia, la luce ionizza gli atomi nella struttura cristallina e genera coppie buco-elettrone. Il campo elettrico esistente, dovuto alla polarizzazione, farà muovere gli elettroni verso il catodo e i buchi verso l'anodo, dando origine a una corrente fotoelettrica. Maggiore è l'intensità luminosa, maggiore è la corrente fotoelettrica. La caratteristica corrente-tensione del fotodiodo a polarizzazione inversa mostra questo fatto nella Figura 3.

Figura 3: Il diagramma V-I caratteristico di un fotodiodo a polarizzazione inversa mostra i cambiamenti incrementali nella corrente del diodo in funzione del livello di luce. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

Il grafico traccia la corrente inversa del diodo in funzione della tensione di polarizzazione inversa applicata con l'intensità luminosa come parametro. Si noti che l'aumento dei livelli di luce produce un aumento proporzionale dei livelli di corrente inversa. Questa è la base per l'utilizzo dei fotodiodi per misurare l'intensità luminosa. La tensione di polarizzazione, quando è superiore a 0,5 V, ha un effetto trascurabile sulla corrente fotoelettrica. La corrente inversa può essere convertita in una tensione applicandola a un amplificatore in transimpedenza.

Tipi di fotodiodi

La varietà di applicazioni di rilevamento e misurazione della luce ha dato origine a una moltitudine di fotodiodi. Il fotodiodo di base è la giunzione P-N planare. Questi dispositivi offrono le migliori prestazioni in modalità fotovoltaica non polarizzata. Sono anche i dispositivi più economicamente vantaggiosi.

002-151-001 di Advanced Photonix, Inc. è un esempio di fotodiodo/fotorilevatore InGaAs a diffusione planare (Figura 4). Si presenta in un contenitore SMD (dispositivi a montaggio superficiale) di 1,6 x 3,2 x 1,1 mm, con un'apertura ottica attiva di 0,05 mm di diametro.

Figura 4: 002-151-001 è un fotodiodo SMD P-N a diffusione planare che misura 1,6 x 3,2 x 1,1 mm. Ha un intervallo spettrale di 800 ~ 1700 nm. (Immagine per gentile concessione di Advanced Photonix)

Questo fotodiodo InGaAs ha un intervallo spettrale da 800 a 1700 nm, che copre lo spettro IR. La sua corrente di buio è inferiore a 1 nA. La sua responsività spettrale, che specifica l'uscita di corrente per una specifica potenza ottica in ingresso, è tipicamente di 1 A/W. È destinato ad applicazioni di rilevamento industriale, sicurezza e comunicazioni.

Il diodo PIN è realizzato inserendo uno strato semiconduttore intrinseco ad alta resistività tra gli strati tipo P e tipo N di un diodo convenzionale; da qui il nome PIN, che rispecchia la struttura del diodo.

L'inserimento dello strato intrinseco aumenta la larghezza effettiva della regione di carica spaziale del diodo, il che porta a una capacità inferiore e a una tensione di rottura più elevata. La capacità inferiore aumenta effettivamente la velocità del fotodiodo. La regione di carica spaziale più grande offre un volume maggiore di generazione di buco-elettrone indotta dai fotoni e una maggiore efficienza quantica.

VBP104SR della Vishay Semiconductor Opto Division è un fotodiodo PIN al silicio che copre l'intervallo spettrale da 430 a 1100 nm (dal violetto al vicino IR). Ha una corrente di buio tipica di 2 nA e una grande area fotosensibile di 4,4 mm² (Figura 5).

Figura 5: VBP104SR di Vishay è un fotodiodo PIN con una grande finestra di rilevamento ottico, destinato al fotorilevamento ad alta velocità. (Immagine per gentile concessione di Vishay Semiconductor)

Il fotodiodo a valanga (APD) è funzionalmente simile a un tubo fotomoltiplicatore in quanto utilizza l'effetto valanga per creare il guadagno nel diodo. In presenza di un'elevata polarizzazione inversa, ogni coppia buco-elettrone genera coppie aggiuntive per mezzo di un cedimento a valanga. Ciò si traduce in un guadagno sotto forma di una maggiore corrente fotoelettrica per fotone di luce. Questo da dell'APD una scelta ideale per la bassa sensibilità alla luce.

Un esempio di APD è C30737LH-500-92C di Excelitas Technologies. Ha un intervallo spettrale da 500 a 1000 nm (dal ciano al vicino IR) con una risposta di picco a 905 nm (IR). Ha una responsività spettrale di 60 A/W a 900 nm con una corrente di buio inferiore a 1 nA. È destinato ad applicazioni ad alta larghezza di banda come nel caso del rilevamento e telemetria mediante luce (LiDAR) e la comunicazione ottica in ambito automotive (Figura 6).

Figura 6: Il fotodiodo a valanga C30737LH-500-92C è un fotodiodo ad alta larghezza di banda destinato ad applicazioni come LiDAR e la comunicazione ottica. (Immagine per gentile concessione di Excelitas Technologies)

Fotodiodi Schottky

Il fotodiodo Schottky è basato su una giunzione metallo-semiconduttore. Il lato metallico della giunzione forma l'elettrodo anodico, mentre il lato semiconduttore (tipo N) è il catodo. I fotoni passano attraverso uno strato metallico semi-trasparente e vengono assorbiti nel semiconduttore di tipo N, liberando coppie di portatori carichi. Questi portatori di carica liberi sono eliminati dalla regione di carica spaziale dal campo elettrico applicato e formano la corrente fotoelettrica.

Una caratteristica significativa di questi diodi è il loro tempo di risposta molto breve. Generalmente impiegano piccole strutture di giunzione a diodi in grado di rispondere rapidamente. In commercio sono disponibili fotodiodi Schottky con larghezze di banda nell'ordine dei Gigahertz. Questo li rende ideali per collegamenti di comunicazione ottica ad alta larghezza di banda.

Un esempio di fotodiodo Schottky è il fotosensore GUVB-S11SD di Genicom Co., Ltd. (Figura 7). Questo fotodiodo sensibile agli UV è destinato ad applicazioni come l'indicizzazione UV. Utilizza un materiale basato sul nitruro di gallio di alluminio (AlGaN) e ha un intervallo di sensibilità spettrale da 240 a 320 nm nello spettro UV. Il dispositivo è spettralmente sensibile e cieco alla luce visibile, una caratteristica utile in ambienti molto illuminati. Ha una corrente di buio inferiore a 1 nA e una responsività di 0,11 A/W.

Figura 7: GUVB-S11SD è un fotosensore sensibile agli UV a base di AlGaN con un'area ottica attiva di 0,076 mm². (Immagine per gentile concessione di Genicom Co., Ltd.)

Fototransistor

Il fototransistor è un dispositivo a semiconduttore a giunzione simile al fotodiodo in quanto genera una corrente proporzionale all'intensità luminosa. Si potrebbe pensare a un fotodiodo con a un amplificatore di corrente incorporato. Il fototransistor è un transistor NPN in cui la connessione di base è sostituita da una sorgente ottica. La giunzione base-collettore ha polarizzazione inversa ed è esposta alla luce esterna attraverso una finestra trasparente. La giunzione base-collettore è apposta il più grande possibile per massimizzare la corrente fotoelettrica. La giunzione base-emettitore ha polarizzazione diretta, con la corrente del collettore che è una funzione del livello di luce incidente. La luce fornisce la corrente di base, che viene amplificata attraverso la normale azione del transistor. In assenza di luce, scorre una piccola corrente di buio, come nel fotodiodo.

MTD8600N4-T di Marktech Optoelectronics è un fototransistor NPN con una sensibilità spettrale da 400 a 1100 nm (dal visibile al vicino IR) e una risposta di picco di 880 nm (Figura 8).

Figura 8: Il fototransistor MTD8600N4-T produce una corrente del collettore proporzionale al livello di luce incidente. Si noti che la corrente del collettore è di un ordine di grandezza maggiore di quella di un fotodiodo a causa dell'amplificazione di corrente del transistor. (Immagine per gentile concessione di Marktech Optoelectronics)

Questo fototransistor è alloggiato in un involucro metallico e ha una cupola trasparente nella parte superiore. Il grafico rappresenta la corrente del collettore in funzione della tensione dal collettore all'emettitore, con l'emittanza luminosa come parametro. Le correnti del collettore sono significativamente più alte della corrente in un fotodiodo a causa dell'amplificazione di corrente nel transistor.

I fototransistor sono disponibili in contenitori di svariati stili. Ad esempio, il fototransistor NPN NTE3034Adi NTE Electronics utilizza un contenitore stampato epossidico che riceve la luce dal lato. Risponde anche alla luce visibile nel vicino IR con una risposta di picco di 880 nm.

Conclusione

Il rilevamento della luce tramite fototransistor e fotodiodi è uno dei mezzi con cui i microprocessori o i microcontroller danno un senso al mondo fisico e implementano gli algoritmi di controllo o di analisi conseguenti. Il fototransistor trova impiego nelle stesse applicazioni del fotodiodo, anche se ciascuno ha vantaggi specifici. Il fototransistor offre un livello di corrente di uscita maggiore rispetto al fotodiodo, mentre il fotodiodo ha il vantaggio di funzionare a frequenze più alte.