Fotodiodes en fototransistoren zo efficiënt mogelijk gebruiken

Fototransistoren en fotodiodes zijn onderling nauw verwante elektro-optische transducers die invallend licht omzetten in elektrische stroom in toepassingen zoals positie-/aanwezigheidsdetectie, meting van lichtintensiteit en detectie van snelle optische pulsen. Maar om uit deze componenten te kunnen halen wat erin zit, moeten ontwerpers speciale aandacht besteden aan de interfaceschakeling, de golflengte en de optisch-mechanische uitlijning.

Om bij variërende intensiteit en omstandigheden de maximale stroom te onttrekken is het bijvoorbeeld noodzakelijk dat er over de juiste interfaceschakeling wordt beschikt. Maar om fototransistoren en fotodiodes effectief te kunnen toepassen, moeten we goed begrijpen hoe ze werken en hoe ze onderling verschillen.

In dit artikel bespreken we de werkingsprincipes van deze componenten, enkele van de belangrijkste afwegingen bij het parametreren ervan en een paar van de fijnere nuances van het gebruik, in combinatie met enkele voorbeeldoplossingen.

Basisprincipes en kenmerken van fotodiodes en fototransistoren

Fotodiodes produceren een elektrische stroom wanneer ze licht absorberen. Er zijn twee typen, te zien in afbeelding 1. De eerste is de beter bekende fotovoltaïsche diode (zonnecel), die stroom produceert wanneer er licht op schijnt. De tweede is de fotoconductor, wat een in sperrichting ingestelde fotodiode is. Licht dat op de fotodiode schijnt, veroorzaakt dat de weerstand voor de sperstroom afneemt.

Deze stroom kan worden gemeten en is dan een maat voor de intensiteit van invallend licht. Kijken we er op een andere manier naar, dan werkt de fotodiode als restrictie op de elektrische stroom, waarbij meer licht de restrictie doet afnemen. In bijna alle gevallen moet de fotodiode worden gebruikt met een bijbehorende versterker, bijvoorbeeld een transimpedantieversterker (TIA), om de elektrische stroom om te zetten in een bruikbaar signaal.

Afbeelding 1: Omdat ze een lens en een optisch pad naar de 'die' van de sensor moeten hebben, hebben fotodiodes en fototransistoren een behuizing nodig die verschilt van conventionele diodes en transistoren. (Bron afbeelding: Learnabout-electronics)

Fototransistoren zitten iets ingewikkelder in elkaar dan fotodiodes aangezien het transistoren zijn waarvan de basis blootligt. Fotonen die op de component botsen, activeren de transistor, maar voor het overige is het gedrag hetzelfde als van een conventionele transistor. (In de begintijd van halfgeleidercomponenten werden sommige transistoren en vooral veel diodes verpakt in transparante behuizingen. Dit leidde tot foutief schakelgedrag afhankelijk van de hoeveelheid licht die op de schakeling scheen!) De equivalente schakeling van een fototransistor is een fotodiode waarvan de uitgangslichtstroom de basis ingaat van een transistor met een klein signaal (afbeelding 2).

Afbeelding 2: Het elektrische en fysische model van een fototransistor is een fotodiode waarvan de uitgangslichtstroom de basis ingaat van een transistor met een klein signaal. (Bron afbeelding: Mechapedia/Northwestern University)

Omdat het een component met drie aansluitingen is, kan de fototransistor op vele manieren worden aangesloten, waarbij de versterker met gemeenschappelijk emitter (CE - common emitter) en de versterker met gemeenschappelijke collector (CC - common collector) tot de meest gebruikte configuraties behoren (afbeelding 3). Bij de CE-configuratie zorgt licht ervoor dat de uitgang van een hoge toestand naar een lage toestand gaat; bij de CC-configuratie is de toestandsovergang precies andersom.

Afbeelding 3: De fototransistor kan net zoals een transistor worden aangesloten door middel van een gemeenschappelijke emitter- (links) of gemeenschappelijke collectorconfiguratie (rechts). (Bron afbeelding: ON Semiconductor)

Er is nog een belangrijke eigenschap van fototransistoren die niet geldt voor fotodiodes: ze kunnen worden gebruikt in actieve modus of in schakelmodus. In actieve modus is de transistor een analoog element met een lineaire uitgang die proportioneel is met de intensiteit van het licht. In schakelmodus fungeert de transistor als een digitaal element en bevindt zich ofwel in een grenstoestand (uit) of een verzadigde (aan) toestand.

De werkingsmodus wordt bepaald door de waarde van de belastingsweerstand R_L, in afbeelding 3 getoond als R_c of R_e. De actieve modus treedt op wanneer V_CC > R_L x I_CC en de schakelmodus treedt op wanneer V_CC < R_L x I_CC, waarbij I_C de maximale te voorziene stroom is en V_CC de voedingsspanning is, zoals getoond. Als de fototransistor wordt gebruikt voor het beoordelen van lichtintensiteit, wordt de actieve modus gebruikt. Als hij wordt gebruikt voor het detecteren van aanwezigheid of afwezigheid van licht, bijvoorbeeld wanneer een kaart in een sleuf zit of niet, wordt de schakelmodus gebruikt.

Ofschoon fototransistoren en fotodiodes onderling nauw verwant zijn, zijn er verschillen in prestaties. Over het algemeen kunnen fotodiodes zo worden gemaakt dat ze - met een factor twee of drie - veel sneller zijn en een bredere frequentierespons hebben dan fototransistoren. Daarom worden ze gebruikt voor het detecteren van lichtpulsen in snelle glasvezelverbindingen. Maar fotodiodes hebben een externe versterker nodig, terwijl een fototransistor alleen mogelijk al voldoende stroomversterking heeft voor een toepassing.

Daarnaast variëren de prestatieparameters van fotodiodes, waaronder de gevoeligheid voor licht, lekstroom en de responssnelheid, minder wanneer de temperatuur verandert dan bij fototransistoren het geval is.

Ontwerpproblemen: veel meer dan alleen elektronica

Fototransistoren en fotodiodes worden van nature gestimuleerd door licht. Dit betekent uiteraard dat het ontwerp moet voorzien in een duidelijk optisch pad dat ervoor zorgt dat licht op consistente wijze de lichtgevoelige onderdelen bereikt en het pad moet worden uitgelijnd en in stand worden gehouden vanaf de source naar het detectieoppervlak tijdens normaal productgebruik en een normale productlevensduur.

Mechanische beperkingen bij het gebruik van de fototransistor of fotodiode worden opgelegd door de toepassing, de wijzen van gebruik, interactie met de gebruiker en nog veel andere factoren waarmee in het productontwerp met zorg rekening moet worden gehouden. Consistentie van dit optische pad is cruciaal. Zelfs met minieme variaties ten gevolge van productietoleranties, buiging in de kaart, stof en ander verwacht en/of min of meer afwijkend gebruik moet rekening worden gehouden.

De optische half-vermogen acceptatiehoek voor typische fotodiodes en fototransistoren varieert tussen ±10° en ±30° afhankelijk van de grootte van de 'die', de lensopstelling en de beschikbare ruimte. Afhankelijk van de opstelling van de toepassing kan er voorkeur zijn voor de bredere of voor de nauwere acceptatiehoek.

Soms is de omgekeerde situatie het probleem; ongewenst omgevingslicht kan worden gezien door de lichtgevoelige componenten. In deze gevallen kan het nodig zijn om externe optische schermen, interne lichtblokkades, optische golflengte banddoorlaatfilters toe te voegen of de sensor verder te laten verzinken zonder het emitteruitgangssignaal op zijn weg naar de sensor in de weg te zitten. Hierdoor is het vaak nodig een 'sweet spot' of evenwichtspunt tussen conflicterende doelen te vinden en daar komt een combinatie van elektronische, optische en mechanische zaken bij kijken.

Prestatieparameters weerspiegelen elektro-optische aspecten, ontwerpconcessies

Ofschoon deze componenten een lange lijst van elektrische specificaties hebben, hebben ze ook te maken met een mix van elektro-optische afwegingen. Hierbij valt te denken aan spectrale respons, gevoeligheid en versterking, lineariteit, donkerstroom, responssnelheid en ruis.

Spectrale respons: de spectrale respons is in eerste instantie een functie van het basismateriaal en de dotering van de component. Componenten op basis van silicium hebben een piekgevoeligheid in een bandbreedte binnen het nabij-infrarode (IR) gebied bij ongeveer 840 nanometer (nm), maar er zijn ook componenten die zijn geoptimaliseerd voor andere golflengten.

Fototransistoren en fotodiodes hebben een vergelijkbare spectrale gevoeligheid, omdat hun onderliggende fysische halfgeleiderprincipes gelijk zijn. Maar de piekrespons van een fototransistor bevindt zich bij een iets kortere golflengte dan die van een typische fotodiode, omdat de diffuse overgangen van een fototransistor epitaxiaal worden gevormd en niet op basis van kristallijne silicium wafers.

Dit betekent dat de lichtbron die zij 'zien', een led, zonlicht of omgevingslicht uit een andere bron, zijn uitgangssignaal in de corresponderende gevoeligheidsbandbreedte moet leveren wil de lichtgevoelige component effectief functioneren. Gelukkig bevindt het uitgangsspectrum van standaardleds zich binnen het gevoeligheidsgebied van fotosensoren op basis van silicium.

Gevoeligheid en versterking: definiëren hoe efficiënt de component is in het omzetten van fotonen in elektrische stroom. Soms wordt dit quantumefficiëntie genoemd en het geeft de verhouding weer tussen invallende fotonenergie en de elektrische stroom. Fotodiodes produceren maar een hele kleine hoeveelheid stroom, variërend van nanoampères (nA) tot enkele microampères (µA). Bij fototransistoren is de stroom veel hoger ten gevolge van hun eigen versterking, die vergelijkbaar is met die van conventionele transistoren met klein signaal, maar de stroom varieert met de basissturing, de sperspanning en de temperatuur.

Lineariteit: de uitgang van een fotodiode is lineair over een breed gebied, normaal gesproken zeven tot negen decades van lichtintensiteit. In tegenstelling daarmee is de collectorstroom (I_C) van een fototransistor lineair over slechts drie tot vier decades omdat de DC-versterking (h_FE) van de fototransistor een functie is van de collectorstroom die, op zijn beurt, wordt bepaald door de basissturing. Voor bepaalde fototransistortoepassingen is lineariteit nodig, bijvoorbeeld voor test- en meetinstrumenten, terwijl andere toepassingen zoals een gewone aanwezigheids-/afwezigheidsdetectie er niet van afhankelijk zijn.

Het verschil houdt dan ook direct verband met de vraag voor het ontwerp van welke apparaten de componenten in aanmerking komen; lagere eisen op het gebied van lineariteit betekenen meer kandidaten en lagere kosten.

Donkerstroom: voor fotodiodes is dit de stroom die mag lopen ook al bevindt de component zich in absoluut donkere omstandigheden; het is ook een functie van interne ruis. Voor fototransistoren is de donkerstroom de lekstroom van de collector-basisovergang vermenigvuldigd met de gelijkstroomversterking van de transistor. Dit verschijnsel zorgt ervoor dat de fototransistor niet helemaal 'uit' staat als ideale schakelaar.

Responssnelheid: fotodiodes zijn sneller dan fototransistoren, waarbij snelheid een functie is van de capaciteit van de collector-basisovergang van de transistor en de waarde van de belastingsweerstand. Anderzijds heeft de fotodiode een externe versterker nodig om bruikbaar te zijn, waardoor zijn algehele responssnelheid wordt beïnvloed. Stijg- en afvaltijden (resp. 10% tot 90% en 90% tot 10%) zijn gewoonlijk symmetrisch, tenzij de fototransistor in verzadiging wordt gestuurd, waardoor de afvaltijd toeneemt. Er zijn fotodiodes in de handel met een respons van nanoseconden en zelfs femtoseconden.

Ruis: een discussie over een elektronische component is niet compleet zonder een paar woorden te wijden aan het onvermijdelijke probleem van ruis. Er bestaan vele soorten ruis voor fotodiodes en fototransistoren, waaronder hagelruis, donkerstroomruis, thermische ruis, generatie-recombinatieruis en uitleesruis. Elk type ruis is te wijten aan verschillende onderliggende fysische factoren en verschillende componentformuleringen en bedrijfsomstandigheden (spanning, temperatuur, belasting) die erin resulteren dat deze ruisbronnen verschillend meewegen. Voor de meeste consumententoepassingen voor de massamarkt is ruis geen grote factor om rekening mee te houden. Voor instrumentatie en datalinks met ultrahoge snelheden is het vaak een groot probleem, met name bij zeer lage lichtniveaus.

Er zijn twee problemen die ontwerpers moeten oplossen als het gaat om deze prestatieparameters. Ten eerste, als we kijken naar componenten van verschillende leveranciers en die vergelijken, wat zijn dan de testomstandigheden? Prestaties variëren in hoge mate bij verschillende optische opstellingen, spanningen, belastingsweerstanden en andere factoren, dus het is belangrijk gebruik te maken van vergelijkbare omstandigheden. Wanneer we een specifieke selectie maken, moet de component worden gebruikt bij de omstandigheden die worden gespecificeerd in de datasheet. Als dat niet haalbaar is, zijn er extra tests nodig of moet er worden geïnterpoleerd.

Het andere probleem dat moet worden opgelost is welke specificaties in een bepaalde toepassing belangrijk zijn en in welke mate. Bijvoorbeeld, voor een fotodiode voor een vezeloptische communicatielink is snelheid belangrijk, terwijl zijn spectrale respons minder kritisch is, omdat het spectrum van de bronled bekend is en in overeenstemming kan worden gebracht met de sensor met de algehele gevoeligheidspairing die in het ontwerp is ingecalculeerd.

Anderzijds heeft een fototransistor die wordt gebruikt om de aanwezigheid van een creditcard in een kaartslot te detecteren, niet veel snelheid nodig, maar mogelijk wel een lage donkerstroom en een consistente versterking om betrouwbaar te werken over een breed scala van realistische alledaagse bedrijfsscenario's.

Als vuistregel worden de prestaties van fotodiodes grotendeels bepaald door hun materiaal, dotering en behuizing, maar ook door de grootte van de 'die', het lichtgevoelige materiaal. Voor fototransistoren is het grotendeels een functie van diezelfde factoren en de aanvullende factor van transistorversterking (tabel 1).

Tabel 1: De prestaties van fotodiodes en fototransistoren op basis van de grootte van de 'die' van lichtgevoelig materiaal en het effect van transistorversterking op fototransistoren (bron afbeelding: DigiKey)

Componenten zorgen voor overgang van optisch naar elektrisch

Een representatieve siliciumfotodiode is de PD15-21B/TR8 van Everlight, die een responsbandbreedte in het infraroodspectrum heeft van 730 tot 1100 nm en een piek bij 940 nm (afbeelding 4). Deze SMD van zwarte kunststof richt zich op gewone consumentenproducten zoals kopieermachines, spelmachines en kaartlezers. De maximale uitgangsstroom van deze 1,5 x 3,2 x 1,1 mm grote component is 0,8 µA bij gebruik van een invallende IR-bron met een golflengte van 875 nm en bij een vermogen van 1 mW/cm². Hij heeft een responstijd van 6 nanoseconden (ns) en een maximale donkerstroom van 10 nA. Als SMT-component biedt deze fotodiode veel mogelijkheden voor montage vergeleken met een 'leaded' component, maar het in de datasheet gedefinieerde profiel van de reflowtemperatuur mag niet worden overschreden, ook al is het 'mild' vergeleken met wat andere componenten op de kaart aankunnen.

Afbeelding 4: Het spectrale uitgangssignaal van de siliciumfotodiode PD15-21B/TR8 van Everlight piekt bij ca. 950 nm, met een bandbreedte van ca. 370 nm. (Bron afbeelding: Everlight)

Fotodiodes alleen kunnen niet de stroom leveren die in de meeste situaties nodig is, noch kunnen ze een grote belasting aansturen. Daarom worden ze bijna altijd gebruikt met een transimpedantieversterker (TIA) die hun lage uitgangssignaal met hoge impedantie omzet in een bruikbare spanning. De TIA presenteert een lage ingangsimpedantie aan de fotodiode en vertaalt de kleine stroomvariaties bij zijn ingang in veel grotere spanningsvariaties bij zijn uitgang.

Ontwerpaandachtspunt: hoewel het lijkt om dezelfde topologie te gaan als bij gebruik van een bekende stroommetende weerstand om belastingsstroom om te zetten in spanning met als doel stroom te meten, is dat niet het geval. Die opstelling heeft aanzienlijke aansturing vanuit een bron met lage impedantie en dat is een heel andere situatie.

De LTC6268 van Analog Devices bijvoorbeeld is een enkelkanaals operationele versterker met FET-ingang en met extreem lage ingangssperstroom en lage ingangscapaciteit die zich richt op instrumentatietoepassingen (afbeelding 5).

Afbeelding 5: De TIA LTC6268 van Analog Devices is geoptimaliseerd voor instrumentatietoepassingen, zoals blijkt uit zijn extreem lage ruis en ingangssperstroom in de orde van grootte van femtoampères (enkele cijfers). (Bron afbeelding: Analog Devices)

Zijn lage sperstroom van 3 femtoampère (fA) (typisch) bij kamertemperatuur en 4 picoampère (pA) (maximaal) bij 125 °C is nodig om ervoor te zorgen dat de TIA de fotodiodeuitgang niet 'laadt' en zijn minieme stroom afleidt. Zijn ruisstroom, die van invloed is op de 'lage' nauwkeurigheid, is slechts 5,5 fA/√Hz, tot 100 kHz. Bij de dynamische specificaties hebben we te maken met een gain-bandbreedteproduct van 500 MHz en met -3 dB bandbreedte bij een onversterkt uitgangssignaal van 350 MHz. Zijn feedbacknetwerk voor het instellen van de RC-versterking moet iets van capaciteit hebben voor stabiliteit en lusvorming naast de discrete weerstand, maar in de meeste gevallen volstaat de parasitaire capaciteit van de pc-kaart, waardoor ruimte wordt bespaard en er één component van de BOM kan worden geschrapt.

Andere TIA's zijn geoptimaliseerd voor optische datalinks en minder voor instrumentatie. De MAX3658 van Maxim Integrated is een transimpedantieversterker voor optische ontvangers met een bereik tot 622 Mbits/s en met eigenschappen die passen bij vezeloptische transceivers en transceivers met een kleine vormfactor (afbeelding 6). In tegenstelling tot een TIA voor instrumentatie is deze component ontworpen voor de aansturing van differentiële 75ohm-coaxleidingen voor het in stand houden van de signaalintegriteit, het terugdringen van intersymboolinterferentie en het minimaliseren van de BER, de bit error rate.

Afbeelding 6: De TIA MAX3658 van Maxim Integrated richt zich op vezeloptische koppelingen bij snelheden tot 622 Mbits/s en is ontworpen voor het aansturen van een gebalanceerd paar 75ohm-coaxiaalkabels om de signaalintegriteit in stand te houden. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Evenals bij andere opamps, ongeacht of het om conventionele typen gaat of om TIA's, omvat de datasheet van de MAX3658 een groot aantal prestatiegrafieken die verschillende perspectieven tonen van stroom, spanning, snelheid, temperatuur en nog veel meer. Maar omdat deze TIA is ontworpen voor optische koppelingen van 622 Mbps en voldoet aan de industriële toepassingsnormen, omvat de datasheet bovendien kritische oogpatronen die kenmerkend zijn voor de prestaties bij verschillende bedrijfsomstandigheden (afbeelding 7).

Afbeelding 7: Oogpatronen zijn standaardkwaliteitsfactoren die worden gebruikt voor het analyseren van datacommunicatielinks voor verschillende vermogensniveaus met optische ingang. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Voor toepassingen die een fototransistor met zijn eigen versterking nodig hebben, is de npn-siliciumcomponent APTD3216P3C-P22 van Kingbright een mogelijke keuze (afbeelding 8). Evenals de hiervoor besproken fotodiode meet deze component 3,2 x 1,6 mm. Aangezien de opening via welke het licht moet worden opgevangen een kritische factor is voor de prestaties van de component, is kleiner niet altijd beter bij componenten die fotonen moeten invangen.

Afbeelding 8: De fototransistor APTD3216P3C-P22 van Kingbright is groot vergeleken met conventionele transistoren. Zo kan hij meer invallend licht opvangen en een betere gevoeligheid leveren. (Bron afbeelding: Kingbright)

Deze component is ook afgestemd op het spectrum van een infrarooduitstralende ledbron en heeft een hoekgevoeligheid van ca. ±15° (afbeelding 9).

Afbeelding 9: Wanneer we te maken hebben met componenten zoals fototransistoren, zijn de gevoeligheid versus golflengte en versus de hoek ten opzichte van de hoofdas essentiële specificaties. (Bron afbeelding: Kingbright)

Omdat het ook een transistor is, zijn veel van zijn prestatiespecificaties gevoelig voor temperatuur. Een voorbeeld: de donkerstroom van 1 nA bij 25 °C neemt toe tot ca. 100 nA bij 70 °C (afbeelding 10). Met dit verloop moet in de analyse ten behoeve van het productontwerp rekening worden gehouden.

Afbeelding 10: Omdat de APTD3216P3C-P22 van Kingbright een transistor is, zijn veel van zijn specificaties een functie van de temperatuur. Hier wordt de donkerstroom weergegeven die toeneemt van 1 nA tot 100 nA wanneer de temperatuur stijgt van 25 °C naar 70 °C. (Bron afbeelding: Kingbright)

Conclusie

Optische componenten zoals fotodiodes en fototransistoren worden gebruikt voor aanwezigheidsdetectie en geavanceerde instrumentatie en zijn essentieel voor optische datalinks. Vanwege hun hybride elektro-optische aard moeten elektrische, optische en mechanische ontwerpaspecten, maar ook het gebruik van speciale elektronische interfacecomponenten altijd goed worden afgewogen, willen ze effectief zijn en willen al hun mogelijkheden benut worden.

Als alle ontwerpaspecten eenmaal duidelijk zijn en worden opgevolgd, is er een grote verscheidenheid aan geschikte componenten die kunnen worden gebruikt als oplossingen voor toepassingen op het gebied van detectie, instrumentatie en optische koppelingen.