Die Grundlagen zu Fotodioden und Fototransistoren und ihrer Anwendung

Von Art Pini

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Es gibt eine Reihe von Konstruktionsproblemen, die sich leicht mit Hilfe des menschlichen Sehvermögens lösen lassen. Überlegen Sie, wie Sie das Papier in einem Drucker richtig einlegen. Für einen Menschen ist es leicht, die Ausrichtung zu erkennen, aber für einen Mikroprozessor schwierig, sie zu überprüfen. Die Kamera eines Mobiltelefons muss das Umgebungslicht messen, um festzustellen, ob der Blitz aktiviert werden muss. Wie kann der Sauerstoffgehalt im Blut auf nicht-invasive Weise bestimmt werden?

Die Lösung für diese Konstruktionsprobleme ist die Verwendung von Fotodioden oder Fototransistoren. Diese optoelektronischen Bauelemente wandeln Licht (Photonen) in elektrische Signale um und ermöglichen so einem Mikroprozessor (oder Mikrocontroller) das „Sehen“. Dadurch kann er die Positionierung und Ausrichtung von Objekten kontrollieren, die Lichtintensität bestimmen und die physikalischen Eigenschaften von Materialien auf der Grundlage ihrer Wechselwirkung mit Licht messen.

In diesem Artikel wird die Funktionsweise von Fotodioden und Fototransistoren erläutert und Konstrukteuren das Grundwissen über ihre Anwendung vermittelt. Komponenten von Advanced Photonix, Inc. Vishay Semiconductor Opto Division, Excelitas Technologies, Genicom Co. Ltd., Marktech Optoelectronics und NTE Electronics werden beispielhaft vorgestellt.

Das typischerweise für Fotodioden und Fototransistoren verwendete optische Spektrum

Fotodioden und Fototransistoren sind für eine Reihe von optischen Wellenlängen empfindlich. In einigen Fällen ist dies eine konstruktive Überlegung, z. B. um den Vorgang für das menschliche Auge unsichtbar zu machen. Der Konstrukteur sollte sich des optischen Spektrums bewusst sein, um die Komponenten auf die Anwendung abstimmen zu können.

Das optische Spektrum reicht vom langwelligeren Infrarot (IR) bis zum kurzwelligeren Ultraviolett (UV) (Abbildung 1). Die sichtbaren Wellenlängen liegen dazwischen.

Diagramm: Optisches Spektrum reicht von UV bis IR mit dem sichtbaren Spektrum dazwischen (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 1: Das optische Spektrum ist Teil des elektromagnetischen Spektrums und erstreckt sich vom UV- bis zum IR-Bereich; dazwischen liegt das sichtbare Spektrum. In der Tabelle sind die sichtbaren Wellenlängen und die dazugehörigen Frequenzen aufgeführt. (Bildquelle: Once Lighting (oben) und Art Pini (unten))

Die meisten optoelektronischen Bauelemente werden mit ihren Betriebswellenlängen in Nanometern (nm) angegeben; Frequenzwerte werden nur selten verwendet.

Fotodioden aus Silizium (Si) sind in der Regel empfindlich für sichtbares Licht. IR-empfindliche Komponenten nutzen Indiumantimonid (InSb), Indiumgalliumarsenid (InGaAs), Germanium (Ge) oder Quecksilbercadmiumtellurid (HgCdTe). Für UV-empfindliche Bauteile wird in der Regel Siliziumkarbid (SiC) verwendet.

Die Fotodiode

Die Fotodiode ist ein P-N- oder PIN-Übergang mit zwei Elementen, der durch einen transparenten Körper oder eine durchlässige Abdeckung dem Licht ausgesetzt ist. Trifft Licht auf die Kontaktstelle, entsteht je nach Betriebsart ein Strom oder eine Spannung. Die Fotodiode arbeitet in drei verschiedenen Modi, die von der angelegten Vorspannung abhängen: der photovoltaische, der lichtleitende oder der Avalanche-Dioden-Modus.

Wenn die Fotodiode keine Vorspannung erhält, befindet sie sich im photovoltaischen Modus und erzeugt bei Beleuchtung mit einer Lichtquelle eine kleine Ausgangsspannung. In diesem Modus verhält sich die Fotodiode wie eine Solarzelle. Der photovoltaische Modus eignet sich für Anwendungen mit niedrigen Frequenzen, im Allgemeinen unter 350 Kilohertz (kHz), und geringen Lichtintensitäten. Die Ausgangsspannung ist niedrig, und der Fotodiodenausgang erfordert in den meisten Fällen einen Verstärker.

Für den lichtleitenden Modus muss eine Vorspannung an die Photodiode in Sperrichtung angelegt sein. Die angelegte Sperrvorspannung erzeugt eine Verarmungszone am P-N-Übergang. Je größer die Vorspannung ist, desto größer ist der Verarmungsbereich. Der breitere Verarmungsbereich führt zu einer geringeren Kapazität als bei der Diode ohne Vorspannung, was zu einer schnelleren Reaktionszeit führt. Dieser Modus weist höhere Rauschpegel auf und erfordert möglicherweise eine Bandbreitenbegrenzung, um diese zu kontrollieren.

Wenn die Sperrvorspannung weiter erhöht wird, arbeitet die Fotodiode im Avalanche-Diodenmodus. In diesem Modus werden die Fotodioden mit einer hohen Sperrvorspannung betrieben, was die Vervielfachung jedes durch das Licht erzeugten Elektronen-Loch-Paares aufgrund des Avalanche-Durchschlags ermöglicht. Das führt zu einer internen Verstärkung und einer höheren Empfindlichkeit der Fotodiode. Dieser Modus ähnelt in seiner Funktionsweise einer Photovervielfacherröhre.

In den meisten Anwendungen wird die Fotodiode im lichtleitenden Modus mit einer Sperrvorspannung (Abbildung 2) eingesetzt.

Diagramm: In Sperrichtung vorgespannte Fotodiode, die einen zur Lichtintensität proportionalen Strom erzeugt (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 2: Die in Sperrichtung vorgespannte Fotodiode erzeugt aufgrund der Bildung von Elektronen-Loch-Paaren im Verarmungsbereich einen zur Lichtintensität proportionalen Strom. Die blau gefüllten Kreise stehen für die Elektronen und die weißen Kreise für die Löcher. (Bildquelle: Art Pini)

Der in Sperrichtung vorgespannte, unbeleuchtete Photodiodenübergang weist eine Verarmungszone mit wenigen freien Ladungsträgern auf. Das ähnelt einem geladenen Kondensator. Es gibt einen kleinen Strom, der durch thermisch angeregte Ionisierung verursacht wird, den so genannten Dunkelstrom. Eine ideale Fotodiode hätte einen Dunkelstrom von Null. Dunkelstrom und thermisches Rauschen sind proportional zur Temperatur der Diode. Der Dunkelstrom kann den Fotostrom aufgrund extrem niedriger Lichtstärken verdecken, daher sollten Bauelemente mit niedrigem Dunkelstrom ausgewählt werden.

Wenn Licht mit ausreichender Energie auf die Verarmungsschicht auftrifft, ionisiert es die Atome in der Kristallstruktur und erzeugt Elektronen-Loch-Paare. Das durch die Vorspannung entstehende elektrische Feld führt dazu, dass sich die Elektronen zur Kathode und die Löcher zur Anode bewegen, wodurch ein Fotostrom erzeugt wird. Je größer die Lichtintensität, desto größer der Fotostrom. Die Strom-Spannungs-Kennlinie der in Sperrichtung betriebenen Fotodiode zeigt dies in Abbildung 3.

Grafik: V-I-Kennlinie der in Sperrichtung vorgespannten Fotodiode (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 3: Die V-I-Kennlinie der in Sperrichtung vorgespannten Fotodiode zeigt die stufenweise Änderung des Diodenstroms in Abhängigkeit von der Lichtstärke. (Bildquelle: Art Pini)

Das Diagramm zeigt den Dioden-Sperrstrom als Funktion der angelegten Sperrvorspannung mit der Lichtintensität als Parameter. Man beachte, dass steigende Lichtstärken einen proportionalen Anstieg der Rückstromstärken bewirken. Auf dieser Basisi können Fotodioden zur Messung der Lichtintensität genutzt werden. Wenn die Vorspannung größer als 0,5 Volt ist, hat sie nur geringe Auswirkungen auf den Fotostrom. Der Rückstrom kann in eine Spannung umgewandelt werden, indem er an einen Transimpedanzverstärker angelegt wird.

Arten von Fotodioden

Die Vielfalt der Lichtdetektions- und -messanwendungen hat zu einer Vielzahl unterschiedlicher Fotodiodentypen geführt. Die grundlegende Fotodiode ist der planare P-N-Übergang. Diese Komponenten bieten die beste Leistung im photovoltaischen Betrieb ohne Vorspannung. Zudem sind sie die kostengünstigsten Bauelemente.

Die 002-151-001 der Advanced Photonix, Inc. ist ein Beispiel für eine planare InGaAs-Difunsionsfotodiode bzw. für einen Fotodetektor (Abbildung 4). Das Bauelement ist in einem SMD-Gehäuse mit Abmessungen von 1,6 x 3,2 x 1,1 Millimeter (mm) untergebracht und besitzt eine aktive optische Öffnung mit einem Durchmesser von 0,05 mm.

Abbildung: 002-151-001 von Advanced Photonix ist planare P-N-SMD-Diffusionsfotodiode (zum Vergrößern klicken)Abbildung 4: Die 002-151-001 ist eine planare P-N-SMD-Diffusionsfotodiode mit Abmessungen von 1,6 x 3,2 x 1,1 mm. Sie bietet einen Spektralbereich von 800 bis 1700 nm. (Bildquelle: Advanced Photonix)

Diese InGaAs-Fotodiode besitzt einen Spektralbereich von 800 bis 1700 nm, der das IR-Spektrum abdeckt. Ihr Dunkelstrom beträgt weniger als 1 Nanoampere (nA). Die spektrale Empfindlichkeit, die den Ausgangsstrom für eine bestimmte optische Eingangsleistung angibt, beträgt in der Regel 1 Ampere pro Watt (A/W). Anwendungen sind z. B. die industrielle Sensorik, Sicherheit und Kommunikation.

Die PIN-Diode wird gebildet, indem eine hochohmige intrinsische Halbleiterschicht zwischen den P- und N-Schichten einer herkömmlichen Diode eingefügt wird; daher spiegelt der Name PIN die Struktur der Diode wider.

Durch Einfügen der intrinsischen Schicht wird die effektive Breite der Verarmungsschicht der Diode vergrößert, was zu einer geringeren Kapazität und einer höheren Durchbruchspannung führt. Die geringere Kapazität erhöht effektiv die Geschwindigkeit der Fotodiode. Der größere Verarmungsbereich bietet ein größeres Volumen für die durch Photonen induzierte Elektronen-Loch-Generierung und eine höhere Quanteneffizienz.

Die VBP104SR der Vishay Semiconductor Opto Division ist eine Silizium-PIN-Photodiode, die den Spektralbereich von 430 bis 1100 nm (violett bis nahes IR) abdeckt. Sie weist einen typischen Dunkelstrom von 2 nA auf und besitzt eine große optisch empfindliche Fläche von 4,4 mm² (Abbildung 5).

Abbildung: VBP104SR von Vishay ist eine PIN-Fotodiode (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 5: Die VBP104SR von Vishay ist eine PIN-Fotodiode mit einer großen optischen Messfläche, die für die extrem schnelle Lichtdetektion vorgesehen ist. (Bildquelle: Vishay Semiconductors)

Die Avalanche-Fotodiode (APD) ähnelt in ihrer Funktion einer Photovervielfacherröhre, da sie den Avalanche-Effekt nutzt, um eine Verstärkung in der Diode zu erzeugen. Bei einer hohen Sperrvorspannung erzeugt jedes Elektronen-Loch-Paar durch Lawinendurchbruch zusätzliche Paare. Das führt zu einer Verstärkung in Form eines größeren Fotostroms pro Photon des Lichts. Aus diesem Grund ist die APD eine ideale Wahl für geringe Lichtempfindlichkeit.

Ein Beispiel für eine APD ist die C30737LH-500-92C von Excelitas Technologies. Sie besitzt einen Spektralbereich von 500 bis 1000 nm (Cyan bis nahes IR) mit einer Spitzenempfindlichkeit bei 905 nm (IR). Ihre spektrale Empfindlichkeit beträgt 60 A/W bei 900 nm mit einem Dunkelstrom von weniger als 1 nA. Vorgesehen ist sie für Anwendungen mit hoher Bandbreite wie die Erkennung und Entfernungsmessung mithilfe von Licht (LiDAR) in Fahrzeugen und die optische Kommunikation (Abbildung 6).

Abbildung: Avalanche-Fotodiode C30737LH-500-92C von Excelitas Technology (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 6: Die Avalanche-Fotodiode C30737LH-500-92C ist eine Fotodiode mit hoher Bandbreite für Anwendungen wie LiDAR und optische Kommunikation. (Bildquelle: Excelitas Technology)

Schottky-Fotodioden

Die Schottky-Fotodiode basiert auf einem Metall-Halbleiter-Übergang. Die Metallseite des Übergangs bildet die Anodenelektrode und die Halbleiterseite die Kathode. Die Photonen durchdringen eine teilweise transparente Metallschicht und werden im N-Halbleiter absorbiert, wodurch Ladungsträgerpaare freigesetzt werden. Diese freien Ladungsträger werden durch das angelegte elektrische Feld aus der Verarmungsschicht herausgelenkt und bilden den Fotostrom.

Ein wesentliches Merkmal dieser Dioden ist ihre sehr schnelle Reaktionszeit. Sie nutzen im Allgemeinen kleine Diodenstrukturen, die schnell reagieren können. Schottky-Fotodioden mit Bandbreiten im Gigahertz-(GHz)-Bereich sind im Handel erhältlich. Sie bilden die ideale Wahl für optische Kommunikationsverbindungen mit hoher Bandbreite.

Ein Beispiel für eine Schottky-Fotodiode ist der Fotosensor GUVB-S11SD der Genicom Co. Ltd. (Abbildung 7). Diese UV-empfindliche Fotodiode ist für Anwendungen wie die UV-Indexierung vorgesehen. Sie nutzt ein Material auf der Basis von Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) und besitzt einen spektralen Empfindlichkeitsbereich von 240 bis 320 nm im UV-Spektrum. Das Bauelement ist spektralempfindlich und blind für sichtbares Licht, was in hell erleuchteten Umgebungen sehr nützlich ist. Ihr Dunkelstrom beträgt weniger als 1 nA und ihre Empfindlichkeit 0,11 A/W.

Abbildung: GUVB-S11SD von Genicom ist ein AlGaN-basierter UV-empfindlicher FotosensorAbbildung 7: Der GUVB-S11SD ist ein AlGaN-basierter UV-empfindlicher Fotosensor mit einer aktiven optischen Fläche von 0,076 mm². (Bildquelle: Genicom Co, Ltd.)

Fototransistoren

Der Fototransistor ist ein Sperrschicht-Halbleiterbauelement, das der Fotodiode insofern ähnelt, als es einen zur Lichtintensität proportionalen Strom erzeugt. Man könnte ihn sich als Fotodiode mit eingebautem Stromverstärker vorstellen. Der Fototransistor ist ein NPN-Transistor, bei dem der Basisanschluss durch eine optische Quelle ersetzt ist. Der Basis-Kollektor-Übergang ist in Sperrichtung vorgespannt und wird durch ein transparentes Fenster von außen beleuchtet. Der Basis-Kollektor-Übergang ist absichtlich so groß wie möglich, um den Fotostrom zu maximieren. Der Basis-Emitter-Übergang ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt, wobei der Kollektorstrom eine Funktion der einfallenden Lichtmenge ist. Das Licht liefert den Basisstrom, der durch die normale Transistorfunktion verstärkt wird. In Abwesenheit von Licht fließt ein kleiner Dunkelstrom, wie bei der Fotodiode.

Der MTD8600N4-T von Marktech Optoelectronics ist ein NPN-Fototransistor mit einer spektralen Empfindlichkeit von 400 bis 1100 nm (sichtbar bis Nah-IR) und einer Spitzenfotoreaktion bei 880 nm (Abbildung 8).

Abbildung: Fototransistor MTD8600N4-T von Marktech Optoelectronics erzeugt einen KollektorstromAbbildung 8: Der Fototransistor MTD8600N4-T erzeugt einen Kollektorstrom, der proportional zur einfallenden Lichtmenge ist. Man beachte, dass der Kollektorstrom aufgrund der Stromverstärkung des Transistors um eine Größenordnung höher ist als bei einer Fotodiode. (Bildquelle: Marktech Optoelectronics)

Dieser Fototransistor ist in einem Metallbecher mit einer transparenten Kuppel untergebracht. Das Diagramm zeigt den Kollektorstrom in Abhängigkeit von der Spannung zwischen Kollektor und Emitter, wobei die Bestrahlungsstärke als Parameter dient. Die Kollektorströme sind aufgrund der Stromverstärkung im Transistor wesentlich höher als der Strom in einer Fotodiode.

Fototransistoren sind in vielen Gehäuseformen erhältlich. Der NPN-Fototransistor NTE3034A von NTE Electronics beispielsweise verwendet ein gegossenes Epoxidgehäuse, in das Licht von der Seite einfällt. Er reagiert auch im sichtbaren bis Nah-IR-Bereich mit einer Spitzenfotoreaktion bei 880 nm.

Fazit:

Die Lichterkennung mit Fototransistoren und Fotodioden ist ein Mittel, mit dem Mikroprozessoren oder Mikrocontroller die physische Welt erfassen und entsprechende Steuer- oder Analysealgorithmen implementieren. Der Fototransistor wird in denselben Anwendungen eingesetzt wie die Fotodiode, obwohl beide ihre jeweiligen Vorteile haben. Der Fototransistor bietet einen höheren Ausgangsstrom als die Fotodiode, während die Fotodiode den Betrieb bei höheren Frequenzen erlaubt.

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Über den Autor

Art Pini

Arthur (Art) Pini ist ein aktiver Autor bei Digi-Key Electronics. Seine Abschlüsse umfassen einen Bachelor of Electrical Engineering vom City College of New York und einen Master of Electrical Engineering von der City University of New York. Er verfügt über mehr als 50 Jahre Erfahrung in der Elektronikbranche und war in leitenden Positionen in den Bereichen Technik und Marketing bei Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek und Nicolet Scientific tätig. Er hat Interesse an der Messtechnik und umfangreiche Erfahrung mit Oszilloskopen, Spektrumanalysatoren, Generatoren für beliebige Wellenformen, Digitalisierern und Leistungsmessern.

Über den Verlag

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