Come utilizzare nel modo più efficace fotodiodi e fototransistor

I fototransistor e i fotodiodi sono trasduttori elettro-ottici strettamente correlati che convertono la luce incidente in corrente elettrica. Vengono utilizzati in applicazioni quali il rilevamento della posizione e della presenza, la misurazione dell'intensità della luce e il rilevamento degli impulsi ottici ad alta velocità. Tuttavia, per ottenere le massime prestazioni da questi dispositivi, i progettisti devono prestare particolare attenzione ai circuiti di interfaccia, alla lunghezza d'onda e all'allineamento ottico-meccanico.

Ad esempio, sono necessari circuiti di interfaccia appropriati per estrarre la corrente massima al variare dell'intensità e delle condizioni. Un'applicazione efficiente richiede anche la comprensione dei loro principi di funzionamento e delle differenze tra fototransistor e fotodiodi.

Questo articolo tratta i principi di funzionamento di questi dispositivi, alcuni degli aspetti parametrici critici e alcune delle più sottili sfumature di applicazione del dispositivo, oltre a presentare degli esempi di soluzioni.

Nozioni di base e caratteristiche di fotodiodi e fototransistor

I fotodiodi producono un flusso di corrente quando assorbono la luce. La Figura 1 ne mostra due tipi. Il primo è il più noto diodo fotovoltaico (cella solare), che produce corrente quando viene colpito dalla luce. Il secondo è il fotoconduttore, essenzialmente un fotodiodo a polarizzazione inversa. La luce incidente sul fotodiodo fa sì che la sua resistenza alla corrente di polarizzazione inversa diminuisca.

Questa corrente può essere misurata per ottenere una lettura dell'intensità della luce incidente. In altre parole, il fotodiodo funziona come limitatore del flusso di corrente, in cui un livello superiore di luce riduce la restrizione. In quasi tutti i casi, il fotodiodo deve essere usato con un amplificatore associato, tipicamente un amplificatore a transimpedenza (TIA), per convertire il flusso di corrente in un segnale utile.

Figura 1: A causa della necessità di una lente e di un percorso ottico verso il die del sensore, i fotodiodi e i fototransistor richiedono un involucro diverso rispetto ai diodi e transistor convenzionali. (Immagine per gentile concessione di Learnabout-electronics)

I fototransistor sono un po' più complicati dei fotodiodi in quanto sono transistor con la giunzione esposta. I fotoni che arrivano al dispositivo attivano il transistor, ma per il resto il comportamento è lo stesso di un transistor convenzionale. (Nei primi tempi dei dispositivi a stato solido, alcuni transistor e molti diodi erano alloggiati in contenitori trasparenti che inducevano un comportamento irregolare del circuito a seconda di quanta luce arrivava ad esso) Il circuito equivalente di un fototransistor è un fotodiodo con la sua fotocorrente in uscita che entra nella base di un transistor a basso segnale (Figura 2).

Figura 2: Il modello elettrico e fisico di un fototransistor è un fotodiodo con la fotocorrente di uscita che entra nella base di un transistor a basso segnale. (Immagine per gentile concessione di Mechapedia/Northwestern University)

Essendo un dispositivo a tre terminali ci sono diversi modi per collegare il fototransistor. Le configurazioni con emettitore comune (CE) e amplificatori a collettore comune (CC) sono quelle più utilizzate (Figura 3). Con la configurazione CE, la luce fa sì che l'uscita passi da uno stato alto a uno stato basso; con la configurazione CC, la transizione di stato è opposta.

Figura 3: Il fototransistor può essere collegato tramite emettitore comune (a sinistra) o collettore comune (a destra) proprio come un transistor. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Occorre tenere presente un'altra importante caratteristica valida per i fototransistor e non per i fotodiodi: possono essere utilizzati sia in modalità attiva che in modalità di commutazione. In modalità attiva, il transistor è un elemento analogico con un'uscita lineare proporzionale all'intensità della luce. In modalità di commutazione il transistor agisce come un elemento digitale e può avere due stati: spegnimento (off) o saturazione (on).

La modalità di funzionamento è determinata dal valore della resistenza di carico R_L, indicata come R_c o R_e nella Figura 3. La modalità attiva si verifica quando V_CC > R_L × I_CC, e la modalità di commutazione quando V_CC < R_L × I_CC, dove I_C è la corrente anticipata massima e V_CC è la tensione di alimentazione, come illustrato. Se il fototransistor viene utilizzato per valutare l'intensità della luce, deve essere messo in modalità attiva. Se viene impiegato per rilevare la presenza o l'assenza di luce, ad esempio quando una carta di credito si trova nella fessura dello sportello automatico, viene utilizzata la modalità di commutazione.

Anche se i fototransistor e i fotodiodi sono strettamente correlati, hanno differenti prestazioni. In generale, i fotodiodi possono essere fabbricati in modo da essere molto più veloci di uno o due ordini di grandezza e con una risposta in frequenza più ampia rispetto ai fototransistor. Per questo motivo vengono utilizzati per il rilevamento degli impulsi di luce nei collegamenti ad alta velocità in fibra ottica. Tuttavia, i fotodiodi hanno bisogno di un amplificatore esterno, mentre un fototransistor da solo può avere un guadagno di corrente sufficiente per un'applicazione.

Inoltre, i parametri prestazionali dei fotodiodi, tra cui la sensibilità alla luce, la corrente di dispersione e la velocità di risposta, variano meno con le variazioni di temperatura rispetto ai fototransistor.

Aspetti progettuali: molto di più dell'elettronica

Per loro natura, i fototransistor e i fotodiodi sono sensibili alla luce. Questo, naturalmente, significa che il progetto deve prevedere un percorso ottico libero affinché la luce raggiunga costantemente i fotodispositivi. Tale percorso, inoltre, deve essere allineato e mantenuto dalla sorgente alla superficie di rilevamento durante il normale utilizzo e la durata di vita del prodotto.

I problemi meccanici di posizionamento di fototransistor e fotodiodo sono dettati dall'applicazione, dalle modalità di utilizzo, dall'interazione con l'utente e da molti altri fattori che devono essere attentamente valutati in fase di progettazione del prodotto. È fondamentale che il percorso ottico sia studiato attentamente. Devono essere prese in considerazione anche le minime variazioni dovute alle tolleranze di produzione, alla flessione delle schede, alla polvere e altri usi previsti e/o relativamente anomali.

L'angolo di accettazione ottica tipico a metà potenza per fotodiodi e fototransistor varia da ±10° a ±30° a seconda della dimensione del die, della disposizione delle lenti e della distanza. In base alla disposizione dell'applicazione, può rivelarsi preferibile l'angolo di accettazione più ampio o quello più stretto.

A volte il problema deriva dalla situazione inversa: la luce indesiderata proveniente da una fonte ambientale può interferire con i componenti fotosensibili. In questi casi, può essere necessario aggiungere schermi ottici esterni, barriere interne, filtri ottici passabanda sulla lunghezza d'onda, o incassare ulteriormente il sensore senza ostacolare l'uscita dell'emettitore sul suo percorso verso il sensore. Ciò richiede spesso la ricerca di un punto di equilibrio tra obiettivi contrastanti, il che introduce una serie di problemi elettronici, ottici e meccanici.

I parametri prestazionali riflettono gli aspetti elettro-ottici e i compromessi di progettazione

Sebbene questi dispositivi abbiano un lungo elenco di specifiche elettriche, presentano anche aspetti elettro-ottici misti. Tra questi: risposta spettrale, sensibilità e guadagno, linearità, corrente di buio, velocità di risposta e rumore.

Risposta spettrale: la risposta spettrale dipende principalmente dal materiale di base del dispositivo e dal suo drogaggio. I dispositivi a base di silicio hanno una sensibilità di picco in una banda nel vicino infrarosso (IR) a circa 840 nanometri (nm), ma sono disponibili dispositivi ottimizzati per altre lunghezze d'onda.

I fototransistor e i fotodiodi hanno sensibilità spettrale simile in quanto i loro principi fisici della tecnologia a stato solido sono gli stessi. Tuttavia, la risposta di picco di un fototransistor è a una lunghezza d'onda leggermente più corta di quella di un tipico fotodiodo perché le giunzioni diffuse di un fototransistor sono formate mediante processo di epitassi piuttosto che da wafer di silicio coltivato a cristalli.

Ciò significa che la sorgente luminosa che stanno "vedendo" - LED, luce solare o luce ambiente da un'altra sorgente - deve fornire la sua uscita nella corrispondente banda di sensibilità affinché il fotodispositivo funzioni efficacemente. Fortunatamente, lo spettro di uscita dei LED standard rientra nella gamma di sensibilità dei fotosensori a base di silicio.

Sensibilità e guadagno: questi parametri definiscono l'efficienza del dispositivo nel convertire i fotoni in flusso di corrente. Il valore, a volte indicato come efficienza quantistica, mostra il rapporto tra l'energia dei fotoni incidenti e il flusso di corrente. I fotodiodi producono solo una piccolissima quantità di corrente, che va dai nanoampere (nA) a pochi microampere (µA). La corrente è molto più alta per i fototransistor grazie al loro guadagno intrinseco che è simile a quello dei transistor convenzionali a basso segnale, ma varia con il pilotaggio di base, la tensione di polarizzazione e la temperatura.

Linearità: l'emissione di un fotodiodo è lineare su un ampio intervallo, in genere da sette a nove decadi di intensità luminosa. Al contrario, la corrente del collettore (I_C) di un fototransistor è lineare per sole tre o quattro decadi perché il guadagno c.c. (h_FE) del fototransistor dipende dalla corrente del collettore che, a sua volta, è determinata dal pilotaggio di base. Alcune applicazioni di fototransistor, come gli strumenti di prova e misura, richiedono obbligatoriamente la linearità, diversamente da altri impieghi come il rilevamento di base di presenza/assenza.

La differenza si riferisce quindi a quali componenti possono essere presi in considerazione per la progettazione: requisiti di linearità ridotti si traducono in un maggior numero di candidati e costi inferiori.

Corrente di buio: per i fotodiodi, questa è la corrente che viene lasciata fluire anche se il dispositivo è in condizioni di assoluta oscurità; dipende anche dal rumore interno. Per i fototransistor, la corrente di buio è la corrente di dispersione della giunzione collettore-base moltiplicata per il guadagno in corrente continua del transistor. Impedisce al fototransistor di essere completamente "spento" come dovrebbe essere un interruttore ideale.

Velocità di risposta: i fotodiodi sono più veloci dei fototransistor, dove la velocità è in funzione della capacità della giunzione collettore-base del transistor e del valore della resistenza di carico. Il fotodiodo ha però bisogno di un amplificatore esterno per essere utile, il che influisce sulla sua velocità di risposta complessiva. I tempi di salita e discesa (rispettivamente dal 10% al 90% e dal 90% al 10%) sono solitamente simmetrici, a meno che il fototransistor non venga mandato in saturazione, il che aumenta il tempo di discesa. Sono disponibili in commercio fotodiodi con risposta al nanosecondo e anche al femtosecondo.

Rumore: nessuna discussione su un componente elettronico sarebbe completa senza parlare dell'inevitabile problema del rumore. Ci sono molte forme di rumore per i fotodiodi e i fototransistor, tra cui il rumore shot, il rumore della corrente di buio, il rumore termico, il rumore di generazione-ricombinazione e il rumore di lettura. Ogni tipo di rumore è dovuto a diversi fattori fisici di base, a diverse formulazioni degli apparecchi e condizioni operative (tensione, temperatura, carico) che si traducono in livelli diversi di influenza di queste sorgenti di rumore. Per la maggior parte delle applicazioni destinate al consumo di massa, il rumore non è così importante. Per la strumentazione e per i collegamenti dati ad altissima velocità, spesso costituisce invece un problema notevole, specialmente a livelli di luce molto bassi.

Due sono i temi che i progettisti devono prendere in considerazione relativamente a questi parametri prestazionali. In primo luogo, quando si esaminano e si confrontano i dispositivi di vari fornitori, quali sono le condizioni di prova? Le prestazioni variano notevolmente a seconda della costruzione ottica, delle tensioni, delle resistenze di carico e di altri fattori, per cui è importante utilizzare condizioni comparabili. Quando si effettua una selezione specifica, il componente deve essere utilizzato alle condizioni specificate nella scheda tecnica. Se ciò non è fattibile, saranno necessari ulteriori test o interpolazioni.

L'altra domanda a cui rispondere è quali specifiche sono importanti in una determinata applicazione e in quale misura. Ad esempio, la velocità è determinante per un fotodiodo per un collegamento in fibra ottica per le comunicazioni, mentre la sua risposta spettrale è meno critica in quanto lo spettro del LED sorgente è noto e può essere abbinato al sensore con l'accoppiamento di sensibilità complessiva incorporata nel progetto.

D'altro canto, un fototransistor che viene utilizzato per rilevare la presenza di una carta di credito nella fessura di uno sportello automatico non ha bisogno di grande velocità, ma può avere bisogno di bassa corrente di buio e guadagno costante per poter operare in modo affidabile su una vasta gamma di scenari operativi reali.

Come linea guida generale, le prestazioni dei fotodiodi sono determinate in gran parte dal materiale, dal drogaggio e dall'involucro, nonché dalle dimensioni del materiale fotosensibile. Per i fototransistor, questi stessi fattori sono altrettanto importanti, oltre alle caratteristiche di guadagno del transistor (Tabella 1).

Tabella 1: Prestazioni dei fotodiodi e dei fototransistor in base alle dimensioni del materiale fotosensibile ed effetto del guadagno del transistor sui fototransistor (immagine per gentile concessione di DigiKey)

I componenti consentono la transizione optoelettrica

Un fotodiodo al silicio rappresentativo è PD15-21B/TR8 di Everlight, che offre una larghezza di banda di risposta spettrale nell'infrarosso da 730 a 1100 nm e un picco a 940 nm (Figura 4). Questo dispositivo, a montaggio superficiale in plastica nera, è destinato a prodotti di consumo di base come fotocopiatrici, macchine per videogiochi e lettori di carte. La corrente di uscita massima per questo dispositivo (le cui dimensioni sono 1,5×3,2×1,1 mm) è di 0,8 µA con una sorgente IR incidente a 875 nm e con una potenza di 1 mW/cm². Ha un tempo di risposta di 6 ns e una corrente di buio massima di 10 nA. Come dispositivo SMT, questo fotodiodo offre molte opzioni di montaggio rispetto a un dispositivo con conduttori terminali, ma il profilo di temperatura per la rifusione definito nella scheda tecnica non deve essere superato, anche se si tratta di una temperatura "moderata" rispetto a quella che altri componenti della scheda possono tollerare.

Figura 4: L'uscita spettrale del fotodiodo al silicio PD15-21B/TR8 di Everlight raggiunge picchi attorno a 950 nm, con una larghezza di banda approssimativa di circa 370 nm. (Immagine per gentile concessione di Everlight)

I fotodiodi da soli non sono in grado di fornire la corrente necessaria per la maggior parte delle situazioni, né di pilotare un carico. Pertanto, sono quasi sempre accompagnati da un amplificatore a transimpedenza che converte le loro uscite a basso livello e ad alta impedenza in una tensione utilizzabile. Il TIA presenta una bassa impedenza di ingresso al fotodiodo e trasforma le piccole variazioni di corrente al suo ingresso in variazioni di tensione molto più grandi in uscita.

Precauzioni per la progettazione: anche se a prima vista possa sembrare la stessa, non è uguale alla topologia che si utilizza per un resistore di rilevamento della corrente per convertire la corrente di carico in tensione per misurare la corrente. Questa soluzione ha invece un buon comando da una sorgente a bassa impedenza, il che la rende una situazione molto diversa.

Ad esempio, LTC6268 di Analog Devices è un amplificatore operazionale a ingresso a canale singolo a FET con bassissima corrente di polarizzazione e bassa capacitanza di ingresso, studiato per applicazioni di strumentazione (Figura 5).

Figura 5: Il TIA LTC6268 di Analog Devices è ottimizzato per applicazioni di strumentazione, come evidenziato dalla sua bassissima rumorosità e dalla corrente di polarizzazione in ingresso a livello di una singola cifra di femtoampere. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La sua bassa corrente di polarizzazione di 3 fA (tipica) a temperatura ambiente e 4 pA (massimo) a 125 °C è necessaria per assicurare che il TIA non "carichi" l'uscita del fotodiodo e devii la sua bassa corrente. La sua corrente di rumore, che influisce sulla precisione a basse frequenze, è solo di 5,5 fA/√Hz, fino a 100 kHz. Le specifiche dinamiche includono un prodotto con larghezza di banda di guadagno di 500 MHz e una larghezza di banda di -3 dB con guadagno unitario di 350 MHz. La sua rete di retroazione per la regolazione del guadagno RC richiede una certa capacitanza per la stabilità e la formazione di loop oltre al resistore discreto. Ma nella maggior parte dei casi la capacità parassita della scheda è adeguata, facendo quindi risparmiare spazio e consentendo l'eliminazione di un componente dalla distinta base.

Altri TIA sono ottimizzati per collegamenti dati ottici piuttosto che per la strumentazione. MAX3658 di Maxim Integrated è un amplificatore a transimpedenza per ricevitori ottici fino a 622 Mbps, con caratteristiche idonee per ricetrasmettitori a fibra e fattore di forma compatto (Figura 6). A differenza di un TIA per strumentazione, questo dispositivo è progettato per pilotare linee coassiali differenziali a 75 ohm per mantenere l'integrità del segnale, ridurre al minimo l'interferenza intersimbolica e minimizzare il bit error rate (BER).

Figura 6: Progettata per collegamenti in fibra ottica con velocità fino a 622 Mbps, l'uscita del TIA MAX3658 di Maxim Integrated è studiata per pilotare una coppia bilanciata di cavi coassiali da 75 ohm al fine di mantenere l'integrità del segnale. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Come per altri amplificatori operazionali, siano essi di tipo convenzionale o TIA, la scheda tecnica di MAX3658 include molti grafici delle prestazioni, tra cui corrente, tensione, velocità, temperatura e altro ancora. Inoltre, poiché questo TIA è progettato per collegamenti ottici a 622 Mbps e soddisfa gli standard applicativi del settore, la scheda tecnica comprende anche diagrammi ad occhio critici che specificano le caratteristiche delle prestazioni in varie condizioni operative (Figura 7).

Figura 7: I diagrammi ad occhio sono costituiti da cifre di merito standard utilizzate per l'analisi dei collegamenti di comunicazione dati per diversi livelli di potenza di ingresso ottico. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Per applicazioni che richiedono un fototransistor con il suo guadagno intrinseco, il dispositivo al silicio NPN APTD3216P3C-P22 di Kingbright è una possibile opzione (Figura 8). Come il fotodiodo precedente, misura 3,2×1,6 mm. Poiché l'apertura di cattura della luce è un fattore critico nelle prestazioni del dispositivo, le dimensioni ridotte non sono necessariamente la scelta migliore nei componenti di cattura dei fotoni.

Figura 8: Il fototransistor APTD3216P3C-P22 di Kingbright è inserito in un contenitore di grandi dimensioni rispetto ai transistor convenzionali, allo scopo di catturare più luce incidente e garantire una maggiore sensibilità. (Immagine per gentile concessione di Kingbright)

Anche questo è abbinato allo spettro di una sorgente LED a emissione di infrarossi e ha una sensibilità angolare di circa ±15° (Figura 9).

Figura 9: Per dispositivi come i fototransistor, la sensibilità in funzione della lunghezza d'onda e dell'angolo fuori asse costituisce una specifica essenziale. (Immagine per gentile concessione di Kingbright)

Essendo anche un transistor, molte delle sue prestazioni sono sensibili alla temperatura. Ad esempio, la corrente di buio di 1 nA a 25 °C aumenta a circa 100 nA a 70 °C (Figura 10). Nell'analisi di progettazione del prodotto è necessario prendere in considerazione anche questi valori di deriva.

Figura 10: Trattandosi comunque di un transistor, molte delle specifiche di APTD3216P3C-P22 di Kingbright dipendono dalla temperatura. In questo caso, la corrente di buio passa da circa 1 nA a 100 nA con l'aumento della temperatura da 25 °C a 70 °C. (Immagine per gentile concessione di Kingbright)

Conclusione

I componenti ottici come i fotodiodi e i fototransistor sono utilizzati per la rilevazione della presenza e per la realizzazione di strumentazione ad alte prestazioni, inoltre sono essenziali per i collegamenti dati tramite fibra ottica. A causa della loro natura elettro-ottica ibrida, di solito richiedono un'attenta valutazione che deve occuparsi di questioni di progettazione elettrica, ottica e meccanica, così come dei componenti di interfaccia elettronica specializzata allo scopo di ottenere la piena efficienza e raggiungere il loro pieno potenziale.

Una volta comprese e messe in atto queste valutazioni, i dispositivi adatti tra cui scegliere sono numerosi e possono essere utilizzati come soluzioni per applicazioni di rilevamento, strumentazione e collegamento ottico.