Valodiodien ja valotransistorien perusteet sekä niiden käyttö

On joukko suunnitteluongelmia, jotka voidaan ratkaista helposti käyttämällä ihmisen näkökykyä. Ajatellaanpa esimerkiksi sitä, onko paperi asetettu oikealla tavalla tulostimeen. Ihmisen on helppo nähdä onko se kohdallaan, mutta mikroprosessorilla sen tarkistaminen on vaikeaa. Matkapuhelimen kameran on mitattava taustavalo määrittääkseen tarvitaanko salamaa. Miten veren happipitoisuutta voidaan arvioida ei-invasiivisesti?

Ratkaisu näihin suunnitteluongelmiin on valodiodien tai valotransistorien käyttö. Nämä optoelektroniset laitteet muuntavat valon (fotonit) sähköisiksi signaaleiksi, ja näin mikroprosessori (tai mikrokontrolleri) pystyy ”näkemään”. Tällä tavalla voidaan ohjata objektien sijaintia ja suuntaa, määrittää valon voimakkuus ja mitata materiaalien fysikaalisia ominaisuuksia sen perusteella, miten ne ovat vuorovaikutuksessa valon kanssa.

Tässä artikkelissa selitetään sekä valodiodien että valotransistorien käytön teoriaa ja tarjotaan suunnittelijoille perustietoja niiden käytöstä. Esimerkkeinä käytetään valmistajien Advanced Photonix, Inc., Vishay Semiconductor Opto Division, Excelitas Technologies, Genicom Co., Ltd., Marktech Optoelectronics ja NTE Electronics laitteita.

Valodiodien ja valotransistorien kanssa tyypillisesti käytettävä optinen spektri

Valodiodit ja valotransistorit ovat herkkiä tietyille optisille aallonpituuksille. Joissakin tapauksissa tämä on suunnittelun kannalta tärkeää, esimerkiksi kun halutaan tehdä toiminnasta näkymätöntä ihmissilmälle. Suunnittelijan on tunnettava optinen spektri voidakseen valita oikeat laitteet käyttötarkoituksen mukaan.

Optinen spektri ulottuu aallonpituudeltaan pidemmästä infrapunasta (IR) aallonpituudeltaan lyhyempään ultraviolettiin (UV) (kuva 1). Näkyvät aallonpituudet sijaitsevat niiden välissä.

Kuva 1: Optinen spektri on osa sähkömagneettista spektriä ja ulottuu ultravioletista infrapunaan. Näkyvä spektri on niiden välissä. Taulukossa on lueteltu näkyvät aallonpituudet ja niihin liittyvät taajuudet. (Kuvan lähde: Once Lighting (ylhäällä) ja Art Pini (alhaalla))

Useimmat optoelektroniset laitteet määritellään käyttämällä niiden käyttämän aallonpituuden yksikkönä nanometriä (nm); taajuusarvoja käytetään harvoin.

Piivalodiodit (Si) ovat yleensä herkkiä näkyvälle valolle. Infrapunavalolle herkissä laitteissa käytetään indiumantimonidia (InSb), indiumgalliumarsenidia (InGaAs), germaniumia (Ge) tai elohopeakadmiumtelluridia (HgCdTe). UV-herkissä laitteissa käytetään yleisesti piikarbidia (SiC).

Valodiodi

Valodiodi on kaksielementtinen P-N- tai PIN-liitos. Kun valo osuu siihen läpinäkyvän rungon tai kannen lävitse, se synnyttää toimintatavasta riippuen virran tai jännitteen. Valodiodi toimii esijännitteestä riippuen kolmessa eri tilassa. Tilat ovat valosähköinen, valojohtava ja vyöryvalodiodi.

Jos valodiodissa ei ole esijännitettä, se toimii valosähköisessä tilassa. Kun siihen osuu valo, se tuottaa pienen lähtöjännitteen. Tässä tilassa valodiodi toimii kuin aurinkokenno. Valosähköinen tila on hyödyllinen matalataajuisissa sovelluksissa, yleensä alle 350 kilohertsin (kHz) taajuudella, kun valon voimakkuus on alhainen. Lähtöjännite on alhainen, ja valodiodin lähtö vaatii useimmissa tapauksissa vahvistimen.

Valojohtava tila edellyttää, että valodiodissa on estosuuntainen esijännite. Estosuuntainen esijännite synnyttää P-N-liitokseen tyhjennysalueen. Mitä suurempi estosuuntainen esijännite, sitä leveämpi tyhjennysalue on. Leveän tyhjennysalueen kapasitanssi on pienempi kuin diodissa, jossa ei ole esijännitettä. Tämä nopeuttaa sen vasteaikaa. Kohinataso on tässä tilassa korkeampi ja saattaa vaatia kaistanleveyden rajoittamista.

Jos estosuuntainen esijännite kasvaa edelleen, valodiodi toimii vyöryvalodiodina. Tässä tilassa valodiodit toimivat korkealla estosuuntaisella esijännitteellä, jolloin vyörypurkaus moninkertaistaa jokaisen valosta syntyneen elektroni-aukkoparin. Tämä kasvattaa valodiodin sisäistä vahvistusta ja lisää sen herkkyyttä. Tämä tila on toiminnaltaan samanlainen kuin valomonistinputki.

Useimmissa sovelluksissa valodiodi toimii valojohtavassa tilassa estosuuntaisella esijännitteellä (kuva 2).

Kuva 2: Estosuuntaista esijännitettä käyttävä valodiodi tuottaa valon voimakkuutta vastaavan virran. Tämä johtuu elektroni-aukkoparien muodostumisesta tyhjennysalueella. Sinisellä täytetyt ympyrät kuvaavat elektroneja ja valkoiset ympyrät aukkoja. (Kuvan lähde: Art Pini)

Jos estosuuntaista esijännitettä käyttävään valodiodiliitokseen ei osu valoa, sen tyhjennysalueessa on vähän vapaita varauksenkuljettajia. Se näyttää varautuneelta kondensaattorilta. Lämmön aiheuttama ionisaatio synnyttää pienen ”pimeäksi” kutsutun virran. Ihanteellisella valodiodilla pimeävirta olisi nolla. Pimeän virran ja lämpökohinan tasot ovat verrannollisia diodin lämpötilaan. Jos valoa on erittäin vähän, pimeä virta voi peittää valosähkövirran. Tästä syystä kannattaa valita laite, jonka pimeä virta on alhainen.

Kun valo osuu tyhjennysalueelle riittävällä energialla, se ionisoi kiderakenteen atomit ja synnyttää elektroni-aukkopareja. Esijännitteen synnyttämä sähkökenttä saa elektronit siirtymään katodiin ja aukot anodiin synnyttäen valosähkövirtaa. Mitä suurempi valon voimakkuus on, sitä suurempi on valosähkövirta. Estosuuntaista esijännitettä käyttävän valodiodin virta-jännite-ominaiskäyrä osoittaa tämän kuvassa 3.

Kuva 3: Estosuuntaista esijännitettä käyttävän valodiodin V-I-ominaiskäyrä näyttää diodivirran asteittaiset muutokset valon voimakkuuden funktiona. (Kuvan lähde: Art Pini)

Kaaviossa esitetään diodin käänteisvirta estosuuntaisen esijännitteen funktiona valon voimakkuuden ollessa parametri. Huomaa, että käänteisvirta kasvaa suhteessa valon voimakkuuteen. Tästä syystä valodiodeja voidaan käyttää valon voimakkuuden mittaamiseen. Kun esijännite on yli 0,5 volttia, sillä on vain vähän vaikutusta valosähkövirtaan. Käänteisvirta voidaan muuntaa transimpedanssivahvistimella jännitteeksi.

Valodiodityypit

Valon havaitsemis- ja mittaussovellusten moninaisuus on synnyttänyt erilaisia valodiodityyppejä. Perusvalodiodi on planaarinen P-N-liitos. Nämä laitteet tarjoavat parhaan suorituskyvyn valosähköisessä tilassa ilman esijännitettä. Ne ovat myös kaikkein kustannustehokkaimpia.

Advanced Photonix 002-151-001 on yksi esimerkki planaarista diffuusiota käyttävästä InGaAs-valodiodista/fotodetektorista (kuva 4). Se käyttää pintaliitoskoteloa (SMD), jonka koko on 1,6 x 3,2 x 1,1 millimetriä (mm) ja jonka aktiivinen optinen aukko on halkaisijaltaan 0,05 mm.

Kuva 4: 002-151-001 on planaarisen diffuusion P-N-SMD-valodiodi, jonka koko on 1,6 x 3,2 x 1,1 mm. Sen spektrialue on 800–1700 nm. (Kuvan lähde: Advanced Photonix)

Tämän InGaAs-valodiodin spektrialue on 800–1700 nm, mikä kattaa IR-spektrin. Sen pimeä virta on alle 1 nanoampeeria (nA). Sen spektrinen herkkyys, joka kuvaa tietyn tehoisen valosyötteen synnyttämää lähtövirtaa, on tyypillisesti 1 ampeeri wattia kohti (A/W). Tämä tuote on tarkoitettu esimerkiksi teollisiin mittaus-, turvallisuus- ja viestintäsovelluksiin.

PIN-diodi valmistetaan lisäämällä vastusarvoltaan korkea I-tyyppinen puolijohdekerros perinteisen diodin P- ja N-tyyppisten kerrosten väliin, eli nimi PIN kuvaa diodin rakennetta.

Sisäisen kerroksen lisääminen tekee diodin tehollisesta tyhjennysalueesta leveämmän, mikä laskee kapasitanssia ja nostaa läpilyöntijännitettä. Alhaisempi kapasitanssi lisää merkittävästi valodiodin nopeutta. Suurempi tyhjennysalue kasvattaa fotonien synnyttämää elektroni-aukkotuotantoa ja nostaa kvanttihyötysuhdetta.

Vishay Semiconductor Opto Divisionin VBP104SR on PIN-piivalodiodi, joka kattaa spektrialueen 430–1100 nm (violetista lähelle infrapunaa). Sen tyypillinen pimeävirta on 2 nA, ja sillä on suuri optisesti herkkä pinta-ala 4,4 mm² (kuva 5).

Kuva 5: Vishay VBP104SR on PIN-valodiodi, joka sisältää huippunopeaan valonmittaukseen tarkoitetun suuren optisesti herkän ikkunan. (Kuvan lähde: Vishay Semiconductors)

Vyöryvalodiodi (APD) toimii samaan tapaan kuin valomonistinputki, sillä se kasvattaa diodin vahvistusta vyöryilmiön avulla. Kukin aukko-elektronipari tuottaa vyöryläpilyönnin vaikutuksesta lisää pareja, jos estosuuntainen esijännite on korkea. Tämä kasvattaa vahvistusta, koska kukin fotoni synnyttää korkeamman valosähkövirran. Tämän ansiosta ADP on ihanteellinen vaihtoehto tilanteisiin, joissa heikko valo vaatii komponentilta korkeaa herkkyyttä.

Excelitas Technologies C30737LH-500-92C on yksi esimerkki vyöryvalodiodista. Sen spektrialue on 500–1000 nm (sinivihreästä lähelle infrapunaa) ja sen huippuvaste on aallonpituudella 905 nm (IR). Sen spektrinen herkkyys on 60 A/W aallonpituudella 900 nm ja sen pimeä virta on alle 1 nA. Tämä vyöryvalodiodi on tarkoitettu korkeaa kaistanleveyttä vaativiin sovelluksiin, kuten autojen valon havaitsemiseen ja etäisyyden mittaukseen (LiDAR) sekä optiseen viestintään (kuva 6).

Kuva 6: C30737LH-500-92C-vyöryvalodiodi on korkean kaistanleveyden valodiodi, joka on tarkoitettu esimerkiksi LiDAR- ja optisen viestinnän sovelluksiin. (Kuvan lähde: Excelitas Technology)

Schottky-valodiodit

Schottky-valodiodi perustuu metallin ja puolijohteen liitokseen. Liitoksen metallipuoli muodostaa anodin, kun taas N-tyypin puolijohdepuoli toimii katodina. Fotonit kulkevat osittain läpinäkyvän metallikerroksen läpi ja N-tyypin puolijohde absorboi ne vapauttaen varattuja varauksenkuljettajapareja. Sähkökenttä pyyhkäisee nämä vapaat varauksenkuljettajat pois tyhjennysalueelta, ja ne synnyttävät valosähkövirran.

Näiden diodien vasteaika on tyypillisesti erittäin nopea. Niissä käytetään yleensä pieniä diodiliitosrakenteita, jotka pystyvät reagoimaan nopeasti. Saatavana on Schottky-valodiodeja, joiden kaistanleveys on gigahertsin (GHz) alueella. Tämän ansiosta ne soveltuvat erinomaisesti korkean kaistanleveyden optisiin viestintälinkkeihin.

Esimerkkinä Schottky-valodiodista toimii GUVB-S11SD-valoanturi yritykseltä Genicom Co., Ltd. (Kuva 7). Tämä UV-herkkä valodiodi on tarkoitettu sellaisiin sovelluksiin kuten UV-luokittelu. Siinä käytetään alumiinigalliumnitridiin (AlGaN) perustuvaa materiaalia, ja sen spektrinen herkkyysalue on 240–320 nm UV-spektrialueella. Laite on spektrisesti herkkä mutta näkyvän valon suhteen sokea, mikä on hyödyllinen ominaisuus kirkkaasti valaistuissa ympäristöissä. Sen pimeä virta on alle 1 nA ja herkkyys 0,11 A/W.

Kuva 7: GUVB-S11SD on AlGaN-pohjainen UV-herkkä valoanturi, jonka aktiivinen optinen pinta-ala on 0,076 mm². (Kuvan lähde: Genicom Co, Ltd.)

Valotransistorit

Valotransistori on valodiodin kaltainen liitospuolijohdekomponentti, sillä se tuottaa valon voimakkuuteen verrannollisen virran. Sitä voidaan ajatella valodiodina, jossa on sisäänrakennettu virranvahvistin. Valotransistori on NPN-transistori, jonka kanta on korvattu optisella lähteellä. Kanta-kollektori-liitoksessa on estosuuntainen esijännite ja ulkoinen valo pääsee vaikuttamaan siihen läpinäkyvän ikkunan kautta. Kanta-kollektori-liitos on tehty tarkoituksellisesti mahdollisimman suureksi valovirran maksimoimista varten. Kanta-emitteri-liitos käyttää myötäsuuntaista esijännitettä, ja sen kollektorivirta riippuu siihen osuvan valon voimakkuudesta. Valo synnyttää kantavirran, jota normaali transistoritoiminta vahvistaa. Ellei siihen kohdistu valoa, sen läpi virtaa pieni pimeä virta samoin kuin valodiodissa.

Marktech Optoelectronics MTD8600N4-T on NPN-valotransistori, jonka spektrinen herkkyys on 400–1100 nm (näkyvästä valosta lähelle infrapunaa) ja jonka huippuvaste valolle on aallonpituudella 880 nm (kuva 8).

Kuva 8: MTD8600N4-T-valotransistori tuottaa kollektorivirran, joka on verrannollinen siihen kohdistuvan valon voimakkuuteen. Huomaa, että kollektorivirta on kertaluokkaa suurempi kuin valodiodin virta. Tämä johtuu transistorin virtavahvistuksesta. (Kuvan lähde: Marktech Optoelectronics)

Tämä valotransistori käyttää metallikoteloa, jossa on läpinäkyvä kupu. Kuvaaja esittää kollektorivirtaa kollektorin ja emitterin välisen jännitteen funktiona, jossa valon irradianssi toimii parametrina. Kollektorivirta ovat huomattavasti korkeampi kuin valodiodin virta. Tämä johtuu transistorin virtavahvistuksesta.

Valotransistoreja on saatavana monissa eri kotelomuodoissa. Esimerkiksi NTE Electronicsin NPN-valotransistorissa NTE3034A käytetään valettua epoksikoteloa, johon valo tulee sivulta. Myös se reagoi aallonpituuksiin näkyvästä valosta lähelle infrapunaa, ja sen huippuvaste valolle on aallonpituudella 880 nm.

Yhteenveto

Valon mittaus valotransistoreiden ja valodiodien avulla on yksi keino, jonka avulla mikroprosessorit tai mikrokontrollerit käsittelevät fyysistä maailmaa ja toteuttavat sen mukaisesti ohjaus- tai analyysialgoritmeja. Valotransistoria käytetään samoissa sovelluksissa kuin valodiodia, vaikka kummallakin on omat etunsa. Valotransistori tarjoaa suuremman lähtövirran kuin valodiodi, kun taas valodiodin etuna on korkeampi käyttötaajuus.