מושגי היסוד של פוטו-דיודות ופוטו-טרנזיסטורים וכיצד לישמם

ישנה קטגוריה של בעיות תכנון אותה ניתן לפתור בקלות על ידי שימוש בראיית אדם. חשוב על חישה של המיקום הנכון של הנייר במדפסת. קל לאדם לראות את היישור, אך קשה למיקרו-מעבד לבדוק את זה. המצלמה בטלפון סלולרי חייבת למדוד את אור הסביבה כדי לקבוע באם להפעיל את המבזק. כיצד ניתן להעריך את רמת החמצן בדם באופן לא פולשני?

הפתרון לבעיות תכנון אלו הוא השימוש בפוטו-דיודות או פוטו-טרנזיסטורים. התקנים אופטו-אלקטרוניים אלה ממירים אור (פוטונים) לאותות חשמליים, ובכך מאפשרים למיקרו-מעבד (או מיקרו-בקר) "לראות”. זה מאפשר להם לבקר את המיקום והיישור של אובייקטים, לקבוע עוצמת אור ולמדוד את התכונות הפיזיקליות של חומרים בהתבסס על האינטראקציה שלהם עם אור.

מאמר זה מסביר את תאוריית העבודה של פוטו-דיודות כמו גם פוטו-טרנזיסטורים ומספק למתכננים את הידע הבסיסי של יישומם. התקנים מ-.Advanced Photonix, Inc,‏ Vishay Semiconductor Opto Division,‏ Excelitas Technologies,‏ .Genicom Co., Ltd,‏ Marktech Optoelectronics ו-NTE Electronics מוצגים על ידי דוגמאות.

הספקטרום האופטי המשמש בדרך-כלל עבור פוטו-דיודות ופוטו-טרנזיסטורים

פוטו-דיודות ופוטו-טרנזיסטורים רגישים למגוון אורכי-גל אופטיים. במקרים מסוימים, זהו שיקול תכנון, לדוגמה, כדי להסתיר את הפעולה מעיני אדם. המתכנן חייב להיות מודע לספקטרום האופטי כדי להתאים את ההתקנים ליישום.

הספקטרום האופטי משתרע מאורכי-גל אינפרה-אדום (IR) ארוכים יותר, עד אורכי-גל אולטרה-סגול (UV) קצרים יותר, (איור 1‏). אורכי-הגל הנראים נמצאים ביניהם.

איור 1: הספקטרום האופטי, שהוא חלק מהספקטרום האלקטרו-מגנטי, משתרע מ-UV עד IR, עם הספקטרום הנראה ביניהם. הטבלה כוללת את רשימת אורכי-הגל הנראים ואת התדירויות שלהם. (מקור תמונה: Once Lighting (למעלה) ו-Art Pini (למטה))

מרבית ההתקנים האופטו-אלקטרוניים מוגדרים תוך שימוש באורכי-גל העבודה שלהם בננומטרים (nm); ערכי תדירות משמשים לעיתים רחוקות.

פוטו-דיודות סיליקון (Si‏) נוטות להיות רגישות לאור נראה. התקנים רגישים לאינפרה-אדום משתמשים באינדיום אנטימוניד (InSb), אינדיום גליום ארסניד (InGaAs), גרמניום (Ge) או כספית קדמיום טלורייד (HgCdTe). התקנים רגישים לאולטרה-סגול משתמשים בדרך כלל בסיליקון קרביד (SiC‏).

הפוטו-דיודה

הפוטו-דיודה היא צומת של‏ שני אלמנטים P-N או PIN החשוף לאור דרך גוף או מכסה שקוף. כשאור מכה בצומת, מתפתח זרם או מתח, תלוי באופן העבודה. הפוטו-דיודה עובדת באחד משלושה אופנים, בהתאם לממתח המיושם. האופנים הם פוטו-וולטאי, פוטו-מוליכי או כדיודת מפולת.

אם הפוטו-דיודה היא ללא-ממתח, היא עובדת באופן פוטו-וולטאי ומייצרת מתח יציאה קטן כשמוארת על ידי מקור אור. באופן עבודה זה, הפוטו-דיודה פועלת כמו‏ תא סולארי. האופן הפוטו-וולטאי שימושי ביישומי תדר-נמוך, בדרך כלל מתחת ל-350 קילו-הרץ (kHz), עם עוצמות אור נמוכות. מתח היציאה הוא נמוך, ובמרבית המקרים יציאת הפוטו-דיודה דורשת‏ מגבר.

אופן העבודה הפוטו-מוליכי דורש שהממתח על הפוטו-דיודה יהיה אחורי. הממתח האחורי המיושם ייצור אזור מחסור (depletion region) בצומת ה-P-N. ככל שגדול יותר הממתח כך רחב יותר אזור המחסור (depletion region). אזור מחסור (depletion region) רחב יותר גורם לקיבוליות מופחתת, בהשוואה לדיודה ללא-ממתח, וכתוצאה מכך לזמן היענות מהיר יותר. אופן עבודה זה הוא בעל רמות רעש גבוהות יותר ועלול לדרוש הגבלת רוחב-פס כדי לבקרן.

אם מגדילים עוד יותר את הממתח האחורי, הפוטו-דיודה עובדת כדיודת מפולת. באופן עבודה זה, הפוטו-דיודות עובדות בתנאי ממתח אחורי גבוה,‏ מאפשרים את ההכפלה של כל זוג אלקטרון-חור המיוצר אופטית בגלל פריצת מפולת. התוצאה מכך היא הגבר פנימי ורגישות גבוהה יותר בפוטו-דיודה. אופן עבודה זה דומה פונקציונלית למכפילור (photomultiplier tube).

במרבית היישומים, הפוטו-דיודה עובדת באופן עבודה פוטו-מוליכי עם ממתח אחורי (איור 2‏).

איור 2: הפוטו-דיודה עם ממתח אחורי מיצרת זרם יחסי לעוצמת אור הודות ליצירת זוגות אלקטרון-חור באזור המחסור (depletion region). המעגלים הממולאים בכחול מייצגים אלקטרונים והמעגלים הלבנים מציינים את החורים. (מקור תמונה: Art Pini)

לצומת הפוטו-דיודה הלא מואר, בעל הממתח האחורי, יש אזור מחסור (depletion zone) עם נושאי מטען חופשי מעטים. הוא דומה לקבל טעון. ישנו זרם קטן הנגרם על ידי יוניזציה מעוררת תרמית, שנקרא “זרם החושך". פוטו-דיודה אידיאלית היא בעלת זרם חושך אפס. רמות זרם חושך ורעש תרמי הן פרופורציונליות לטמפרטורת הדיודה. זרם החושך יכול להסתיר את הפוטו-זרם הנגרם על ידי רמות אור נמוכות ביותר, לכן יש לבחור בהתקנים בעלי זרמי חושך נמוכים.

כשאור פוגע בשכבת המחסור (depletion layer) באנרגיה מספקת, הוא מיינן את האטומים במבנה הגביש ומיצר זוגות אלקטרון-חור. השדה החשמלי הקיים בשל הממתח יגרום לאלקטרונים לנוע אל הקתודה ולחורים לנוע אל האנודה, ובכך לגרום לפוטו-זרם. ככל שגדולה יותר עוצמת האור, כך גדול יותר הפוטו-זרם. מאפיין הזרם-מתח של הפוטו-דיודה עם ממתח אחורי מראה את זה באיור 3‏.

איור 3‏: תרשים מאפיין ה-V-I עבור פוטו-דיודה עם ממתח אחורי מראה שינויים אינקרמנטליים בזרם הדיודה כפונקציה של רמת האור. (מקור תמונה: Art Pini)

הגרף משרטט את הזרם ההפוך של הדיודה כפונקציה של מתח הממתח האחורי המופעל, עם עוצמת אור כפרמטר. שים לב שרמות אור הולכות וגדלות מיצרות‏ גידול פרופורציונלי ברמות הזרם ההפוך. זהו הבסיס לשימוש בפוטו-דיודות עבור מדידת עוצמת אור. מתח הממתח, כשגדול מ-‏0.5‏ וולט, הוא בעל השפעה מועטה על הפוטו-זרם. ניתן להמיר את הזרם ההפוך למתח על ידי החלתו על מגבר טרנס-אימפדנס.

סוגי פוטו-דיודות

מגוון יישומי גילוי ומדידת אור הניבו מגוון סוגים שונים של פוטו-דיודות. הפוטו-דיודה הבסיסית היא צומת ה-P-N הפלאנארית. התקנים אלה מציעים את הביצועים הטובים ביותר באופן פוטו-וולטאי, ללא-ממתח. הם גם ההתקנים בעלי יחס העלות-תועלת המירבי.

ה-002-151-001 מבית Advanced Photonix, Inc.‎ היא‏ דוגמה של פוטו-דיודה/פוטו-גלאי InGaAs דיפוזיה פלאנארית (איור 4‏). היא באה במארז התקן הרכבה-משטחית (SMD‏) במידות 1.6 x‏ 3.2 x‏ 1.1 מילימטרים (מ"מ), ‏עם מפתח (Aperture‏) אופטי אקטיבי בקוטר 0.05 מ"מ.

איור 4: ה-002-151-001‏ היא פוטו-דיודה P-N SMD‏ דיפוזיה פלאנארית במידות 1.6 x‏ 3.2 X‏ 1.1 מ"מ. היא בעלת תחום ספקטרלי של 800 עד 1700 ננו-מטר. (מקור תמונה: Advanced Photonix)

פוטו-דיודה InGaAs זו היא בעלת תחום ספקטרלי של 800 עד 1700 ננו-מטר, המכסה את ספקטרום ה-IR. זרם החושך שלה היא פחות מ-1 ננו-אמפר (nA‏). ההענות הספקטרלית שלה, המציינת את יציאת הזרם עבור כניסת הספק אופטי מסוים, היא אופיינית 1 אמפר לוואט (A/W). היא מיועדת ליישומים הכוללים חישה תעשייתית, אבטחה ותקשורת.

דיודת ה-PIN נוצרת על ידי הכנסת שכבת מוליך-למחצה ‏אינטרינזית התנגדות-גבוהה בין השכבות מסוג ‏P וסוג N של דיודה‏ קונבנציונלית; ומכאן השם PIN המשקף את המבנה של הדיודה.

הכנסת השכבה האינטרינזית מגדילה את הרוחב האפקטיבי של שכבת המחסור (depletion layer), ותוצאתה היא קיבוליות נמוכה יותר ומתח פריצה‏ גבוה יותר. הקיבוליות הנמוכה יותר אפקטיבית מגדילה את המהירות של הפוטו-דיודה. אזור המחסור (depletion region) הגדול יותר מציע יצירת אלקטרון-חור ‏מושרה-פוטון בנפח גדול יותר ויעילות קוונטית גדולה יותר.

ה-VBP104SR של Vishay Semiconductor Opto Division‏ היא פוטו-דיודה PIN סיליקון המכסה את התחום הספקטרלי מ-430 עד 1100 ננו-מטר (סגול עד קרוב לאינפרה-אדום). היא בעלת זרם חושך אופייני של ‎2 nA‏ ושטח רגיש אופטית גדול של 4.4 ממ"ר (איור 5‏).

איור 5‏: ה-Vishay VBP104SR ‏היא פוטו-דיודה PIN עם חלון חישה אופטית גדול המיועדת עבור גילוי אופטי מהירות-גבוהה. (מקור תמונה: Vishay)

פוטו-דיודת המפולת (‎APD‏) דומה פונקציונלית למכפילור (photomultiplier tube) בכך שהיא משתמשת בתופעת המפולת כדי לגרום הגבר בדיודה. בנוכחות ממתח אחורי גבוה, כל זוג חור-אלקטרון יוצר זוגות נוספים באמצעות פריצת מפולת. התוצאה מכך היא הגבר בצורה של פוטו-זרם גדול יותר לפוטון אור. זה עושה את פוטו-דיודת המפולת (‎APD‏) ‏לבחירה אידיאלית עבור רגישות לאור נמוך.

דוגמה לפוטו-דיודת מפולת (‎APD‏) היא ה-C30737LH-500-92C מבית Excelitas Technologies‏. היא בעלת תחום ספקטרלי של 500 עד ‎ 1000 nm (ציאן עד קרוב ל-IR) עם הענות שיא ב-905‎ nm‏ (IR). היא בעלת הענות ספקטרלית של ‎60 A/W @ 900 nm עם זרם חושך של פחות מ-1‎ nA. היא מיועדת עבור יישומי רוחב-פס גבוה כגון גילוי אור ומדידת טווח (LiDAR) של רכב ותקשורת אופטית (איור 6‏).

איור 6‏: פוטו-דיודת המפולת C30737LH-500-92C היא פוטו-דיודת רוחב-פס גבוה המיועדת עבור יישומים כגון LiDAR ותקשורת אופטית. (מקור תמונה: Excelitas Technologies)

פוטו-דיודות שוטקי

פוטו-דיודת שוטקי (Schottky) מבוססת על צומת‏ מתכת-למוליך-למחצה. צד המתכת של הצומת מהווה את אלקטרודת האנודה, בעוד צד המוליך-למחצה מסוג N הוא הקתודה. פוטונים עוברים דרך שכבת מתכת שקופה חלקית ונספגים במוליך-למחצה מסוג N, תוך שחרור זוגות נשאים טעונים. זוגות נשאים טעונים אלה נסחפים החוצה משכבת המחסור (depletion layer) על ידי השדה החשמלי המיושם ומהווים את הפוטו-זרם.

מאפיין חשוב של דיודות אלו הוא זמן הענות מהיר מאוד. הן משתמשות בדרך כלל במבנים קטנים של צומת דיודה המסוגלים להגיב במהירות. פוטו-דיודות שוטקי (Schottky) עם רוחבי-פס בתחום הגיגה-הרץ (GHz‏) הן זמינות מסחרית. זה עושה אותן לאידיאליות עבור קשרי תקשורת אופטית ברוחב-פס גבוה.

דוגמה לפוטו-דיודת שוטקי (Schottky) היא החיישן האופטי GUVB-S11SD מבית .Genicom Co., Ltd (איור 7). פוטו-דיודה רגישה ל-UV זו מיועדת עבור יישומים כגון אינדקסציית UV . היא משתמשת בחומר מבוסס אלומיניום גאליום ניטריד (AlGaN) והיא בעלת תחום רגישות ספקטרלית מ-240 עד ‎320 nm בספקטרום ה-UV. ההתקן רגיש ספקטרלית ועיוור לאור נראה, מאפיין‏ שימושי בסביבות מוארות בבהירות. הוא בעל זרם חושך נמוך מ-1‎ nA והענות של ‎0.11 A/W.

איור 7: ה-GUVB-S11SD הוא חיישן אופטי רגיש ל-UV, מבוסס AlGaN, עם שטח אופטי פעיל של 0.076 ממ"ר.‏ (מקור תמונה: .Genicom Co. Ltd)

פוטו-טרנזיסטורים

הפוטו-טרנזיסטור הוא התקן מוליך-למחצה צומת,‏ דומה לפוטו-דיודה בכך שהוא מייצר זרם שהוא יחסי לעוצמת אור. ניתן להחשיבו לפוטו-דיודה עם‏ מגבר זרם מובנה. הפוטו-טרנזיסטור הוא‏ טרנזיסטור NPN, שבו חיבור הבסיס (base) מוחלף על ידי מקור‏ אופטי. צומת הבסיס-קולקטור (base-collector) הוא בעל ממתח אחורי ונחשף לאור חיצוני דרך חלון‏ שקוף. צומת הבסיס-קולקטור עשוי בכוונה גדול ככל שהוא פרקטי כדי למקסם את הפוטו-זרם. צומת הבסיס-אמיטר (base-emitter) הוא בעל ממתח קדמי, עם זרם הקולקטור שהוא פונקציה של רמת האור האקראי. האור מספק את זרם הבסיס (base), שמוגבר באמצעות עבודה רגילה של טרנזיסטור. בהעדר אור, זורם זרם חושך קטן, כמו בפוטו-דיודה.

ה-Marktech Optoelectronics MTD8600N4-T הוא טרנזיסטור NPN עם רגישות ספקטרלית של 400 עד ‎ 1100 nm (נראה עד קרוב ל-IR) והענות אופטית שיא של 880‎ nm‏ (איור 8).

איור 8: הפוטו-טרנזיסטור MTD8600N4-T מייצר זרם‏ קולקטור (collector) יחסי לרמת האור האקראי. שים לב שזרם הקולקטור (collector) גדול בסדר גודל מהזרם של פוטו-דיודה הודות להגבר הזרם של הטרנזיסטור. (מקור תמונה: Marktech Optoelectronics‏)

פוטו-טרנזיסטור זה ארוז בפחית מתכת עם כיפה עליונה שקופה. התרשים הוא של זרם קולקטור (collector) כפונקציה של מתח בין קולקטור (collector) לאמיטר (emitter), עם עוצמת קרינת אור כפרמטר. זרמי הקולקטור (collector) גדולים משמעותית מהזרם בפוטו-דיודה הודות להגבר הזרם בטרנזיסטור.

פוטו-טרנזיסטורים זמינים בהרבה סגנונות מארז. לדוגמה, פוטו-טרנזיסטור NPN‏ NTE Electronics NTE3034A משתמש במארז יציקת אפוקסי המקבל אור מהצד. הוא גם מגיב לאור נראה עד קרוב ל-IR עם הענות אופטית שיא של 880‎ nm‏.

מסקנה

גילוי אור על ידי שימוש בפוטו-טרנזיסטורים ופוטו-דיודות הוא אמצעי אחד בעזרתו מיקרו-מעבדים ומיקרו-בקרים חשים את העולם הפיזי ומממשים בקרה או ניתוח אלגוריתמים בהתאם. הפוטו-טרנזיסטור מוצא שימוש באותם היישומים כמו הפוטו-דיודה, למרות שלכל אחד מהם יש את היתרונות המיוחדים לו. הפוטו-טרנזיסטור מציע רמת זרם יציאה‏ גבוהה יותר מהפוטו-דיודה, בעוד לפוטו-דיודה יש את היתרון של עבודה בתדרים גבוהים יותר.