Noções básicas de fotodiodos e fototransistores e como aplicá-los

Há uma classe de problemas de projeto que pode ser facilmente resolvida com o uso da visão humana. Considere a detecção da localização adequada do papel em uma impressora. É fácil para um humano ver o alinhamento, mas difícil para um microprocessador verificá-lo. A câmera em um telefone celular precisa medir a luz ambiente para determinar se o flash precisa ser ativado. Como o nível de oxigênio no sangue pode ser avaliado de uma maneira não invasiva?

A solução para estas questões de projeto é o uso de fotodiodos ou fototransistores. Estes dispositivos optoeletrônicos convertem luz (fótons) em sinais elétricos, e assim permitem que um microprocessador (ou microcontrolador) "veja". Isto permite controlar o posicionamento e alinhamento dos objetos, determinar a intensidade da luz e medir as propriedades físicas dos materiais com base em sua interação com a luz.

Este artigo explica a teoria de funcionamento tanto dos fotodiodos quanto dos fototransistores e fornece aos projetistas o conhecimento básico de sua aplicação. Dispositivos da Advanced Photonix, Inc., Vishay Semiconductor Opto Division, Excelitas Technologies, Genicom Co., Ltd., Marktech Optoelectronics e NTE Electronics são apresentados a título de exemplo.

O espectro óptico normalmente utilizado para fotodiodos e fototransistores

Os fotodíodos e fototransistores são sensíveis a uma gama de comprimentos de onda ópticos. Em alguns casos, esta é uma consideração de projeto, por exemplo, ao tornar a operação invisível ao olho humano. O projetista deve estar ciente do espectro óptico, a fim de adequar os dispositivos à aplicação.

O espectro óptico se estende do infravermelho (IR, ou IV em português) de maior comprimento de onda ao ultravioleta de menor comprimento de onda (UV) (Figura 1). Os comprimentos de onda visíveis estão no meio.

Figura 1: Parte do espectro eletromagnético, o espectro óptico se estende de UV a IR com o espectro visível no meio. A tabela lista os comprimentos de onda visíveis e suas frequências associadas. (Fonte da imagem: Once Lighting (em cima) e Art Pini (embaixo))

A maioria dos dispositivos optoeletrônicos são especificados usando seus comprimentos de onda operacionais em nanômetros (nm); os valores de frequência são raramente usados.

Os fotodiodos de silício (Si) tendem a ser sensíveis à luz visível. Os dispositivos sensíveis ao IR utilizam o antimoneto de índio (InSb), arseneto de gálio-índio (InGaAs), germânio (Ge) ou telureto de cádmio-mercúrio (HgCdTe). Os dispositivos sensíveis aos raios UV geralmente usam carbeto de silício (SiC).

O fotodiodo

O fotodíodo é uma junção de dois elementos P-N ou PIN que é exposta à luz através de um corpo ou cobertura transparente. Quando a luz atinge a junção, uma corrente ou tensão é desenvolvida dependendo do modo de operação. O fotodíodo opera em qualquer um dos três modos, dependendo da polarização aplicada a ele. Estes são os modos de diodo fotovoltaico, fotocondutivo ou avalanche.

Se o fotodíodo não for polarizado, ele opera no modo fotovoltaico e produz uma pequena tensão de saída quando iluminado com uma fonte de luz. Neste modo, o fotodíodo age como uma célula solar. O modo fotovoltaico é útil em aplicações de baixa frequência, geralmente abaixo de 350 quilohertz (kHz), com baixas intensidades de luz. A tensão de saída é baixa, e a saída do fotodiodo requer um amplificador na maioria dos casos.

O modo fotocondutivo requer que o fotodiodo seja polarizado inversamente. A polarização inversa aplicada irá gerar uma região de depleção na junção P-N. Quanto maior a polarização, mais larga é a região de depleção. A região mais larga de depleção resulta em capacitância reduzida, em comparação com o diodo sem polarização, resultando em tempos de resposta mais rápidos. Este modo tem níveis de ruído mais altos e pode exigir largura de banda limitada para controlá-los.

Se a polarização inversa for aumentada ainda mais, o fotodíodo opera em modo de diodo de avalanche. Neste modo, os fotodíodos operam em uma condição de alta polarização inversa, permitindo a multiplicação de cada par elétron-lacuna fotoproduzido devido à ruptura por avalanche. Isto resulta em ganho interno e maior sensibilidade no fotodiodo. Este modo é uma funcionalidade semelhante a um tubo fotomultiplicador.

Na maioria das aplicações, o fotodiodo opera em modo fotocondutor com polarização inversa (Figura 2).

Figura 2: O fotodiodo polarizado inversamente produz uma corrente proporcional à intensidade da luz devido à criação de pares elétron-lacuna na região de depleção. Os círculos cheios em azul representam os elétrons e os círculos brancos significam as lacunas. (Fonte da imagem: Art Pini)

A junção do fotodiodo não iluminado e polarizado inversamente tem uma zona de depleção com poucos portadores livres. Parece ser um capacitor carregado. Há uma pequena corrente provocada pela ionização térmica, chamada de corrente "escura". Um fotodíodo ideal teria corrente escura zero. Os níveis de corrente escura e de ruído térmico são proporcionais à temperatura do diodo. A corrente escura pode ocultar a fotocorrente devido aos níveis extremamente baixos de luz, portanto, dispositivos com correntes escuras baixas devem ser selecionados.

Quando a luz incide sobre a camada de depleção com energia suficiente, ela ioniza os átomos na estrutura do cristal e gera pares elétron-lacuna. O campo elétrico existente, devido a polarização, fará com que os elétrons se movam para o cátodo e as lacunas se movam para o ânodo, dando origem a uma fotocorrente. Quanto maior a intensidade da luz, maior a fotocorrente. A característica de corrente-tensão do fotodíodo polarizado inversamente mostra isso na Figura 3.

Figura 3: O diagrama característico V-I para o fotodíodo polarizado inversamente mostra mudanças incrementais na corrente do diodo em função do nível de luz. (Fonte da imagem: Art Pini)

O gráfico traça a corrente inversa do diodo como uma função da tensão de polarização inversa aplicada, tendo a intensidade luminosa como parâmetro. Observe que o aumento dos níveis de luz produz um aumento proporcional nos níveis de corrente inversa. Esta é a base para o uso de fotodiodos para medir a intensidade luminosa. A tensão de polarização, quando maior que 0,5 volts, tem pouco efeito sobre a fotocorrente. A corrente inversa pode ser convertida para uma tensão aplicando-a a um amplificador de transimpedância.

Tipos de fotodiodos

A variedade de aplicações de detecção e medição de luz deu origem a uma variedade de tipos de fotodiodos distintos. O fotodíodo básico é a junção plana P-N. Estes dispositivos oferecem o melhor desempenho em modo não polarizado, fotovoltaico. Eles são também os dispositivos mais econômicos.

O 002-151-001 da Advanced Photonix, Inc., é um exemplo de um fotodiodo/fotodetector de difusão planar em InGaAs (Figura 4). Ele vem em um invólucro de montagem em superfície (SMD) medindo 1,6 x 3,2 x 1,1 milímetros (mm), com uma abertura óptica ativa medindo 0,05 mm de diâmetro.

Figura 4: O 002-151-001 é um fotodiodo de difusão planar P-N SMD medindo 1,6 x 3,2 x 1,1 mm. Tem uma faixa espectral de 800 a 1700 nm. (Fonte da imagem: Advanced Photonix)

Este fotodiodo em InGaAs tem uma faixa espectral de 800 a 1700 nm, cobrindo o espectro IR. Sua corrente escura é inferior a 1 nanoampere (nA). Sua responsividade espectral, que especifica a saída de corrente para uma entrada de potência óptica específica, é tipicamente 1 ampere por watt (A/W). É destinado a aplicações incluindo sensoriamento industrial, segurança e comunicações.

O diodo PIN é formado por uma camada de semicondutor intrínseca de alta resistividade entre as camadas tipo P e tipo N de um diodo convencional; daí o nome PIN reflete a estrutura do diodo.

A inserção da camada intrínseca aumenta a largura efetiva da camada de depleção dos diodos, resultando em menor capacitância e maior tensão de ruptura. A menor capacitância aumenta efetivamente a velocidade do fotodiodo. A região de maior depleção oferece um maior volume de geração de elétron-lacuna com indução de fótons e maior eficiência quântica.

O VBP104SR da Vishay Semiconductor Opto Division é um fotodiodo PIN de silício que cobre a faixa espectral de 430 a 1100 nm (violeta a infravermelho próximo). Tem uma corrente escura típica de 2 nA e uma grande área opticamente sensível de 4,4 mm² (Figura 5).

Figura 5: O Vishay VBP104SR é um fotodiodo PIN com uma grande janela de detecção óptica destinada à fotodetecção de alta velocidade. (Fonte da imagem: Vishay Semiconductors)

O fotodiodo de avalanche (APD) é funcionalmente semelhante a um tubo fotomultiplicador, pois utiliza o efeito de avalanche para criar ganho no diodo. Na presença de uma alta polarização inversa, cada par elétron-lacuna gera pares adicionais por meio da ruptura por avalanche. Isto resulta em ganho na forma de uma fotocorrente maior por fóton de luz. Isto torna o APD uma escolha ideal para a baixa sensibilidade à luz.

Um exemplo de um APD é o C30737LH-500-92C da Excelitas Technologies. Tem uma faixa espectral de 500 a 1000 nm (ciano a quase IR) com um pico de resposta a 905 nm (IR). Tem uma responsividade espectral de 60 A/W a 900 nm com uma corrente escura inferior a 1 nA. É destinado a aplicações de alta largura de banda, como LiDAR (Light Detection and Ranging) automotivo e comunicação óptica (Figura 6).

Figura 6: O fotodiodo de avalanche C30737LH-500-92C é um fotodiodo de alta largura de banda destinado a aplicações tais como LiDAR e comunicações ópticas. (Fonte da imagem: Excelitas Technology)

Fotodíodos Schottky

O fotodíodo Schottky é baseado em uma junção metal-semicondutor. O lado metálico da junção forma o eletrodo anódico, enquanto o lado semicondutor do tipo N é o catódico. Os fótons passam por uma camada metálica parcialmente transparente e são absorvidos no semicondutor do tipo N, liberando pares de portadores de carga. Estes portadores livres de carga são varridos da camada de depleção pelo campo elétrico aplicado e formam a fotocorrente.

Uma característica significativa desses diodos é seu tempo de resposta muito rápido. Eles geralmente empregam pequenas estruturas de junção de diodos que são capazes de responder rapidamente. Os fotodíodos Schottky com largura de banda na faixa de gigahertz (GHz) estão disponíveis comercialmente. Isto os torna ideais para links de comunicação óptica de alta largura de banda.

Um exemplo do fotodiodo Schottky é o fotossensor GUVB-S11SD da Genicom Co., Ltd. (Figura 7). Este fotodiodo sensível aos raios UV é destinado a aplicações como a indexação UV. Utiliza um material à base de nitreto de gálio-alumínio (AlGaN) e tem uma faixa de sensibilidade espectral de 240 a 320 nm no espectro UV. O dispositivo é espectralmente sensível e cego à luz visível, uma característica útil em ambientes com muita luz. Tem uma corrente escura de menos de 1 nA e uma responsividade de 0,11 A/W.

Figura 7: O GUVB-S11SD é um sensor fotossensível aos raios UV baseado em AlGaN com uma área óptica ativa de 0,076 mm². (Fonte da imagem: Genicom Co, Ltd.)

Fototransistores

O fototransistor é um dispositivo semicondutor de junção similar ao fotodiodo, pois gera uma corrente proporcional à intensidade luminosa. Pode ser pensado como um fotodiodo com um amplificador de corrente incorporado. O fototransistor é um transistor NPN onde a conexão de base é substituída por uma fonte óptica. A junção base-coletor é polarizada inversamente e exposta à luz externa através de uma janela transparente. A junção base-coletor é feita propositadamente tão grande quanto prático para maximizar a fotocorrente. A junção base-emissor é polarizada diretamente, com sua corrente de coletor sendo uma função do nível de luz incidente. A luz fornece a corrente de base, que é amplificada através da ação normal do transistor. Na ausência de luz, uma pequena corrente escura flui, como no fotodíodo.

O Marktech Optoelectronics MTD8600N4-T é um fototransistor NPN com sensibilidade espectral de 400 a 1100 nm (do visível ao infravermelho próximo), e uma resposta de pico a 880 nm (Figura 8).

Figura 8: O fototransistor MTD8600N4-T produz uma corrente de coletor proporcional ao nível de luz incidente. Observe que a corrente de coletor é uma ordem de magnitude maior que a de um fotodiodo devido à amplificação da corrente do transistor. (Fonte da imagem: Marktech Optoelectronics)

Este fototransistor é alojado em uma lata de metal com uma cúpula transparente. O gráfico é da corrente de coletor em função da tensão do coletor ao emissor, tendo como parâmetro a irradiância da luz. As correntes de coletor são significativamente maiores do que a corrente em um fotodiodo devido à amplificação da corrente no transistor.

Os fototransistores estão disponíveis em muitos estilos de invólucros. Por exemplo, o fototransistor NPN NTE3034A da NTE Electronics utiliza um invólucro de epóxi moldado que recebe luz pela lateral. Também responde do visível ao infravermelho próximo com uma resposta de pico a 880 nm.

Conclusão

A detecção de luz usando fototransistores e fotodiodos é um meio pelo qual os microprocessadores ou microcontroladores dão sentido ao mundo físico e implementam algoritmos de controle ou análise de acordo. O fototransistor encontra uso nas mesmas aplicações que o fotodiodo, embora cada um deles tenha suas respectivas vantagens. O fototransistor oferece um nível de corrente de saída maior do que o fotodíodo, enquanto o fotodíodo tem a vantagem de operar em frequências mais altas.