ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับโฟโตไดโอดและโฟโตทรานซิสเตอร์และการนำไปใช้งาน

มีปัญหาการออกแบบอย่างหนึ่งที่สามารถแก้ไขได้โดยง่ายด้วยการมองเห็นของมนุษย์ เช่น การตรวจจับตำแหน่งที่เหมาะสมของกระดาษในเครื่องพิมพ์ เป็นเรื่องง่ายสำหรับมนุษย์ที่จะเห็นตำแหน่งของกระดาษ แต่ยากสำหรับไมโครโปรเซสเซอร์ที่จะตรวจสอบ ในกล้องโทรศัพท์มือถือจำเป็นต้องวัดแสงโดยรอบเพื่อพิจารณาว่าจำเป็นต้องเปิดใช้งานแฟลชหรือไม่ สามารถวัดระดับออกซิเจนในเลือดโดยไม่ลุกล้ำเข้าไปในร่างกายได้อย่างไร

วิธีแก้ปัญหาการออกแบบเหล่านี้คือการใช้โฟโตไดโอดหรือโฟโตทรานซิสเตอร์ อุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์เหล่านี้แปลงแสง (โฟตอน) เป็นสัญญาณไฟฟ้าเพื่อให้ไมโครโปรเซสเซอร์ (หรือไมโครคอนโทรลเลอร์) "มองเห็น" ซึ่งช่วยให้สามารถควบคุมตำแหน่งและการจัดตำแหน่งของวัตถุ กำหนดความเข้มของแสง และวัดคุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุตามปฏิกิริยากับแสง

บทความนี้จะอธิบายเกี่ยวกับทฤษฎีการทำงานของโฟโตไดโอดและโฟโตทรานซิสเตอร์ ให้ความรู้พื้นฐานในการใช้งานแก่นักออกแบบ และนำเสนอตัวอย่างอุปกรณ์จาก Advanced Photonix, Inc., Vishay Semiconductor Opto Division, Excelitas Technologies, Genicom Co., Ltd., Marktech Optoelectronics และ NTE Electronics

สเปกตรัมแสงที่มักใช้กับโฟโตไดโอดและโฟโตทรานซิสเตอร์

โฟโตไดโอดและโฟโตทรานซิสเตอร์มีความไวต่อช่วงความยาวคลื่นแสง ในบางกรณีการทำงานที่ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าก็เป็นหนึ่งในข้อพิจารณา ผู้ออกแบบควรตระหนักถึงสเปกตรัมของแสงเพื่อให้อุปกรณ์เหมาะกับการใช้งาน

สเปกตรัมแสงครอบคลุมตั้งแต่อินฟราเรด (IR) ที่มีความยาวคลื่นยาวกว่าไปจนถึงรังสีอัลตราไวโอเลต (UV) ที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่า (รูปที่ 1) ความยาวคลื่นที่มองเห็นได้อยู่ระหว่างนั้น

รูปที่ 1: สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นส่วนหนึ่งของสเปกตรัมแสงครอบคลุม UV ถึง IR โดยมีสเปกตรัมที่มองเห็นได้อยู่ตรงกลาง ตารางแสดงความยาวคลื่นที่มองเห็นได้และความถี่ที่เกี่ยวข้อง (ที่มารูปภาพ: Once Lighting (บน) และ Art Pini (ล่าง))

อุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่กำหนดค่าความยาวคลื่นใช้งานเป็นนาโนเมตร (nm) โดยที่ไม่ค่อยได้ใช้ค่าความถี่

โฟโตไดโอดซิลิคอน (Si) มีแนวโน้มที่จะไวต่อแสงที่มองเห็นได้ สำหรับอุปกรณ์ที่ไวต่อแสงอินฟราเรดจะใช้อินเดียมแอนติโมไนด์ (InSb), อินเดียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ (InGaAs), เจอร์เมเนียม (Ge) หรือเมอคิวรี่แคดเมียมเทลลูไรด์ (HgCdTe) และอุปกรณ์ที่ไวต่อแสงยูวีมักใช้ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC)

โฟโตไดโอด

โฟโตไดโอดคือไดโดแบบรอยต่อ P-N สององค์ประกอบหรือแบบ PIN โดยเปิดรับแสงผ่านตัวไดโอดหรือฝาครอบที่โปร่งใส เมื่อแสงตกกระทบรอยต่อ กระแสหรือแรงดันไฟจะเพิ่มขึ้นตามโหมดการทำงาน โฟโตไดโอดสามารถทำงานโหมดในโหมดหนึ่งในสามโหมดขึ้นอยู่กับการให้ไบแอสที่ใช้กับโฟโตไดโอด ซึ่งโหมดการทำงานทั้งสามคือ โหมดโฟโตโวลตาอิก โฟโตคอนดักทีฟ หรือแอวาแลนซ์ไดโอด

หากโฟโตไดโอดไม่มีการให้ไบแอส โฟโตไดโอดจะทำงานในโหมดโฟโตโวลตาอิกและสร้างแรงดันไฟขาออกต่ำ ๆ เมื่อมีแหล่งกำเนิดแสงมาตกกระทบ ในโหมดนี้ โฟโตไดโอดจะทำหน้าที่เหมือนเซลล์แสงอาทิตย์ โหมดโฟโตโวลตาอิกมีประโยชน์ในการใช้งานที่ความถี่ต่ำ โดยทั่วไปต่ำกว่า 350 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) ด้วยมีความเข้มของแสงน้อย แรงดันไฟขาออกต่ำ และในกรณีส่วนใหญ่เอาต์พุตโฟโตไดโอดมักต้องการแอมพลิฟายเออร์

โหมดโฟโตคอนดักทีฟต้องการให้โฟโตไดโอดมีไบแอสแบบย้อนกลับ ไบแอสแบบย้อนกลับที่ใช้จะสร้างบริเวณปลอดพาหะที่รอยต่อ P-N ยิ่งมีไบแอสมาก บริเวณปลอดพาหะก็ยิ่งกว้างขึ้น บริเวณปลอดพาหะที่กว้างขึ้นส่งผลให้ความจุลดลง เมื่อเทียบกับไดโอดที่ไม่มีไบแอส ซึ่งส่งผลให้ตอบสนองเร็วขึ้น โหมดนี้มีสัญญาณรบกวนสูงกว่าและอาจต้องมีการจำกัดแบนด์วิดท์เพื่อควบคุม

หากไบแอสย้อนกลับเพิ่มขึ้นอีก โฟโตไดโอดจะทำงานในโหมดแอวาแลนซ์ไดโอด ในโหมดนี้ โฟโตไดโอดจะทำงานในสภาวะไบแอสย้อนกลับสูง โดยอนุญาตให้มีการเพิ่มของคู่อิเล็กตรอนและโฮลที่ผลิตแสงทวีคูณ เนื่องจากการพังทลายแบบแอวาแลนซ์ ส่งผลต่อการขยายภายในและความไวแสงที่สูงขึ้นในโฟโตไดโอด โหมดนี้มีฟังก์ชันการทำงานคล้ายกับหลอดโฟโตมัลติพลายเออร์

ในการใช้งานส่วนใหญ่ โฟโตไดโอดจะทำงานในโหมดโฟโตคอนดักทีฟโดยมีไบแอสย้อนกลับ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: โฟโตไดโอดไบแอสย้อนกลับสัดส่วนกระแสกับความเข้มแสงอันเนื่องมาจากการสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮลในบริเวณปลอดพาหะ วงกลมสีฟ้าแทนของอิเล็กตรอนและวงกลมสีขาวแทนโฮล (ที่มารูปภาพ: Art Pini)

รอยต่อโฟโตไดโอดแบบไบแอสย้อนกลับที่ไม่โดนแสงมีบริเวณปลอดพาหะซึ่งมีตัวพาหะอิสระอยู่บ้าง ดูเหมือนตัวเก็บประจุที่มีประจุ ซึ่งจะมีกระแสไฟฟ้าต่ำที่เกิดจากการแตกตัวเป็นไอออนด้วยความร้อน เรียกว่ากระแส "มืด" โฟโตไดโอดในอุดมคติจะมีกระแสมืดเป็นศูนย์ ระดับสัญญาณรบกวนจากกระแสมืดและความร้อนเป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิของไดโอด กระแสมืดสามารถบดบังกระแสไฟฟ้าขณะโดนแสง (Photocurrent) ได้เนื่องจากระดับแสงน้อยมาก ดังนั้นควรเลือกอุปกรณ์ที่มีกระแสมืดต่ำ

เมื่อแสงกระทบบนชั้นปลอดพาหะด้วยพลังงานที่เพียงพอ จะทำให้อะตอมในโครงสร้างผลึกแตกตัวเป็นไอออนและสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮล สนามไฟฟ้าที่มีอยู่เนื่องจากการให้ไบแอสจะทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปที่แคโทดและโฮลจะเคลื่อนที่ไปที่ขั้วบวกทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าโฟโตเคอร์เรนต์ ยิ่งความเข้มของแสงมากเท่าใด กระแสไฟก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น กราฟความสัมพันธ์ของแรงดัน-กระแสของโฟโตไดโอดไบแอสย้อนกลับแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3: แผนภาพคุณลักษณะ V-I สำหรับโฟโตไดโอดไบแอสย้อนกลับแสดงการเปลี่ยนแปลงที่เพิ่มขึ้นในกระแสไดโอดตามฟังก์ชันของระดับแสง (ที่มารูปภาพ: Art Pini)

กราฟแสดงกระแสย้อนกลับของไดโอดเป็นฟังก์ชันของแรงดันไบแอสย้อนกลับที่ใช้โดยมีความเข้มแสงเป็นพารามิเตอร์ โปรดทราบว่าการเพิ่มระดับแสงจะทำให้ระดับกระแสไฟย้อนกลับเพิ่มขึ้นตามสัดส่วน นี่เป็นพื้นฐานสำหรับการใช้โฟโตไดโอดในการวัดความเข้มของแสง แรงดันไบแอสเมื่อมากกว่า 0.5 โวลต์ มีผลเพียงเล็กน้อยต่อโฟโตเคอร์เรนต์ กระแสย้อนกลับสามารถแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้าได้โดยนำไปใช้กับแอมพลิฟายเออร์ทรานส์อิมพีแดนซ์

ประเภทของโฟโตไดโอด

การใช้งานการตรวจจับและการวัดแสงที่หลากหลายทำให้เกิดโฟโตไดโอดประเภทต่าง ๆ ที่โดดเด่นมากมาย โฟโตไดโอดพื้นฐานคือแบบรอยต่อ P-N ระนาบเดียวกัน อุปกรณ์เหล่านี้ให้ประสิทธิภาพสูงสุดในโหมดโฟโตโวลตาอิกที่ไม่มีไบแอส และยังเป็นอุปกรณ์ที่มีความคุ้มค่ามากที่สุด

ไดโอด 002-151-001 จาก Advanced Photonix, Inc. เป็นตัวอย่างของโฟโตไดโอด/เครื่องตรวจจับแสง InGaAs แบบกระจายระนาบ (รูปที่ 4) มาในแพ็คเกจที่อุปกรณ์ยึดอยู่บนผิว (SMD) ขนาด 1.6 x 3.2 x 1.1 มิลลิเมตร (มม.) พร้อมช่องรับแสงแบบแอกทีฟที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.05 มม.

รูปที่ 4: 002-151-001 เป็นโฟโตไดโอด P-N กระจายระนาบเดียวกันแบบ SMD ที่มีขนาด 1.6 x 3.2 x 1.1 มม. มีช่วงสเปกตรัม 800 ถึง 1700 นาโนเมตร (ที่มาของภาพ: Advanced Photonix)

โฟโตไดโอด InGaAs นี้มีช่วงสเปกตรัม 800 ถึง 1700 นาโนเมตร ครอบคลุมสเปกตรัมอินฟราเรด กระแสมืดมีค่าน้อยกว่า 1 นาโนแอมแปร์ (nA) การตอบสนองทางสเปกตรัมซึ่งมีกระแสเอาต์พุตสำหรับอินพุตพลังงานแบบออปติกเฉพาะโดยทั่วไปที่ 1 แอมแปร์ต่อวัตต์ (A/W) ซึ่งมีไว้สำหรับการใช้งานต่าง ๆ รวมถึงการตรวจวัดทางอุตสาหกรรม ความปลอดภัย และการสื่อสาร

ไดโอดแบบ PIN เกิดขึ้นจากการประกบชั้นเซมิคอนดักเตอร์ภายในที่มีความต้านทานสูงระหว่างชั้น P และ N ของไดโอดทั่วไป ดังนั้น PIN จึงบ่งบอกถึงโครงสร้างของไดโอด

การแทรกชั้นภายในจะเพิ่มความกว้างที่มีประสิทธิภาพของชั้นปลอดพาหะไดโอด ส่งผลให้ความจุลดลงและแรงดันเบรกดาวน์ (Breakdown Voltage) สูงขึ้น ความจุที่ต่ำกว่าจะเพิ่มความเร็วของโฟโตไดโอดได้อย่างมีประสิทธิภาพ บริเวณปลอดพาหะที่ใหญ่ขึ้นมีปริมาณการสร้างโฮลอิเล็กตรอนที่เกิดจากโฟตอนและประสิทธิภาพควอนตัมมากขึ้น

ไดโอด VBP104SR ของ Vishay Semiconductor Opto Division เป็นโฟโตไดโอด PIN ซิลิกอนที่ครอบคลุมช่วงสเปกตรัมตั้งแต่ 430 ถึง 1100 นาโนเมตร (ช่วงสีม่วงถึงใกล้อินฟราเรด) มีกระแสมืดทั่วไป 2 nA และพื้นที่ไวต่อแสงขนาดใหญ่ 4.4 ตารางมิลลิเมตร (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: Vishay VBP104SR เป็นโฟโตไดโอดแบบ PIN ที่มีพื้นที่การตรวจจับด้วยแสงขนาดใหญ่สำหรับการตรวจจับภาพถ่ายด้วยความเร็วสูง (ที่มาของภาพ: Vishay Semiconductors)

แอวาแลนซ์โฟโตไดโอด (APD) มีลักษณะการทำงานคล้ายกับหลอดโฟโตมัลติพลายเออร์ซึ่งใช้เอฟเฟกต์แอวาแลนซ์เพื่อสร้างการขยายในไดโอด เมื่อมีไบแอสย้อนกลับสูง คู่อิเล็กตรอน-โฮลแต่ละคู่จะสร้างคู่ใหม่โดยใช้วิธีการพังทลายแบบแอวาแลนซ์ ส่งผลต่อการขยายในรูปของโฟโตเคอร์เรนต์ที่ใหญ่ขึ้นต่อโฟตอนของแสง ทำให้ APD เป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับความไวแสงน้อย

ตัวอย่างของ APD คือ C30737LH-500-92C จาก Excelitas Technologies มีช่วงสเปกตรัม 500 ถึง 1000 นาโนเมตร (ช่วงสีฟ้าถึงใกล้อินฟราเรด) โดยมีการตอบสนองสูงสุดที่ 905 นาโนเมตร (IR) มีการตอบสนองสเปกตรัม 60 A/W @ 900 nm โดยมีกระแสมืดน้อยกว่า 1 nA ซึ่งมีไว้สำหรับการใช้งานแบนด์วิธสูง เช่น การตรวจจับและวัดระยะแสงในรถยนต์ (LiDAR) และการสื่อสารด้วยแสง (ภาพที่ 6)

รูปที่ 6: แอวาแลนซ์โฟโตไดโอด C30737LH-500-92C เป็นโฟโตไดโอดแบบแบนด์วิดท์สูงที่มีเป้าหมายในการใช้งานต่าง ๆ เช่น LiDAR และการสื่อสารด้วยแสง (ที่มารูปภาพ: Excelitas Technology)

โฟโตไดโอดชอทท์กี้

โฟโตไดโอดชอทท์กี้มาจากรอยต่อระหว่างโลหะกับเซมิคอนดักเตอร์ ด้านโลหะของจุดเชื่อมต่อสร้างอิเล็กโทรดแอโนด ในขณะที่ด้านเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N คือแคโทด โฟตอนผ่านชั้นโลหะที่โปร่งใสบางส่วนและถูกดูดซับในเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N ซึ่งทำให้คู่ของตัวพาหะมีประจุเป็นอิสระ ตัวพาหะมีประจุไฟฟ้าอิสระเหล่านี้จะถูกพาออกจากบริเวณปลอดพาหะโดยสนามไฟฟ้าที่ใช้และก่อตัวเป็นโฟโตเคอร์เรนต์

ลักษณะสำคัญของไดโอดเหล่านี้คือมีเวลาตอบสนองที่รวดเร็วมาก โดยทั่วไปจะใช้โครงสร้างรอยต่อไดโอดขนาดเล็กซึ่งสามารถตอบสนองได้อย่างรวดเร็ว โฟโตไดโอดชอทท์กี้ที่มีแบนด์วิดท์ในช่วงกิกะเฮิรตซ์ (GHz) มีวางจำหน่ายทั่วไป ทำให้เหมาะสำหรับเชื่อมต่อการสื่อสารด้วยแสงแบนด์วิดท์สูง

ตัวอย่างของโฟโตไดโอดชอทท์กี้คือ โฟโตเซนเซอร์ GUVB-S11SD จาก Genicom Co., Ltd (รูปที่ 7) โฟโตไดโอดที่ไวต่อแสง UV นี้มีไว้สำหรับการใช้งานต่าง ๆ เช่น การวัดดัชนีรังสีอัลตราไวโอเลต ใช้วัสดุจากอะลูมิเนียมแกลเลียมไนไตรด์ (AlGaN) และมีช่วงความไวของสเปกตรัมตั้งแต่ 240 ถึง 320 นาโนเมตรในสเปกตรัม UV อุปกรณ์นี้มีความไวต่อสเปกตรัมและไม่สามารถวัดแสงที่มองเห็นได้ ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่มีประโยชน์ในสภาพแวดล้อมที่มีแสงสว่างจ้า มีกระแสมืดน้อยกว่า 1 nA และการตอบสนอง 0.11 A/W

รูปที่ 7: GUVB-S11SD เป็นเซ็นเซอร์ภาพถ่ายที่ไวต่อแสง UV ที่ใช้ AlGaN โดยมีพื้นที่ออปติคัลแบบแอคทีฟ 0.076 ตารางมิลลิเมตร (ที่มารูปภาพ: Genicom Co, Ltd.)

โฟโต้ทรานซิสเตอร์

โฟโตทรานซิสเตอร์เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์แบบมีรอยต่อที่คล้ายกับโฟโตไดโอดซึ่งทำให้เกิดสัดส่วนระหว่างกระแสไฟฟ้ากับความเข้มของแสง อาจถือได้ว่าเป็นโฟโตไดโอดที่มีแอมพลิฟายเออร์ในตัว โฟโตทรานซิสเตอร์เป็นทรานซิสเตอร์ NPN ที่การเชื่อมต่อฐานถูกแทนที่ด้วยแหล่งกำเนิดแสง จุดเชื่อมต่อเบสคอลเล็กเตอร์มีไบแอสย้อนกลับและเปิดรับแสงภายนอกผ่านช่องโปร่งใส จุดเชื่อมต่อตัวเบสคอลเล็กเตอร์ตั้งใจทำขึ้นให้ใหญ่พอกับการใช้งานจริงเพื่อเพิ่มกระแสไฟให้สูงสุด จุดเชื่อมต่อเบสอิมิตเตอร์รับไบแอสตรง โดยมีกระแสคอลเล็กเตอร์เป็นฟังก์ชันกับระดับแสงตกกระทบ แสงจะจ่ายกระแสเบส ซึ่งขยายเพิ่มขึ้นผ่านการทำงานของทรานซิสเตอร์แบบปกติ ในกรณีที่ไม่มีแสง จะมีกระแสมืดไหลต่ำ ๆ เช่นเดียวกับในโฟโตไดโอด

Marktech Optoelectronics MTD8600N4-T เป็นโฟโตทรานซิสเตอร์ NPN ที่มีความไวสเปกตรัม 400 ถึง 1100 นาโนเมตร (ช่วงที่มองเห็นได้จนถึงใกล้อินฟราเรด) และการตอบสนองต่อแสงสูงสุดที่ 880 นาโนเมตร (รูปที่ 8)

รูปที่ 8: โฟโตทรานซิสเตอร์ MTD8600N4-T ทำให้เกิดสัดส่วนกระแสคอลเล็กเตอร์กับระดับแสงตกกระทบ โปรดทราบว่ากระแสของคอลเล็กเตอร์เป็นอันดับของขนาดที่สูงขึ้นของกระแสจากโฟโตไดโอดอันเนื่องมาจากการขยายกระแสของทรานซิสเตอร์ (ที่มารูปภาพ: Marktech Optoelectronics)

โฟโตทรานซิสเตอร์นี้บรรจุอยู่ในแพ็คเกจทรงกระบอกโลหะที่มียอดโดมโปร่งใส กราฟกระแสคอลเล็กเตอร์เป็นฟังก์ชันของแรงดันไฟอิมิตเตอร์ โดยมีความเข้มแสงเป็นพารามิเตอร์ กระแสคอลเล็กเตอร์สูงกว่ากระแสในโฟโตไดโอดเป็นอย่างมากอันเนื่องมาจากการขยายกระแสในทรานซิสเตอร์

โฟโต้ทรานซิสเตอร์มีให้เลือกหลายแบบ ตัวอย่างเช่น NTE Electronics NTE3034A ซึ่งเป็นโฟโตทรานซิสเตอร์ NPN ที่ใช้แพ็คเกจอีพ็อกซี่ขึ้นรูปที่รับแสงจากด้านข้าง นอกจากนี้ยังตอบสนองต่อการมองเห็นในระยะใกล้กับอินฟราเรดด้วยการตอบสนองของแสงสูงสุดที่ 880 นาโนเมตร

บทสรุป

การตรวจจับแสงโดยใช้โฟโตทรานซิสเตอร์และโฟโตไดโอดเป็นวิธีหนึ่งที่ทำให้ไมโครโปรเซสเซอร์หรือไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถรับรู้ถึงสิ่งต่าง ๆ และใช้อัลกอริธึมควบคุมหรือการวิเคราะห์ตามลำดับ โฟโตทรานซิสเตอร์พบว่ามีการใช้งานในลักษณะเดียวกับโฟโตไดโอด แต่ทั้งคู่ก็มีข้อดีแตกต่างกัน โฟโตทรานซิสเตอร์มีระดับกระแสเอาต์พุตที่สูงกว่าโฟโตไดโอด ในขณะที่โฟโตไดโอดสามารถทำงานที่มีความถี่สูง