Cómo utilizar fotodiodos y fototransistores con mayor eficacia

Los fototransistores y fotodiodos son transductores electroópticos estrechamente relacionados que convierten la luz incidente en corriente eléctrica en aplicaciones tales como detección de posición/presencia, medición de intensidad de luz y detección de pulso óptico de alta velocidad. Sin embargo, para aprovechar al máximo estos dispositivos, los diseñadores deben prestar especial atención a los circuitos de interfaz, la longitud de onda y la alineación mecánica óptica.

Por ejemplo, se necesitan circuitos de interfaz apropiados para extraer la corriente máxima en diferentes intensidades y condiciones. Sin embargo, la aplicación efectiva también requiere una comprensión de sus principios de funcionamiento y cómo difieren los fototransistores y fotodiodos.

Este artículo discutirá los principios de funcionamiento de estos dispositivos, algunas de las consideraciones paramétricas críticas y algunos de los matices más finos de la aplicación del dispositivo, junto con algunas soluciones de ejemplo.

Fundamentos y atributos de los fotodiodos y fototransistores

Los fotodiodos producen un flujo de corriente cuando absorben la luz. Hay dos tipos que se muestran en la Figura 1. El primero es el diodo fotovoltaico (célula solar) más conocido, que produce corriente cuando la luz lo ilumina. El segundo es el fotoconductor, que es un fotodiodo de polarización inversa. La luz que brilla en el fotodiodo hace que su resistencia a la corriente de polarización inversa disminuya.

Esta corriente se puede medir para dar una lectura de la intensidad de la luz incidente. Mirándolo de otra manera, el fotodiodo funciona como una restricción en el flujo de corriente, con más luz que reduce la restricción. En casi todos los casos, el fotodiodo debe usarse con un amplificador asociado, como un amplificador de transimpedancia (TIA, por sus siglas en inglés) para convertir el flujo de corriente en una señal útil.

Figura 1: Debido a la necesidad de una lente y un camino óptico a el molde del sensor, los fotodiodos y fototransistores requieren un embalaje que difiera de los diodos y transistores convencionales. (Fuente de la imagen: Learnabout-electronics)

Los fototransistores son algo más complicados que los fotodiodos, ya que son transistores con la base terminal expuesta. Los fotones que impactan en el dispositivo activan el transistor, pero, de otro modo, el comportamiento es el mismo que el de un transistor convencional. (En los primeros días de los dispositivos de estado sólido, algunos transistores y muchos diodos estaban embalados en receptáculos transparentes, lo que condujo a un comportamiento errático del circuito dependiendo de cuánta luz brillaba en los circuitos). El circuito equivalente de un fototransistor es un fotodiodo con su fotocorriente de salida que va a la base de un transistor de señal pequeña (Figura 2).

Figura 2: El modelo eléctrico y físico de un fototransistor es un fotodiodo con fotocorriente de salida que va a la base de un transistor de señal pequeña. (Fuente de la imagen: Mechapedia/Northwestern University)

Al ser un dispositivo de tres terminales, existen múltiples formas de conectar el fototransistor, con las configuraciones más utilizadas como los amplificadores de emisor común (CE, por sus siglas en inglés) y colector común (CC, por sus siglas en inglés) (Figura 3). Para la configuración de CE, la luz hace que la salida pase de un estado alto a un estado bajo. Para la configuración de CC, la transición de estado es la opuesta.

Figura 3: El fototransistor se puede conectar mediante una configuración de emisor común (izquierda) o colector común (derecha) al igual que un transistor. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Hay otra consideración importante para los fototransistores que no se aplica a los fotodiodos: se pueden usar en modo activo o en modo interruptor. En el modo activo, el transistor es un elemento analógico con una salida lineal que es proporcional a la intensidad de la luz. En el modo interruptor, el transistor actúa como un elemento digital y se encuentra en estado de corte (apagado) o saturado (encendido).

El modo de funcionamiento se determina por el valor de la resistencia de carga R_L, que se muestra como R_c o R_e en la Figura 3. El modo activo se produce cuando V_CC > R_L × I_CC, y el modo interruptor se produce cuando V_CC < R_L × I_CC, donde I_C es la corriente máxima anticipada y V_CC es el voltaje de alimentación, como se muestra. Si se utiliza el fototransistor para evaluar la intensidad de la luz, se usa el modo activo. Si se utiliza para detectar la presencia o ausencia de luz, como cuando una tarjeta está en una ranura, se usa el modo interruptor.

Aunque los fototransistores y los fotodiodos están estrechamente relacionados, sí tienen diferencias de rendimiento. En general, los fotodiodos pueden fabricarse para ser mucho más rápidos en una a dos órdenes de magnitud, y con una respuesta de frecuencia más amplia que los fototransistores. Es por esto que se utilizan para la detección de pulso de luz en enlaces de fibra óptica de alta velocidad. Sin embargo, los fotodiodos necesitan un amplificador externo, mientras que un fototransistor solo puede tener suficiente ganancia de corriente para una aplicación.

Además, los parámetros de rendimiento de los fotodiodos, lo que incluye la sensibilidad a la luz, la corriente de fuga y la velocidad de respuesta, varían menos con los cambios de temperatura que para los fototransistores.

Problemas de diseño: mucho más que solo electrónica

Por su naturaleza, los fototransistores y fotodiodos son estimulados por la luz. Esto, por supuesto, significa que el diseño debe proporcionar un camino óptico claro para que la luz alcance los fotodispositivos de manera consistente, y el camino debe alinearse y mantenerse desde la fuente hasta la superficie de detección durante el uso normal y la vida útil del producto.

Los problemas mecánicos de colocación del fototransistor o fotodiodo se dictan por la aplicación, los modos de uso, la interacción del usuario y muchos otros factores que deben considerarse cuidadosamente en el diseño del producto. La consistencia de este camino óptico es crítica. Incluso deben considerarse variaciones mínimas debidas a las tolerancias de fabricación, flexión de la placa, polvo y otros usos esperados y/o un poco anormales.

El ángulo de aceptación de la mitad de la potencia óptica para fotodiodos y fototransistores típicos varía entre ±10° y ±30° según el tamaño del molde, la disposición de la lente y el espaciado. Dependiendo de la disposición de la aplicación, puede preferirse el ángulo de aceptación más amplio o más estrecho.

A veces la situación inversa es el problema; los componentes fotosensibles pueden ver la luz no deseada de una fuente ambiental. En estos casos, puede ser necesario agregar protectores ópticos externos, bloques de luz internos, filtros de banda pasante de longitud de onda ópticos, o empujar el sensor aún más, sin impedir la salida del emisor en su camino hacia el sensor. Esto a menudo requiere encontrar un "punto óptimo" o punto de equilibrio entre objetivos en conflicto, que involucra una combinación de problemas electrónicos, ópticos y mecánicos.

Los parámetros de rendimiento reflejan aspectos electroópticos, soluciones de compromiso de diseño

Si bien estos dispositivos tienen una larga lista de especificaciones eléctricas, también tienen consideraciones electroópticas de modo mixto. Entre ellos se encuentran la respuesta espectral, la sensibilidad y la ganancia, la linealidad, la corriente residual, la velocidad de respuesta y el ruido.

Respuesta espectral: La respuesta espectral es principalmente una función del material base y el dopaje del dispositivo. Los dispositivos basados en silicio tienen una sensibilidad máxima en una banda dentro del rango infrarrojo (IR) cercano a aproximadamente 840 nanómetros (nm), pero hay dispositivos optimizados para otras longitudes de onda.

Los fototransistores y fotodiodos tienen sensibilidades espectrales similares, ya que sus principios subyacentes de la física del estado sólido son los mismos. Sin embargo, la respuesta máxima de un fototransistor está a una longitud de onda algo más corta que la de un fotodiodo típico porque las uniones difusas de un fototransistor se forman epitaxialmente en lugar de obleas de silicio crecidas en cristales.

Esto significa que la fuente de luz que están "viendo", ya sea LED, luz solar o ambiente de otra fuente, debe proporcionar su salida en la banda de sensibilidad correspondiente para que el fotodispositivo funcione de manera efectiva. Afortunadamente, el espectro de salida de los LED estándar está dentro del rango de sensibilidad de los fotosensores basados en silicio.

Sensibilidad y ganancia: Estos definen la eficiencia del dispositivo para convertir fotones en flujo de corriente. Algunas veces denotada como eficiencia cuántica, esto muestra la relación entre la energía del fotón incidente y el flujo de corriente. Los fotodiodos producen solo una cantidad muy pequeña de corriente, desde nanoamperios (nA) hasta unos pocos microamperios (µA). La corriente es mucho más alta para los fototransistores debido a la ganancia inherente, que es similar a la de los transistores de señal pequeña convencionales, pero varía con la unidad base, el voltaje de polarización y la temperatura.

Linealidad: La salida de un fotodiodo es lineal en un amplio rango, generalmente de siete a nueve décadas de intensidad de luz. En contraste, la corriente de colector (I_C) de un fototransistor es lineal durante solo tres o cuatro décadas debido a que la ganancia de CC (h_FE) del fototransistor es una función de la corriente de colector que, a su vez, se determina por la unidad base. Algunas aplicaciones de fototransistores, como los instrumentos de prueba y medición, necesitan linealidad, mientras que otros usos, como la detección básica de presencia/ausencia, no dependen de ella.

Entonces, la diferencia se relaciona con qué componentes se pueden considerar los dispositivos para el diseño; los requisitos de linealidad reducida se traducen en más candidatos y menor costo.

Corriente residual: Para los fotodiodos, esta es la corriente que puede fluir aunque el dispositivo se encuentre en condiciones absolutamente oscuras; también es una función del ruido interno. Para los fototransistores, la corriente residual es la corriente de fuga de la unión colector-base multiplicada por la ganancia de corriente continua del transistor. Evita que el fototransistor se “apague” por completo como un interruptor ideal.

Velocidad de respuesta: Los fotodiodos son más rápidos que los fototransistores, donde la velocidad es una función de la capacitancia de la unión colector-base del transistor y el valor de la resistencia de carga. Por otro lado, el fotodiodo necesita un amplificador externo para ser útil, lo que afecta su velocidad de respuesta general. Los tiempos de subida y caída (10 % a 90 % y 90 % a 10 %, respectivamente) son generalmente simétricos, a menos que el fototransistor se convierta en saturación, lo que aumenta el tiempo de caída. Los fotodiodos con respuestas en nanosegundos e incluso femtosegundos están disponibles comercialmente.

Ruido: Ninguna discusión sobre un componente electrónico estaría completa sin alguna mención del problema inevitable del ruido. Existen muchas formas de ruido para fotodiodos y fototransistores, incluidos el ruido de disparo, el ruido de corriente residual, el ruido térmico, el ruido de recombinación de generación y el ruido de lectura. Cada tipo de ruido se debe a diferentes factores físicos subyacentes y diferentes formulaciones de dispositivos y condiciones de funcionamiento (voltaje, temperatura, carga) que resultan en diferentes ponderaciones de estas fuentes de ruido. Para la mayoría de las aplicaciones de consumo en el mercado masivo, el ruido no es una consideración importante. Para instrumentación y enlaces de datos de ultra alta velocidad, a menudo es un problema importante, especialmente a niveles de luz muy bajos.

Hay dos cuestiones que los diseñadores deben aclarar con respecto a estos parámetros de rendimiento. Primero, al mirar y comparar dispositivos de varios proveedores, ¿cuáles son las condiciones de prueba? El rendimiento varía mucho con diferentes disposiciones ópticas, voltajes, resistencias de carga y otros factores, por lo que es importante usar condiciones comparables. Al realizar una selección específica, el componente debe utilizarse en las condiciones especificadas en la hoja de datos. Si eso no es factible, se necesitarán pruebas adicionales o interpolaciones.

La otra cuestión que se debe aclarar es qué especificaciones son importantes en una aplicación determinada y en qué medida. Por ejemplo, un fotodiodo para un enlace de fibra óptica de comunicaciones se preocupa por la velocidad, mientras que su respuesta espectral es menos crítica ya que el espectro de LED de fuente es conocido, y se puede adaptar al sensor con el emparejamiento de sensibilidad general incluido en el diseño.

Por otro lado, un fototransistor que se utiliza para detectar la presencia de una tarjeta de crédito en una ranura no necesita mucha velocidad, pero puede necesitar una baja corriente residual y una ganancia constante para funcionar de manera confiable en una amplia gama de situaciones operativas del mundo real.

Como norma general, el rendimiento de los fotodiodos está determinado en gran medida por su material, dopaje y embalaje, así como por el tamaño del molde del material fotosensible. Para los fototransistores, es en gran medida una función de esos mismos factores, así como el factor adicional de la ganancia del transistor (Tabla 1).

Tabla 1: El rendimiento de fotodiodos y fototransistores en función del tamaño del molde del material fotosensible, y el efecto de la ganancia del transistor en los fototransistores (Fuente de la imagen: DigiKey)

Los componentes permiten la transición óptico-eléctrica.

Un fotodiodo de silicio representativo es el Everlight PD15-21B/TR8, que tiene un ancho de banda de respuesta espectral infrarroja de 730 a 1100 nm y un máximo de 940 nm (Figura 4). El dispositivo de montaje en superficie de plástico negro se enfoca en productos de consumo básicos como copiadoras, máquinas de juego y lectores de tarjetas. La corriente de salida máxima para este dispositivo de 1.5 × 3.2 × 1.1 mm de altura es de 0.8 µA mediante el uso de una fuente de IR incidente a 875 nm y una potencia de 1 mW/cm². Tiene un tiempo de respuesta de 6 nanosegundos (ns) y una corriente residual máxima de 10 nA. Como dispositivo de tecnología de montaje en superficie (SMT), este fotodiodo ofrece muchas opciones de montaje en comparación con un dispositivo con plomo, pero el perfil de temperatura de reflujo definido en la hoja de datos no debe superarse, incluso si es "suave" en comparación con lo que otros componentes de la placa pueden tolerar.

Figura 4: La salida espectral del fotodiodo de silicio Everlight PD15-21B/TR8 alcanza un máximo de aproximadamente 950 nm, con un ancho de banda aproximado de aproximadamente 370 nm. (Fuente de la imagen: Everlight)

Los fotodiodos por sí solos no pueden proporcionar la corriente necesaria para la mayoría de las situaciones, ni conducir una carga sustancial. Por lo tanto, casi siempre se usan con un amplificador de transimpedancia que convierte su salida de bajo nivel de alta impedancia en un voltaje utilizable. El TIA presenta una baja impedancia de entrada al fotodiodo y traduce las pequeñas variaciones de corriente en la entrada en variaciones de voltaje mucho mayores en la salida.

Precaución de diseño: Si bien esto parece ser la misma topología que usa una resistencia de detección de corriente conocida para convertir la corriente de carga en voltaje con el fin de medir la corriente, no lo es. Esa disposición tiene un impulso sustancial de una fuente de baja impedancia, que es una situación muy diferente.

Por ejemplo, Analog Devices LTC6268, es un amplificador operacional de entrada de transistor de efecto de campo (FET) de un solo canal con una corriente de polarización de entrada extremadamente baja y una baja capacitancia de entrada que se dirige a aplicaciones de instrumentación (Figura 5).

Figura 5: El TIA LTC6268 de Analog Devices está optimizado para aplicaciones de instrumentación, como lo demuestra su ruido extremadamente bajo y la corriente de polarización de entrada femtoamperio de un solo dígito. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Se necesita su baja corriente de polarización de 3 femtoamperios (fA) (típico) a temperatura ambiente y 4 picoamperios (pA) (máximo) a 125 °C para garantizar que el TIA no "cargue" la salida del fotodiodo y desvíe su pequeña corriente. La corriente de ruido, que afecta la precisión del extremo bajo, es de solo 5.5 fA/√Hz, hasta 100 kHz. Las especificaciones dinámicas incluyen un producto de ancho de banda de ganancia de 500 MHz y un ancho de banda de -3 dB a una ganancia de unidad de 350 MHz. Su red de retroalimentación de ajuste de ganancia RC necesita cierta capacitancia para estabilidad y conformación de bucle además de la resistencia separada, pero en la mayoría de los casos la capacitancia parásita de la placa de CI es adecuada, lo que ahorra espacio y elimina un componente de la BOM.

Otros TIA están optimizados para enlaces de datos ópticos en lugar de instrumentación. El Maxim Integrated MAX3658 es un amplificador de transimpedancia para receptores ópticos que funcionan hasta 622 Mbits/s, con características adaptadas a transceptores de fibra y de factor de forma pequeño (Figura 6). A diferencia de un TIA de instrumentación, este dispositivo está diseñado para impulsar líneas coaxiales de 75 ohm diferenciales para mantener la integridad de la señal, minimizar la interferencia entre símbolos y minimizar la tasa de error binario, BER.

Figura 6: Al dirigirse a enlaces de fibra óptica a velocidades de hasta 622 Mbits/s, la salida del TIA Maxim Integrated MAX3658 está diseñada para impulsar un par equilibrado de cables coaxiales de 75 ohm para mantener la integridad de la señal. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

Al igual que con otros amplificadores operacionales, ya sean tipos convencionales o TIA, la hoja de datos de MAX3658 incluye muchos gráficos de rendimiento que muestran diversas perspectivas de corriente, voltaje, velocidad, temperatura y más. Sin embargo, dado que este TIA está diseñado para enlaces ópticos de 622 Mbps y cumple con las normas de aplicación de la industria, la hoja de datos también incluye diagramas de ojo críticos que caracterizan el rendimiento para varias condiciones de funcionamiento (Figura 7).

Figura 7: Los patrones de ojo son coeficientes de calidad estándares que se utilizan para el análisis de los enlaces de comunicación de datos para diferentes niveles de potencia de entrada óptica. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

Para las aplicaciones que necesitan un fototransistor con su ganancia inherente, el dispositivo de silicio NPN Kingbright APTD3216P3C-P22 es una opción posible (Figura 8). Al igual que el fotodiodo anterior, mide 3.2 × 1.6 mm. Como la apertura de la captura de luz es un factor crítico en el rendimiento del dispositivo, más pequeño no es necesariamente mejor en los componentes de captura de fotones.

Figura 8: El fototransistor Kingbright APTD3216P3C-P22 tiene un tamaño de paquete grande en comparación con los transistores convencionales para capturar más luz incidente y proporcionar una sensibilidad mejorada. (Fuente de la imagen: Kingbright)

También se ajusta al espectro de una fuente de LED de emisión de infrarrojos y tiene una sensibilidad angular de aproximadamente ±15° (Figura 9).

Figura 9: Cuando se trata de dispositivos como fototransistores, la sensibilidad frente a la longitud de onda y el ángulo fuera del eje son especificaciones vitales. (Fuente de la imagen: Kingbright)

Ya que también es un transistor, muchas de sus especificaciones de rendimiento son sensibles a la temperatura. Por ejemplo, la corriente residual de 1 nA a 25 °C aumenta a aproximadamente 100 nA a 70 °C (Figura 10). Esta deriva debe ser considerada en el análisis del diseño del producto.

Figura 10: Como transistor, muchas de las especificaciones de Kingbright APTD3216P3C-P22 son una función de la temperatura. Aquí, la corriente residual se muestra aumentando de aproximadamente 1 nA a 100 nA a medida que la temperatura aumenta de 25 °C a 70 °C. (Fuente de la imagen: Kingbright)

Conclusión

Los componentes ópticos, como fotodiodos y fototransistores, se utilizan para la detección de presencia y la instrumentación de alto rendimiento, y son esenciales para los enlaces de datos ópticos. Debido a su naturaleza electroóptica híbrida, por lo general requieren una cuidadosa consideración que abarque los problemas de diseño eléctrico, óptico y mecánico, así como los componentes de la interfaz electrónica especializada para que sean efectivos y alcancen todo su potencial.

Una vez que se comprenden y siguen estas consideraciones de diseño, hay una variedad de dispositivos adecuados que se pueden usar como soluciones para aplicaciones de detección, instrumentación y enlace óptico.