Czujniki światła - technologie i aplikacje

Czujniki światła działają w oparciu o zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne. Polega ono na zwiększeniu przewodnictwa elektrycznego półprzewodnika pod wpływem naświetlenia go promieniowaniem świetlnym. Najpopularniejszymi tego typu czujnikami są: fotorezystory, fotodiody oraz fototranzystory.

Fotorezystory

Fotorezystory to bezzłączowe elementy półprzewodnikowe, których rezystancja zmienia się pod wpływem promieniowania świetlnego - w ciemności jest ona bardzo wysoka, rzędu 1 MΩ, a gdy czujnik zostanie wystawiony na działanie światła, szybko maleje, do wartości rzędu kilku omów, w zależności od natężenia światła. Związek ten wynika z następującego mechanizmu: kiedy fotony uderzają w materiał fotoprzewodzący fotorezystora, następuje uwolnienie elektronów z pasma walencyjnego, co skutkuje dużą liczbą swobodnych elektronów oraz analogiczną liczbą dziur, proporcjonalną do ilości światła padającego na fotodetektor. Im zatem większe jest natężenie światła tym większa jest liczba swobodnych elektronów i dziur. Ich rozdzielenie umożliwia przepływ prądu przez rezystor, a jego natężenie zależy od liczby tych nośników.

Mechanizm ten jest zasadniczo wspólny dla wszystkich typów fotorezystorów - zależność pomiędzy ich rezystancją a natężeniem światła jest nieliniowa i odwrotnie proporcjonalna. Różnice, które występują między dwoma głównymi typami rezystorów fotoprzewodzących, wynikają z rodzaju materiału światłoczułego, który z kolei warunkuje ilość energii, która jest potrzebna do uwolnienia nośników ładunku.

Fotorezystory samoistne

Wyróżnia się dwa rodzaje fotorezystorów: samoistne (intrinsic) oraz domieszkowane (extrinsic). W tych pierwszych element światłoczuły jest wykonany z czystego, czyli niedomieszkowanego materiału półprzewodnikowego (krzem, german). Normalnie nie występują w nim swobodne elektrony, ponieważ nośniki te są, na poziomie molekularnym, związane silnymi wiązaniami kowalencyjnymi. Zatem ze względu na dużą ilość energii, która jest potrzebna do wywołania przejścia elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia, jedynie niewielka liczba takich nośników jest uwalniana, gdy światło pada na fotorezystor. Przez to tego typu rezystory zwykle okazują się niewystarczająco czułe w stosunku do potrzeb większości zastosowań i można ich używać tylko w wąskich zakresach długości fal.

Co zmienia domieszkowanie materiałów na fotorezystory?

Fotorezystory drugiego typu są wykonane z materiałów domieszkowanych. Domieszki to na przykład atomy o wyższej wartościowości (zwykle fosfor), których wprowadzenie powoduje zwiększenie liczby wolnych elektronów, które nie tworzą trwałych wiązań z siecią krystaliczną materiału bazowego (krzemu). Obecność domieszek powoduje powstanie nowego pasma energii powyżej istniejącego pasma walencyjnego. Elektrony, które je wypełniają, potrzebują mniej energii, by przejść do pasma przewodnictwa, dzięki mniejszej przerwie energetycznej dzielącej je od niego. Kiedy zatem pod wpływem światła zostają uwolnione elektrony z pasma walencyjnego i zderzają się z atomami domieszek, dochodzi do lawinowego uwalniania nośników na skalę dużo większą niż w fotorezystorach z materiałów niedomieszkowanych. W efekcie fotodetektory tego rodzaju mają większą czułość i reagują na różne długości fal, w zależności od materiału bazowego oraz wprowadzonych domieszek.

Ograniczenia fotorezystorów

Różne materiały mają różne charakterystyki czułości w zależności od długości fali - gdy wykracza ona poza zakres ich aktywności, promieniowanie takie nie zmienia rezystancji fotodetektora. Fotorezystory na bazie materiałów z domieszkami generalnie reagują na światło o większej długości fali, w tym w zakresie podczerwieni. Tu ważna uwaga, pracując w zakresie IR, nie powinno dopuszczać się do nagromadzania ciepła, które będzie zafałszowywać wyniki pomiarów, wpływając na rezystancję czujnika.

Generalnie fotorezystory charakteryzuje niższa czułość niż fotodiody czy fototranzystory. Wynika to stąd, że te ostatnie to "prawdziwe" przyrządy półprzewodnikowe, w których natężenie światła reguluje przepływ elektronów i dziur przez złącze p-n, podczas gdy fotorezystory są elementami pasywnymi, bez złącza p-n. Przez to nie nadają się do pomiarów wymagających dużej precyzji.

Fotorezystory charakteryzuje też opóźnienie zmiany rezystancji po naświetleniu i zaciemnieniu. Przeważnie reakcja na to pierwsze zajmuje im kilka milisekund, a w drugą stronę około sekundy. Przez to nie sprawdzają się, jeśli wymagana jest szybka reakcja na zmianę natężenia światła, w zamian nadają się do zastosowań, gdzie przejścia z jednego do drugiego stanu powinny być łagodne.

Budowa i parametry fotorezystorów

Popularne materiały fotorezystorów to: siarczek ołowiowy, tellurek ołowiowy, antymonek indowy, german (czysty, domieszkowany) oraz siarczek kadmowy, o charakterystyce czułości zbliżonej do charakterystyki czułości oka ludzkiego. Ponieważ elementy zawierające ołów i kadm są niezgodne z dyrektywą RoHS, fotorezystory je zawierające są zastępowane, głównie fotodiodiami.

Element światłoczuły fotorezystora stanowi cienka warstwa półprzewodnika osadzona na podłożu dielektrycznym. Przeważnie materiał fotoprzewodzący tworzy zygzakowatą linię. Ma to na celu uzyskanie możliwie największej rezystancji w stanie zaciemnienia, a dzięki temu maksymalne zmniejszenie prądu ciemnego fotorezystora. Całość jest zabezpieczona obudową ze szklanym okienkiem, które przepuszcza promieniowanie świetlne.

W kartach katalogowych fotorezystorów można znaleźć charakterystykę rezystancyjno-świetlną, przedstawiającą zależność rezystancji elementu od natężenia światła albo zamiast niej, wartości rezystancji ciemnej i jasnej. Pierwsza jest mierzona przy całkowitym zaciemnieniu powierzchni światłoczułej, a druga przy danej wartości natężenia oświetlenia (typowo wielokrotności 10 lx). Przy obu podaje się warunki, w jakich dokonano pomiaru (czas naświetlania, parametry źródła światła oraz czas, po jakim dokonano pomiaru po wyłączeniu światła). Inne przydatne dane w specyfikacji to: charakterystyka czułości, czas odpowiedzi, moc strat.

Fotodiody

W fotodiodzie ze złączem p-n pod wpływem światła w półprzewodniku następuje wzbudzenie elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Każdy absorbowany foton generuje parę elektron-dziura. Występują one w warstwie p, warstwie n i w warstwie zubożonej. To, co się z nimi dzieje dalej zależy od tego, w której części złącza p-n się znajdują.

W warstwie zubożonej istniejące tam silne pole elektryczne przyspiesza elektrony w kierunku warstwy n, natomiast dziury w kierunku warstwy p. Spośród par elektron-dziura powstałych w warstwie n, elektrony, wraz z elektronami z warstwy p, zostają w warstwie n. Dziury przechodzą przez warstwę n do warstwy zubożonej, są przyspieszane i gromadzą się w warstwie p. W taki sposób pary elektron-dziura, które są generowane proporcjonalnie do natężenia światła, są zbierane w warstwach n i p. Skutkuje to dodatnim ładunkiem w warstwie p oraz ujemnym w warstwie n. Jeżeli złącze jest rozwarte, to na jego końcach powstaje różnica potencjałów. Fotodiody pracują zwykle przy polaryzacji złącza w kierunku zaporowym. Jeżeli obwód zewnętrzny jest zwarty, oświetlenie fotodiody powoduje wzrost natężenia prądu wstecznego, proporcjonalny do natężenia światła padającego na złącze.

Parametry i materiały fotodiod

Ważny parametr fotodiod to czułość, czyli stosunek generowanego fotoprądu do mocy optycznej światła, określany w liniowym obszarze odpowiedzi. Zależy on od sprawności kwantowej oraz długości fali promieniowania. Ważny jest rozmiar obszaru światłoczułego, jak i maksymalny dozwolony fotoprąd ograniczony nasyceniem, napięcie przebicia ustalające granicę napięcia polaryzacji, prąd ciemny w trybie fotoprzewodzenia, warunkujący czułość na słabe światło, szybkość ograniczana parametrami elektrycznymi (pojemnością pasożytniczą) oraz czasem przejścia nośników w warstwie zubożonej.

Typowe materiały fotodiod to: krzem, german, fosforek arsenku indu i galu, arsenek indu i galu. Komponenty na bazie pierwszego charakteryzuje: mały prąd ciemny, szybkie działanie i duża czułość na promieniowanie o długości fali 800-900 nm. Fotodiody z germanu z kolei mają typowo: duży prąd ciemny, dużą czułość na promieniowanie o długości fali 1400-1500 nm. Oprócz tego są wolniejsze z powodu dużej pojemności pasożytniczej. Podzespoły z fosforku arsenku indu i galu wyróżniają się małym prądem ciemnym, dużą szybkością, dobrą czułością na promieniowanie o długości fali 1100-1300 nm, ale są droższe. Fotodiody z arsenku indu i galu również są droższe. Je także charakteryzuje mały prąd ciemny, duża szybkość i dobra czułość na promieniowanie o długości fali 1300-1600 nm.

Różne typy fotodiod

Wyróżnić można kilka typów fotodiod. Najpopularniejsze są fotodiody pin oraz lawinowe. Te drugie pracują w zakresie przebicia lawinowego złącza p-n, pierwsze natomiast wyróżniają się konstrukcją.

W fotodiodach pin między warstwami p i n znajduje się warstwa wewnętrzna niedomieszkowanego półprzewodnika samoistnego. Taka konstrukcja rozwiązuje kilka problemów charakterystycznych dla "zwykłych" fotodiod. Te wynikają stąd, że rozmiary warstwy zubożonej mogą wpływać na obniżenie sprawności kwantowej, a w związku z tym, że nośniki spoza tej warstwy potrzebują trochę czasu, by dyfundować, spowalnia to reakcję fotodetektora. Ograniczenia te nie dotyczą fotodiod pin. W ich przypadku bowiem większość nośników jest generowana w wewnętrznej warstwie półprzewodnika samoistnego, gdyż jest ona znacznie grubsza niż warstwa zubożona struktury pn. Oprócz tego dzięki niej mniejsza jest pasożytnicza pojemność, co wpływa na czas reakcji. Diody pin często wykonuje się z materiałów, w których energia pasma zabronionego jest niższa od energii fotonu tylko w obszarze wewnętrznym, co zapobiega absorpcji promieniowania poza nim. Fotodiody pin są szybkie - ich pasmo przenoszenia sięga 100 GHz. Fotodiody tego typu wykonuje się przeważnie z krzemu (światło widzialne, bliska podczerwień) lub z InGaAs (1,7 μm). Ostatnie są drogie. Tańszą alternatywą są te na bazie germanu, które niestety są wolniejsze i mają większy prąd ciemny.

Fototranzystory

Na koniec krótko przedstawiamy trzeci typ czujników światła. W fototranzystorach złącze baza-kolektor pełni funkcję fotodiody - jego oświetlenie zatem powoduje wzrost prądu bazy, co z kolei skutkuje proporcjonalnym prądem kolektora. Wśród ograniczeń tego typu fotodetektorów można wymienić: wzmacnianie szumów fotoprądu oraz prądu ciemnego. Pojemność pasożytnicza złącza kolektor-baza ma negatywny wpływ na szybkość fotodetektora (standardowo czasy narastania i opadania są rzędu kilku mikrosekund). Fototranzystory ustępują również fotodiodom w zakresie liniowości charakterystyki fotoprądu w funkcji natężenia światła, co jest uwarunkowane tym, że ich wzmocnienie zależy od prądu kolektora. Ponadto ich fotoprąd znaczenie bardziej zależy od temperatury niż w przypadku fotodiod.

Przykład aplikacji - fotodetektory w sterowaniu gestami

 

Rys. 1. Rozpoznawanie gestów w układzie
dioda – fotodioda

Bezdotykowe interfejsy użytkownika to najnowszy trend w elektronice użytkowej. Popularyzują się jako jeden z bardziej intuicyjnych sposobów interakcji użytkowników z urządzeniem. Do tej grupy jest zaliczane sterowanie gestami. Tę metodę kontroli można, wykorzystując układ źródło światła-fotodetektor, zrealizować na kilka sposobów.

Jedną z nich jest technika rozpoznawania gestów w oparciu o pozycję. Algorytm ten ma trzy kroki. W pierwszym etapie na podstawie odczytu z fotodetektora, do którego dociera tym więcej światła odbitego, im bliżej niego jest obiekt, od którego się ono odbija, wyznaczana jest odległość między na przykład ręką a fotodiodą (rys. 1a). Pomiary są wykonywane dla wielu punktów. W kolejnym kroku informacje o odległości, pozyskane w pierwszym etapie przy wykorzystaniu odpowiednich zależności geometrycznych (rys. 1b), pozwalają na oszacowanie pozycji mierzonego obiektu. Na koniec jej zmienność w funkcji czasu jest analizowana i interpretowana. Przykładowo, jeżeli ręka przez dłuższy czas pozostaje nieruchomo centralnie nad obszarem detekcji, gest ten można uznać za znak pauzy.

Zalety automatycznej regulacji podświetlenia

W urządzeniach przenośnych ograniczanie zużycia energii dla wydłużenia czasu pracy na baterii jest jednym z priorytetów projektowych. Skutecznym sposobem na uzyskanie oszczędności jest automatyczne dostosowywanie jasności wyświetlacza do aktualnej ilości światła w otoczeniu. Wynika to stąd, że w urządzeniach tego rodzaju to właśnie ekran LCD, wraz z układem jego podświetlenia, należą do najbardziej energochłonnych komponentów, z typowo ponad 50% udziałem w całkowitym poborze prądu. Dynamiczną kontrolę jasności stosuje się także w podświetlaniu klawiatury, co zwykle zapewnia dodatkową oszczędność, rzędu kilkudziesięciu procent. Dostosowanie jasności ekranu i przycisków do warunków oświetlenia w otoczeniu poprawia również widoczność w tych trudnych (przy silnym nasłonecznieniu, w ciemności). Wpływa to pozytywnie na komfort użytkowania. Automatyczna regulacja podświetlenia dzięki temu staje się standardem w telefonach, aparatach cyfrowych, laptopach, telewizorach i elementach wyposażenia samochodów zintegrowanych z ekranami LCD.

Fotodetektory analogowe i cyfrowe

Układ regulacji podświetlenia składa się obowiązkowo z trzech komponentów: czujnika światła, mikrokontrolera i sterownika układu podświetlenia. Pierwszy dostępny jest w dwóch wersjach: jako scalony układ analogowy albo cyfrowy. Schemat blokowy fotodetektora pierwszego typu jest przedstawiony na rysunku 2. Ma on analogowe wyjście prądowe z sygnałem proporcjonalnym do natężenia światła padającego na element światłoczuły. Główne bloki funkcyjne to: fotodioda i wzmacniacz. Sygnał prądowy przeważnie jest konwertowany na napięciowy, przez dołączenie rezystora. Ten jest dalej doprowadzany na przykład na wejście przetwornika A/C mikrokontrolera. Na rysunku 3 przedstawiono schemat fotodetektora cyfrowego. Główne bloki funkcyjne to: fotodioda, wzmacniacz, zintegrowany przetwornik A/C oraz blok interfejsu I²C.

 

Rys. 2. Fotodetektor analogowy

 

Rys. 3. Fotodetektor cyfrowy

Przykład - fotodetektor MAX44004

 

Rys. 4. Schemat blokowy i aplikacyjny
fotodetektora MAX44004

Na rysunku 4 przedstawiono schemat blokowy, a zarazem aplikacyjny czujnika światła MAX44004. Stanowi on zespół dwóch fotodiod: mierzącej natężenie światła zielonego i drugiej mierzącej podczerwień. Natężenie światła w otoczeniu jest wyznaczane jako różnica sygnałów z tych fotodetektorów, które wcześniej wzmocniono. Fotodiody są podłączone do oddzielnych przetworników A/C. Dzięki temu niezależnie dostępne są wyniki pomiaru z każdego fotoczujnika lub ich różnica. Takie rozwiązanie jest konieczne.

Wynika to stąd, że aby odczyty natężenia światła otoczenia można było wykorzystać w takich aplikacjach, jak automatyczna regulacja podświetlenia ekranów, powinno być mierzone w taki sposób, by czułość fotodetektora jak najpełniej odwzorowywała czułość oka ludzkiego, czyli w praktyce sposób, w jaki ludzki narząd wzroku postrzega światło. Idealnie więc czujnik powinien charakteryzować się jak oko ludzkie największą czułością na światło zielone, tzn. o długości fali około 555 nm, jednocześnie nie reagując na podczerwień, której ludzie nie widzą. Inaczej wyniki pomiarów będą odbierane przez użytkowników jako zafałszowane.

Problem jednak w tym, że fotodiody charakteryzuje zwykle duża czułość w zakresie podczerwieni. Przez to źródła światła, których widmo wyróżnia się silną składową w tym zakresie, jak żarówki i promieniowanie słoneczne, będą się na podstawie odczytów z fotodetektora wydawały jaśniejsze, niż je postrzegają ludzkie oczy. Z kolei lampy ledowe będą odbierane jako ciemniejsze. Dlatego właśnie tego typu czujniki mają dwa kanały pomiarowe, niezależnie dla światła zielonego i podczerwieni. Pozwala to skompensować ograniczenia fotodiod jako detektorów światła widzialnego.

Monika Jaworowska