Senzorii de lumină pe bază de semiconductor, precum și sursele de lumină sunt necesare în optoelectronică. Un senzor de lumină (cunoscut și sub numele de fotodetector sau fotosenzor) este un dispozitiv sensibil la lumină. De obicei, este o parte a unui circuit electric cu condiționarea semnalului asociată (amplificare, filtrare etc.), astfel încât se obține un semnal electric reprezentativ al intensității luminii care cade pe fotosenzor. Unii fotosenzori pot servi și ca surse de energie (celule). Un fotosenzor poate fi o componentă integrată a unui optoizolator sau a unui alt sistem cuplat optic. În special, un cuplor optic comercial are în mod obișnuit o sursă de lumină LED și un fotosenzor în același pachet, cu cabluri pentru conectarea lui la alte circuite, împreună cu cablurile de alimentare.

Prin definiție, scopul unui fotodetector sau al unui fotosenzor este de a detecta lumina vizibilă. Există însă multe aplicații în care ar fi utile detectarea benzilor adiacente din spectrul electromagnetic, respectiv radiațiile infraroșii și radiațiile ultraviolete. De exemplu, întrucât obiectele emit nivele rezonabile de radiații infraroșii chiar și la temperaturi scăzute, detectarea în infraroșu poate fi utilizată în aplicații în care este necesară imaginea unui obiect în întuneric. Aplicațiile includ fotografii în infraroșu, sisteme de securitate și ghidări de rachete. De asemenea, întrucât radiațiile infraroșii sunt în esență energie termică, detectarea în infraroșu poate fi utilizată eficient în sistemele de control termic. Detectarea în ultraviolete nu este la fel de larg aplicată ca și detectarea în infraroșu.

De obicei, un fotosenzor este un element rezistor, diodă sau tranzistor care produce o schimbare (de exemplu, generarea unui potențial sau o variație în rezistență) într-un circuit electric ca răspuns la lumina care cade pe elementul senzor. Puterea semnalului de ieșire poate fi derivată în principal din sursa de alimentare a circuitului electric. În mod alternativ, o fotocelulă poate fi utilizată ca fotosenzor. În acest ultim caz, energia luminii care cade pe celulă este convertită în energia electrică a semnalului de ieșire. De obicei, un fotosenzor este disponibil ca un element cilindric minuscul cu un cap de senzor format dintr-o fereastră circulară (lentilă). Mai multe tipuri de fotosenzori sunt descriși mai jos.

2.9.1 Fotorezistoare

Un fotorezistor (sau fotoconductor) are proprietatea de a-și micșora rezistența electrică (crește conductivitatea) pe măsură ce intensitatea luminii care cade pe el crește. De obicei, rezistența unui fotorezistor poate varia de la valori foarte mari (megohmi) în întuneric la valori rezonabil de scăzute (mai puțin de 100 Ω) în lumină puternică. Ca urmare, este posibilă o sensibilitate foarte mare la lumină. Unele fotocelule pot funcționa ca fotorezistoare deoarece impedanța lor scade (ieșirea crește) pe măsură ce intensitatea luminii crește. Fotocelulele utilizate în acest mod sunt denumite celule fotoconductoare. Simbolul circuitului unui fotorezistor este dat în figura 2.33a. Un fotorezistor poate fi format prin sandwich-ul unui material cristalin fotoconducător, cum ar fi sulfura de cadmiu (CdS) sau seleniura de cadmiu (CdSe) între doi electrozi. Sulfura de plumb (PbS) sau seleniura de plumb (PbSe) pot fi utilizate în fotorezistoarele pentru infraroșu.

2.9.2 Fotodiode

O fotodiodă este o joncțiune-pn din material semiconductor care produce perechi electron-gol ca răspuns la lumină. Simbolul pentru o fotodiodă este prezentat în figura 2.33b. Două tipuri de fotodiode sunt disponibile. O diodă fotovoltaică generează un potențial suficient la joncțiunea sa ca răspuns la lumina (fotoni) care cade pe ea. Prin urmare, nu este necesară o sursă de polarizare externă pentru o diodă fotovoltaică. O diodă fotoconductoare suferă o schimbare de rezistență la joncțiunea sa ca răspuns la fotoni. Acest tip de fotodiodă este acționat în forma de polarizare inversă; terminalul-p al diodei este conectat la conductorul negativ al circuitului și terminalul-n este conectat la conductorul pozitiv al circuitului. Starea de străpungere poate apărea la aproximativ 10 V, iar curentul corespunzător va fi aproape proporțional cu intensitatea luminii care cade pe fotodiodă. Prin urmare, acest curent poate fi utilizat ca măsură a intensității luminii. Sensibilitatea fotodiodei este destul de scăzută, în special datorită funcționării cu polarizare inversă. Deoarece nivelul curentului de ieșire este de obicei scăzut (o fracțiune de miliamper), amplificarea ar putea fi necesară înainte de a o utiliza în aplicația ulterioară (de exemplu, transmiterea semnalului, acționarea, controlul, afișarea). Materialele semiconductoare, cum ar fi siliciu, germaniul, sulfura de cadmiu și seleniura de cadmiu sunt frecvent utilizate în fotodiode. Viteza de răspuns a unei fotodiode este mare. O diodă cu un strat intrinsec (o diodă pin) poate oferi un răspuns mai rapid decât cu o diodă pn obișnuită.

FIGURA 2.33 Simbolurile circuitului unor fotosenzori: (a) Fotorezistor;
(b) fotodiodă; (c) fototranzistor (npn); (d) foto-FET (canal-n); (e) fotocelulă.

2.9.3 Fototranzistor

Orice fotosenzor semiconductor cu circuite de amplificare încorporate în același pachet (cip) este denumit popular fototranzistor. Prin urmare, o fotodiodă cu un amplificator de circuit într-o singură unitate ar putea fi numită fototranzistor. Strict, un fototranzistor este fabricat sub forma unui BJT convențional, cu conexiuni de bază (B), colector (C) și emitor (E).

În figura 2.33c este prezentată o reprezentare simbolică a unui fototranzistor. Acesta este un tranzistor npn. Baza este regiunea centrală (p) a elementului tranzistor. Colectorul și emitorul sunt cele două regiuni (n) ale elementului. În condițiile de funcționare ale fototranzistorului, joncțiunea colector-bază este polarizată invers (adică, un conductor pozitiv al circuitului este conectat la colector și un conductor negativ al circuitului este conectat la baza unui tranzistor npn). Alternativ, un fototranzistor poate fi conectat ca un dispozitiv cu două terminale cu terminalul său bază flotant și terminalul colector polarizat corespunzător (pozitiv pentru un tranzistor npn). Pentru un anumit nivel de tensiune al sursei (de obicei aplicat între terminalul emitor al tranzistorului și sarcină, potențialul negativ fiind la terminalul emitor), curentul de colector (curent prin terminalul colector) ic este aproape proporțional cu intensitatea luminii care cade pe joncțiunea colector-bază a tranzistorului. Prin urmare, ic poate fi utilizat ca o măsură a intensității luminii. Germaniu, sau siliciu, este materialul semiconductor care este utilizat frecvent în fototranzistori.

2.9.4 Fototranzistor cu efect de câmp

Un fototranzistor cu efect de câmp (FET) este similar cu un FET convențional. Simbolul prezentat în figura 2.33d este pentru un foto-FET cu canal-n. Acesta constă dintr-un element semiconductor de tip-n (de exemplu, siliciu dopat cu bor) numit canal. Un element mult mai mic de material tip-p este atașat elementului de tip-n. Conexiunea pe elementul de tip-p formează poarta (G). Drena (D) și sursa (S) sunt cele două conexiuni de pe canal. Funcționarea unui FET depinde de câmpurile electrostatice create de potențialele aplicate pe conexiunile FET-ului.

În condițiile de funcționare ale unui foto-FET, poarta este polarizată invers (adică, se aplică un potențial negativ la poarta unui foto-FET cu canal-n). Când lumina este proiectată pe poartă, curentul de drenă id va crește. Prin urmare, curentul de drenă (curentul la conexiunea D) poate fi utilizat ca măsură a intensității luminii.

2.9.5 Fotocelule

Fotocelulele sunt similare cu fotosenzorii, cu excepția faptului că o fotocelulă este utilizată ca sursă de electricitate și nu ca senzor de radiație. Celulele solare, care sunt mai eficiente în lumina soarelui, sunt disponibile frecvent. O fotocelulă obișnuită este un element de joncțiune semiconductor format dintr-un material precum siliciu monocristal, siliciu policristalin și sulfură de cadmiu. Matricele de celule sunt utilizate în aplicații cu putere moderată. Puterea tipică este de 10 mW/cm2 de arie a suprafeței cu un potențial de aprox. 1,0 V. Simbolul circuitului unei fotocelule este prezentat în figura 2.33e.

2.9.6 Dispozitiv cuplat la sarcină

Un dispozitiv cuplat la sarcină (CCD) este un element de circuit integrat (un dispozitiv monolitic) de material semiconductor. Un CCD obținut din siliciu este reprezentat schematic în figura 2.34. Un substrat de siliciu (tip-p sau tip-n) este oxidat pentru a genera un strat de SiO₂ pe suprafața sa. O matrice de electrozi metalici este depusă pe stratul de oxid și este legată de conexiunile de ieșire ale CCD. Atunci când lumina cade pe elementul CCD (de la un obiect), sunt generate pachete de sarcină în substratul de siliciu. Acum, dacă este aplicat un potențial extern unui anumit electrod al CCD, se formează o groapă de potențial sub electrod și aici se depune un pachet de sarcină. Acest pachet de sarcină poate fi mutat pe CCD la un circuit de ieșire prin alimentarea secvențială a electrozilor folosind impulsuri de tensiune externă. Un astfel de pachet de sarcină corespunde unui pixel (un element pictural) al imaginii obiectului. Ieșirea circuitului este semnalul video al imaginii. Viteza de impulsuri ar putea fi mai mare de 10 MHz. CCD-urile sunt utilizate frecvent în aplicațiile de imagistică, în special în camerele video. Un element CCD tipic cu o suprafață facială de câțiva centimetri pătrați poate detecta 576 × 485 pixeli, dar, pentru aplicații specializate, sunt disponibile elemente mai mari (de exemplu, 4096 × 4096 pixeli). Un dispozitiv de injecție de sarcini (CID) este similar cu un CCD. Dar, într-un CID, există o matrice de perechi de condensatoare semiconductoare. Fiecare pereche de condensatoare poate fi abordată direct prin impulsuri de tensiune. Când un anumit element este abordat, groapa de potențial de acolo se va micșora, injectând astfel purtători minoritari în substrat. Semnalul corespunzător, captat din substrat, formează semnalul video. Nivelul de semnal al unui CID este substanțial mai mic decât cel al unui CCD, ca rezultat al capacității mai mari.

FIGURA 2.34 Un element CCD

2.9.7 Aplicații ale dispozitivelor cuplate optic

O aplicație directă este izolarea circuitelor electrice. Atunci când două circuite sunt conectate direct prin conexiuni electrice solide (cabluri, fire etc.), la interfață se creează o cale cu două sensuri pentru semnalele electrice. Cu alte cuvinte, semnalele din circuitul A vor afecta circuitul B, iar semnalele din circuitul B vor afecta circuitul A. Această interacțiune înseamnă că „zgomotul” dintr-un circuit îl va afecta direct pe celălalt. În plus, vor exista probleme de încărcare; sursa va fi afectată de sarcină. Ambele situații sunt nedorite. Dacă cele două circuite sunt cuplate optic, există o interacțiune unidirecțională între cele două circuite (a se vedea figura 2.35). Variațiile din circuitul de ieșire (circuitul de sarcină) nu vor afecta circuitul de intrare. Prin urmare, circuitul de intrare este izolat de circuitul de ieșire. Cablurile de conectare dintr-un circuit electric pot introduce componente de zgomot cum ar fi interferențe electromagnetice, zgomot de linie și zgomot prin bucla de masă. Probabilitatea ca aceste componente de zgomot să afecteze sistemul general este redusă, de asemenea, cu ajutorul cuplajului optic. În rezumat, izolarea între două circuite și izolarea unui circuit de zgomot se poate realiza prin cuplaj optic. Din aceste motive, cuplajul optic este utilizat pe scară largă în rețelele de comunicații (telefoane, computere etc.) și în circuite pentru condiționarea semnalului de înaltă precizie (de exemplu, pentru senzori și sisteme de control sofisticate).

Mediul prin care trece lumina de la sursa de lumină la fotosenzor poate crea probleme de zgomot. Dacă mediul este deschis (a se vedea figura 2.35), atunci condițiile de iluminare ambientală vor afecta circuitul de ieșire, rezultând o eroare. De asemenea, impuritățile de mediu (praf, murdărie, fum, umezeală etc.) vor afecta lumina primită de fotosenzor. Prin urmare, ar fi de dorit un mediu de transmisie mai controlat. Legarea sursei de lumină și a fotosenzorului folosind fibre optice este o modalitate bună de a reduce problemele datorate condițiilor ambientale din sistemele cuplate optic.

Cuplajul optic poate fi utilizat în circuitele cu releu unde un circuit de putere mică este utilizat pentru a opera un circuit de mare putere. Dacă releul care operează circuitul de mare putere este activat folosind un cuplaj optic, efectele de reacție (zgomot și sarcina) pe circuitul de putere mică pot fi eliminate. Cuplajul optic este utilizat în acest mod în sistemele electronice de putere și de control.

Multe tipuri de senzori și traductoare care se bazează pe metode optice folosesc într-adevăr cuplaj optic. (de exemplu, codificatoare optice, senzori tactili cu fibră optică). Senzorii optici sunt utilizați pe scară largă în industrie pentru numărarea pieselor, detectarea pieselor și detectarea nivelului. În acești senzori, un fascicul de lumină este proiectat de la o sursă la un fotodetector, ambele unități fiind staționate. O întrerupere a fasciculului prin trecerea unei piese va genera un impuls la detector, iar acest impuls este citit de un contor sau un detector de piese. În plus, în cazul în care raza de lumină este amplasată orizontal la o înălțime necesară, întreruperea sa atunci când materialul umplut într-un recipient atinge acest nivel poate fi utilizată pentru controlul umplerii în industria de ambalat. Rețineți că sursa de lumină și senzorul pot fi amplasate într-un singur pachet dacă o oglindă este utilizată pentru a reflecta lumina de la sursă înapoi la detector. Alte aplicații includ sisteme de unități de disc pentru computer, de exemplu, pentru a detecta șanțul de protecție la scriere, precum și poziția capului de înregistrare.

FIGURA 2.35 Un dispozitiv cuplat optic

2.10 Probleme