Effekthantering är viktigt i mobiltelefonkonstruktion. Stora färgskärmar och belysta knappsatser bidrar till att det aldrig förr har krävts så mycket av så små bärbara apparater.

Pasi Kuusrainen är teknisk försäljningsingenjör på TDK Electronics Europe. Han är baserad i Sverige och ansvarig för konstruktionsstöd och komponentsupport för TDKs kunder.

André Carranque är teknisk marknadschef på samma företag. Han är baserad i Frankrike där han har liknande ansvarsområden.

Funktionerna maximerar förvisso användbarheten, men de äventyrar många års framsteg inom konstruktion för effekthantering. Moderna användare vill inte ge avkall på de 70 timmars standby och 180 minuters taltid som de har vant sig vid med dagens NiCd- och Li-jon-batterier på över 600 mAh. Eftersom inga väsentliga framsteg väntas inom batteriteknologin under den närmaste tiden är den praktiska lösningen att inrikta sig på effektbesparing.

En allt vanligare generell metod är att använda fototransistorer eller fotodioder för att mäta den omgivande belysningen, och sedan anpassa ljusstyrkan i skärm och knappsats därefter.
Dessa fotosensorer tenderar dock att ha en ickelinjär optisk känslighetskurva med extra hög känslighet för infrarött, vilket gör att de kräver någon form av extra optisk filtrering. Den filtrerande linsen har också en tendens att sprida – det vill säga försvaga – det mottagna ljuset inom det önskade optiska området, vilket reducerar kristallens utsignal och känslighet. En filtrerande lins gör också konstruktionen större och dyrare, och dess prestandastabilitet kan i avsevärd grad påverkas av variationer i arbetstemperaturen. Allt detta bidrar till att minska mängden sparad effekt.

Problemen beror inte på dålig konstruktion, utan på fysiska begränsningar hos de halvledare av kristallint kisel som används. För att förebygga sådana problem har TDK utvecklat en ny typ av fotosensor baserad på ett tunnfilmshalvledarmaterial kallat amorft kisel (a-Si). Genom att utnyttja egenskaperna i detta material har företaget utvecklat en förbättrad, fotosensorbaserad mobiltelefonkrets som nära efterliknar ögats naturliga känslighet för ljus. Eftersom kretsarna blir naturligt okänsliga för infrarött elimineras behovet av extern filtrering. Detta kan totalt reducera effektförbrukningen med uppemot 50 procent.

Infraröd strålning (IR) har länge ställt till med problem i applikationer med synligt ljus eftersom det är osynligt för blotta ögat men ändå ligger mycket nära det synliga området av det elektromagnetiska spektrumet. Konventionella fotosensorer med fototransistorer och fotodioder baserade på kristallint kisel har typiskt en känslighet (absorption av fotoner) som sträcker sig från 350 upp till 1 100 nm våglängd. Därmed täcker de in hela det synliga området 400 till 750 nm, och fortsätter långt in i det infraröda området ovanför 750 nm.

Den fysiska förklaringen till detta är att bandgapsenergin Eg, alltså den mängd energi som krävs för att
frigöra en elektron i yttersta skalet till ett fritt, ledande tillstånd, hos kristallint kisel
(c-Si) är 1,14 elektronvolt (eV) vid rumstemperatur. Ljus som har lägre energi kommer inte att absorberas.

Ur denna energi kan vi beräkna den maximala våglängd hos det ljus som kommer att absorberas, dels
med hjälp av Plancks ekvation: E_g = νh (där h = Plancks konstant, 6,63 x 10^–34 Js och ν = ljusets frekvens för bandgapsenergin E_g), och dels det omvända förhållandet mellan frekvens och våglängd: ν = c/L (där c är ljushastigheten 3,00 x 108 ms^–1 och L den motsvarande våglängden). Genom att kombinera dessa båda ekvationer får vi fram L = ch/E_g, som med E_g = 1,14 eV ger ett maximum på omkring 1 100 nm.

Detta IR-problem kan bara lösas genom någon form av filtrering ovanför sensorn. För att eliminera filterbehovet skulle man behöva en fotosensor som i sig har en linjär återgivning av de synliga våglängderna i spektralbandet 350 till 750 nm under alla belysningsförhållanden.
Lösningen ligger i befintlig halvledarteknologi med amorft kisel. Materialet har använts i över ett decennium, men har hittills inte med framgång använts för att tillverka en fotosensor för applikationer i bärbara apparater.

Amorft kisel (a-Si) är i själva verket en vätska med ytterst hög viskositet, som har ”frusits” ner till ett speciellt tillstånd som för de flesta praktiska behov kan betraktas som fast. I kristallint kisel
(c-Si) är kiselatomerna tetraedriskt bundna till fyra närliggande kiselatomer och bildar ett kontinuerligt och kovalent kristallint gitter. I amorft kisel bildas också tetraedriska bindningar, men på ett mindre enhetligt vis. Här uppvisar en avsevärd andel av atomerna fria, oanslutna bindningar.

De oanslutna bindningarna skapar visserligen oacceptabla defekter i bandgapet. Men detta kan passiveras genom att man inför väte i kislet under deponeringsprocessen, och mättar de oanslutna och veka bindningarna. På så sätt får man ett hydrogeniserat, amorft kisel (a-Si:H) med ett defektfritt bandgap på omkring 1,75 eV, vilket skall jämföras med det typiska värdet 1,1 eV för kristallint kisel.

Med ett E_g på 1,75 eV vid rumstemperatur kommer det amorfa kislet att absorbera fotoner med en energi som överstiger detta värde. Ur den ovan beskrivna ekvationen L = ch/E_g får vi fram en maximal våglängd på bara 710 nm, vilket ligger klart inom området för synligt ljus.

Denna skillnad har stor betydelse. Den kan utnyttjas för att framställa en fotosensor baserad på en fotodiod i a-Si som har en absorbtionstopp vid 580 nm. En sådan är naturligt okänslig för IR och härmar noggrant det mänskliga ögats optiska känslighet för omgivningsljus. Bandgapet på 1,1 eV hos c-Si motsvarar en optisk absorbtionstopp kring 800 nm. Detta ligger långt in i spektrums IR-område, och ger därför mindre känslighet för variationer inom det synliga området.

Det är omöjligt att noggrant kvantifiera hur stor den typiska effektbesparingen blir med en a-Si-sensor i en viss applikation utan att först göra en detaljerad analys av hur den underliggande effektmatningen är konstruerad. Men det går att ge ett illustrativt värde under specifika simuleringsvillkor, där man jämför effektförbrukningen hos en telefon utrustad med en a-Si-fotosensor som justerar sig kontinuerligt och en telefon som arbetar med den traditionella till/från-principen.

De tekniska förutsättningarna (från en undersökning utförd av och publicerad i tidningen japanska Nikkei Electronics, nummer 2004.10.11) är att man ur ett fulladdat 2 000 mAh batteri drar ström med en 75 mW LCD-drivkrets, en 324 mW LCD-bakgrundsbelysning med full ljusstyrka och en 216 mW knappsatsbelysning. Det förutsätts också att resten av effekthanteringen har trimmats och optimerats för att ge bästa möjliga prestanda.

Enligt denna undersökning kommer ett system med en omgivningssensor att öka drifttiden med minst 50 procent jämfört med en till/från-lösning, och med över 400 procent om man jämför bästa fallet med sämsta fallet. Man ser att den traditionella till/från-metoden ger en drifttid på omkring 3,3 timmar. Men om man använder TDK:s omgivningssensor och intelligent styrning kan man spara effekt och öka drifttiden till upp mot 18 timmar.

Även om undersökningen ovan bara var inriktad på intensiteten hos displayens och knappsatsens bakgrundsbelysning, visar den att det går att uppnå avsevärda effektbesparingar genom att använda en omgivningskänslig fotosensor. Traditionell c-Si klarar jobbet, men ger inte lika noggranna resultat och kräver dessutom extra kostnad för ett IR-filter. Med a-Si uppnås mycket större noggrannhet och därmed större möjligheter till effektbesparingar för alla typer av bärbara displayer.