Фотодиод

редактировать
Преобразует свет в текущий
Фотодиод
Fotodio.jpg Один Ge (вверху) и три Si (внизу) фотодиода
ТипПассивный
Принцип работыПреобразует свет в ток
Конфигурация контактованод и катод
Электронный символ
Photodiode symbol.svg

A фотодиод - это полупроводниковое устройство, которое преобразует свет в электрический ток. Ток возникает, когда фотоны поглощаются фотодиодом. Фотодиоды могут содержать оптические фильтры, встроенные линзы и могут иметь большую или маленькую площадь поверхности. Фотодиоды обычно имеют более медленное время отклика из-за увеличения площади их поверхности. Обычный традиционный солнечный элемент, используемый для выработки электрической солнечной энергии, представляет собой фотодиод большой площади.

Фотодиоды похожи на обычные полупроводниковые диоды, за исключением того, что они могут подвергаться воздействию (для обнаружения вакуумного УФ или рентгеновского излучения ) или в комплекте с окном или оптоволоконным соединением, чтобы свет достигал чувствительной части устройства. Многие диоды, специально предназначенные для использования в качестве фотодиода, используют контактный переход, а не p – n переход, чтобы увеличить скорость отклика. Фотодиод предназначен для работы в обратном смещении.

Содержание

  • 1 Принцип работы
    • 1.1 Фотоэлектрический режим
    • 1.2 Фотопроводящий режим
  • 2 Сопутствующие устройства
  • 3 Материалы
  • 4 Нежелательные и желаемые эффекты фотодиода
  • 5 Характеристики
  • 6 Применения
    • 6.1 Сравнение с фотоумножителями
    • 6.2 Прикрепленный фотодиод
  • 7 Матрица фотодиодов
    • 7.1 Пассивный датчик пикселей
  • 8 См. Также
  • 9 Ссылки
  • 10 Внешние ссылки

Принцип работы

Фотодиод представляет собой PIN-структуру или p – n-переход. Когда фотон с достаточной энергией ударяется о диод, он создает пару электрон - дырка. Этот механизм также известен как внутренний фотоэлектрический эффект. Если поглощение происходит в области обеднения перехода или на расстоянии одной диффузионной длины от него, эти носители уносятся из перехода встроенным электрическим полем области обеднения. Таким образом, дырки перемещаются к аноду , а электроны к катоду, и создается фототок. Полный ток через фотодиод представляет собой сумму темнового тока (тока, который генерируется в отсутствие света) и фототока, поэтому темновой ток необходимо минимизировать, чтобы максимизировать чувствительность устройства.

Чтобы первого порядка, для данного спектрального распределения, фототок линейно пропорционален энергетической освещенности.

Фотовольтаической моде

ВАХ фотодиода. Линейные линии нагрузки представляют реакцию внешней цепи: I = (приложенное напряжение смещения - напряжение диода) / полное сопротивление. Точки пересечения с кривыми представляют собой фактические ток и напряжение для данного смещения, сопротивления и освещенности.

В фотоэлектрическом режиме (нулевое смещение ) фототок выходит из анода через короткое замыкание на катод. Если цепь разомкнута или имеет сопротивление нагрузки, ограничивающее фототок, выходящий из устройства, напряжение нарастает в направлении, которое смещает диод в прямом направлении, то есть положительный анод относительно катода. Если цепь закорочена или сопротивление низкое, прямой ток потребляет весь или часть фототока. В этом режиме используется фотоэлектрический эффект, который лежит в основе солнечных элементов - традиционный солнечный элемент представляет собой просто фотодиод большой площади. Для оптимальной выходной мощности фотоэлектрический элемент будет работать при напряжении, которое вызывает лишь небольшой прямой ток по сравнению с фототоком.

Режим фотопроводимости

В режиме фотопроводимости диод обратный смещенный, то есть катод, управляемый положительно по отношению к аноду. Это уменьшает время отклика, потому что дополнительное обратное смещение увеличивает ширину обедненного слоя, что уменьшает емкость перехода и увеличивает область с электрическим полем, которое заставляет электроны быстро собираться. Обратное смещение также создает темновой ток без значительного изменения фототока.

Хотя этот режим быстрее, в фотопроводящем режиме может быть больше электронного шума из-за темнового тока или лавинных эффектов. Ток утечки хорошего PIN-диода настолько мал (<1 nA) that the шум Джонсона – Найквиста сопротивления нагрузки в типичной цепи часто преобладает.

Сопутствующие устройства

Лавинные фотодиоды - это фотодиоды со структурой, оптимизированной для работы с высоким обратным смещением, приближающимся к напряжению обратного пробоя. Это позволяет умножать каждую фотогенерированную несущую на лавинный пробой, что приводит к внутреннему усилению внутри фотодиода, которое увеличивается эффективная чувствительность устройства.

Электронный символ для фототранзистора

A фототранзистор - это светочувствительный транзистор. Обычный тип фототранзистора, биполярный фототранзистор, по сути, представляет собой биполярный транзистор заключенный в прозрачный корпус, так что свет может достигать соединения база-коллектор . Он был изобретен доктором Джоном Н. Шайвом (более известным благодаря волновая машина ) в Bell Labs в 1948 году, но об этом не было объявлено до 1950 года. Электроны которые генерируются фотонами в переходе база-коллектор, вводятся в базу, и этот ток фотодиода усиливается коэффициентом усиления по току транзистора β (или h fe). Если используются выводы базы и коллектора, а эмиттер остается неподключенным, фототранзистор становится фотодиодом. Хотя фототранзисторы имеют более высокую чувствительность к свету, они не могут обнаруживать низкие уровни света лучше, чем фотодиоды. Фототранзисторы также имеют значительно большее время отклика. Другой тип фототранзистора, фототранзистор с полевым эффектом (также известный как photoFET), представляет собой светочувствительный полевой транзистор. В отличие от фотобиполярных транзисторов, фотоэлектрические транзисторы управляют током сток-исток, создавая напряжение затвора.

A соляристор - двухконтактный фототранзистор без затвора. Компактный класс двухполюсных фототранзисторов или соляристоров был продемонстрирован в 2018 году исследователями ICN2. Новая концепция представляет собой источник питания «два в одном» и транзистор, работающий от солнечной энергии за счет использования мемрезистивного эффекта в потоке фотогенерируемых носителей.

Материалы

Материал, используемый для изготовления Фотодиод имеет решающее значение для определения его свойств, потому что только фотоны с достаточной энергией для возбуждения электронов через запрещенную зону материала будут производить значительные фототоки.

Материалы, обычно используемые для производства фотодиодов, перечислены в таблице ниже.

МатериалЭлектромагнитный спектр. длина волны диапазон (нм)
Кремний 190–1100
Германий 400–1700
Индия, арсенид галлия 800–2600
Сульфид свинца (II) <1000–3500
Теллурид кадмия ртути 400–14000

Из-за большей ширины запрещенной зоны, Фотодиоды на основе кремния создают меньше шума, чем фотодиоды на основе германия.

Бинарные материалы, такие как MoS 2 и графен, появились как новые материалы для производства фотодиодов.

Нежелательные и востребованные эффекты фотодиодов

Любые p– n-переход, если он освещен, потенциально является фотодиодом. Полупроводниковые устройства, такие как диоды, транзисторы и ИС, содержат p – n-переходы и не будут правильно работать, если они будут освещены нежелательным электромагнитным излучением (светом) с длиной волны, подходящей для создания фототока. Этого можно избежать, заключив устройства в непрозрачные корпуса. Если эти корпуса не полностью непрозрачны для высокоэнергетического излучения (ультрафиолета, рентгеновских лучей, гамма-лучей), диоды, транзисторы и ИС могут выйти из строя из-за индуцированных фототоков. Фоновое излучение от упаковки также является значительным. Радиационное упрочнение смягчает эти эффекты.

В некоторых случаях эффект действительно нужен, например, для использования светодиодов в качестве светочувствительных устройств (см. светодиод в качестве светового датчика ) или даже для сбор энергии, иногда называемый светоизлучающими и светопоглощающими диодами (LEAD).

Характеристики

Отклик кремниевого фотодиода в зависимости от длины волны падающего света

Критические рабочие параметры фотодиода включают спектральную чувствительность, темновой ток, время отклика и мощность, эквивалентную шуму.

Спектральная чувствительность
Спектральная чувствительность - это отношение генерируемого фототока к мощности падающего света, выраженное в A /W при использовании в фотопроводящем режиме. Зависимость от длины волны также может быть выражена как квантовая эффективность или отношение количества фотогенерированных носителей к падающим фотонам, что является безразмерной величиной.
Темновой ток
Темновой ток - это ток через фотодиод в отсутствие света, когда он работает в фотопроводящем режиме. Темновой ток включает фототок, создаваемый фоновым излучением, и ток насыщения полупроводникового перехода. Темновой ток должен учитываться с помощью калибровки, если фотодиод используется для точного измерения оптической мощности, и он также является источником шума, когда фотодиод используется в оптической связи.
Время отклика
Время отклика - это время, необходимое детектору для ответа на оптический вход. Фотон, поглощенный полупроводниковым материалом, будет генерировать пару электрон-дырка, которая, в свою очередь, начнет перемещаться в материале под действием электрического поля и, таким образом, будет генерировать ток . Конечная продолжительность этого тока известна как разброс времени прохождения и может быть оценена с помощью теоремы Рамо. С помощью этой теоремы также можно показать, что общий заряд, генерируемый во внешней цепи, равен e, а не 2e, как можно было бы ожидать по присутствию двух носителей. В самом деле, интеграл тока, обусловленного как электроном, так и дыркой, с течением времени должен быть равен e. Сопротивление и емкость фотодиода и внешней схемы вызывают другое время отклика, известное как постоянная времени RC (τ = RC {\ displaystyle \ tau = RC}\tau=RC). Эта комбинация R и C интегрирует фотоотклик с течением времени и, таким образом, удлиняет импульсный отклик фотодиода. При использовании в системе оптической связи время отклика определяет полосу пропускания, доступную для модуляции сигнала и, следовательно, передачи данных.
Шумовая эквивалентная мощность
Шумовая эквивалентная мощность (NEP) - это минимальная входная оптическая мощность для генерации фототока, равен среднеквадратичному шумовому току в полосе пропускания 1 герц. NEP - это, по сути, минимальная обнаруживаемая мощность. Соответствующая характеристика обнаружения (D {\ displaystyle D}D) является обратной величиной NEP (1 / NEP) и специфической обнаруживающей способностью (D ⋆ {\ displaystyle D ^ {\ star}}D ^ \ star ) - это обнаруживающая способность, умноженная на квадратный корень из площади (A {\ displaystyle A}A ) фотодетектора (D ⋆ = DA {\ displaystyle D ^ {\ star} = D {\ sqrt {A}}}D ^ \ star = D \ sqrt {A} ) для полосы пропускания 1 Гц. Удельная обнаруживающая способность позволяет сравнивать разные системы независимо от области датчика и полосы пропускания системы; более высокое значение обнаруживаемости указывает на устройство или систему с низким уровнем шума. Хотя традиционно во многих каталогах (D ⋆ {\ displaystyle D ^ {\ star}}D ^ \ star ) в качестве меры качества диода, на практике это вряд ли когда-либо является ключевым параметром..

Когда фотодиод используется в системе оптической связи, все эти параметры вносят вклад в чувствительность оптического приемника, которая является минимальной входной мощностью, необходимой приемнику для достижения заданного значения бита. частота ошибок.

Приложения

Фотодиоды P – n используются в приложениях, аналогичных другим фотодетекторам, таким как фотопроводники, устройства с зарядовой связью (ПЗС и трубки фотоумножителя. Их можно использовать для генерации выходного сигнала, зависящего от освещения (аналоговый для измерения), или для изменения состояния схемы (цифровой, либо для управления и переключения, либо для цифровой обработки сигналов).

Фотодиоды используются в устройствах бытовой электроники, таких как проигрыватели компакт-дисков,, дым детекторы, медицинские устройства и приемники для инфракрасных устройств дистанционного управления, используемых для управления оборудованием от телевизоров до кондиционеров. Для многих приложений могут использоваться фотодиоды или фотопроводники. Фотодатчики любого типа могут использоваться для измерения освещенности, как в камерах люксметров, или для реагирования на уровни освещенности, как при включении уличного освещения после наступления темноты.

Фотодатчики всех типов могут использоваться для реагирования на падающий свет или на источник света, который является частью той же цепи или системы. Фотодиод часто объединяется в один компонент с излучателем света, обычно светоизлучающим диодом (LED), либо для обнаружения механического препятствия на пути луча (щелевой оптический переключатель ) или соединить две цифровые или аналоговые цепи, сохраняя при этом чрезвычайно высокую электрическую изоляцию между ними, часто в целях безопасности (оптопара ). Комбинация светодиода и фотодиода также используется во многих системах датчиков для определения характеристик различных типов продуктов на основе их оптического поглощения.

Фотодиоды часто используются для точного измерения интенсивности света в науке и промышленности.. Как правило, они имеют более линейный отклик, чем фотопроводники.

Они также широко используются в различных медицинских приложениях, таких как детекторы для компьютерной томографии (в сочетании со сцинтилляторами ), инструменты для анализа образцов (иммуноанализ ), и пульсоксиметры.

PIN-диоды намного быстрее и более чувствительны, чем диоды с p – n переходом, и поэтому часто используются для оптической связи и в регулировании освещения.

Фотодиоды P – n не используются для измерения очень низкой интенсивности света. Вместо этого, если требуется высокая чувствительность, лавинные фотодиоды, устройства с усиленной зарядовой связью или фотоумножители используются для таких приложений, как астрономия, спектроскопия, оборудование ночного видения и лазерный дальномер.

Сравнение с фотоумножителями

Преимущества по сравнению с фотоумножителями :

  1. Отличная линейность выходного сигнала ток как функция падающего света
  2. Спектральный отклик от 190 нм до 1100 нм (кремний ), более длинные длины волн с другими полупроводниковыми материалами
  3. Низкая шум
  4. Устойчив к механическим воздействиям
  5. Низкая стоимость
  6. Компактный и легкий
  7. Длительный срок службы
  8. Высокая квантовая эффективность, обычно 60–80%
  9. Не требуется высокое напряжение

Недостатки по сравнению с фотоумножителями :

  1. Малая площадь
  2. Нет внутреннего усиления (кроме лавинных фотодиодов, но их усиление обычно составляет 10–10 по сравнению с 10–10 для p hotomultiplier)
  3. Намного более низкая общая чувствительность
  4. Подсчет фотонов возможен только с помощью специально разработанных, обычно охлаждаемых фотодиодов, со специальными электронными схемами
  5. Время отклика для многих конструкций меньше
  6. Скрытый эффект

Прикрепленный фотодиод

Прикрепленный фотодиод (PPD) имеет в нем области p + / n / p. PPD имеет неглубокий имплантат P + в диффузионном слое N-типа поверх эпитаксиального слоя подложки P-типа. Его не следует путать с фотодиодом PIN. PPD используется в CMOS датчиках с активными пикселями.

Устройство с зарядовой связью на ранних этапах датчики изображения страдали от задержки затвора. Это было в значительной степени решено с изобретением закрепленного фотодиода (PPD). Он был изобретен Нобуказу Тераниши, Хиромицу Шираки и Ясуо Исихара в NEC в 1980 году. Они осознали, что задержку можно устранить, если переносить несущие сигнала с фотодиода на ПЗС. Это привело к их изобретению закрепленного фотодиода, структуры фотодетектора с низкой задержкой, низким шумом, высокой квантовой эффективностью и низким темновым током. Впервые об этом публично сообщили Тераниши и Исихара вместе с А. Кохоно, Э. Одой и К. Араи в 1982 году с добавлением структуры, препятствующей появлению цветения. Новая структура фотодетектора, изобретенная в NEC, получила название «прикрепленный фотодиод» (PPD) от B.C. Burkey в Kodak в 1984 году. В 1987 году PPD начали встраиваться в большинство датчиков CCD, став неотъемлемой частью бытовой электроники видеокамер, а затем цифровых фотоаппаратов.

В 1994 году Эрик Фоссум, работая в Лаборатории реактивного движения (JPL) НАСА, предложил усовершенствовать датчик CMOS <133.>: интеграция закрепленного фотодиода. Датчик CMOS с технологией PPD был впервые изготовлен в 1995 году совместной командой JPL и Kodak, в которую входили Fossum вместе с P.P.K. Ли, Р. Ну и дела, Р. Гуидаш и Т. Ли. С тех пор PPD использовался почти во всех датчиках CMOS. CMOS-датчик с технологией PPD был усовершенствован и усовершенствован R.M. Гуидаш в 1997 г., К. Йонемото и Х. Суми в 2000 г. и И. Иноуэ в 2003 г. Это привело к тому, что КМОП-датчики достигли качества изображения на уровне ПЗС-датчиков, а позже превзошли ПЗС-датчики.

Фотодиодная матрица

Чип матрицы фотодиодов 2 x 2 см с более чем 200 диодами

Одномерный массив из сотен или тысяч фотодиодов может использоваться в качестве датчика положения , например, как часть угла

В последние годы одним из преимуществ современных матриц фотодиодов (КПК) является то, что они могут обеспечивать высокоскоростное параллельное считывание, поскольку управляющая электроника не может быть встроена как устройство с зарядовой связью (CCD) или CMOS-датчик.

Пассивный пиксельный датчик

Пассивный пиксельный датчик (PPS) - это тип матрицы фотодиодов. Он был предшественником сенсора с активными пикселями (APS). Пассивный пиксельный датчик состоит из пассивных пикселей, которые считываются без усиления, причем каждый пиксель состоит из фотодиода и переключателя MOSFET. В матрице фотодиодов пиксели содержат p-n переход, интегрированный конденсатор и полевые МОП-транзисторы в качестве выборочных транзисторов. Матрица фотодиодов была предложена Г. Веклером в 1968 г., предшествовавшей ПЗС-матрице. Это было основой для PPS.

Ранние фотодиодные матрицы были сложными и непрактичными, требуя изготовления селективных транзисторов в каждом пикселе вместе со схемами на кристалле мультиплексора. Шум матриц фотодиодов также был ограничением производительности, поскольку емкость шины считывания фотодиодов приводила к увеличению уровня шума. Коррелированная двойная выборка (CDS) также не может использоваться с матрицей фотодиодов без внешней памяти. В 1970-е годы было невозможно изготовить датчики с активными пикселями с практическим размером пикселя из-за ограниченной технологии микролитографии.

См. Также

Ссылки

Эта статья включает материалы, являющиеся общественным достоянием из документа Управления общих служб : «Федеральный стандарт 1037C».

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы к Фотодиоды.
Последняя правка сделана 2021-06-02 04:11:59
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте