Фотодиод это. Фотодиоды: принцип работы, типы и применение

Полярная емкость означает конденсатор пластины представляют собой электроды, имеющие положительную и отрицательную полярность. В фотодетекторе PIN слои P и N действуют как электроды, а ширина обедненного слоя огромна; значение емкости низкое. Из-за низкой емкости скорость улучшается.

У него высокая чувствительность, низкий уровень шума, широкая полоса пропускания, низкая стоимость внедрения. подробное объяснение находится в верхнем разделе.

I в PIN-коде фотодиод означает внутренний слой.

Увеличенный внутренний слой делает PIN-фотодиоды способными пропускать больший ток, а также улучшает частотную характеристику. Подробное объяснение находится в верхнем разделе.

Он очень светочувствителен и может работать только при обратном смещении.

Фотодиод — это полупроводник, преобразующий световую энергию в электрическую.

Это датчик, используемый в фотодетекции, спектрофотометрии и т. Д.

ПИН-фотодиод — наиболее часто используемый фотодиод.

Для получения дополнительной статьи нажмите здесь.

Фотодиоды

Google Ads

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Описать Различные методы работы фотодиодов:
• • Фотоэлектрические.
• • Фотопроводящий.
• Опишите базовую конструкцию фотодиодов.
• Описать работу различных типов фотодиодов:
• • Фоторезисторы.
• • Фотодиоды PIN.
• • Лавинные фотодиоды.
• Опишите типичные ограничения в работе фотодиода.
• • Темновой ток.
• • Шум.
• Опишите причину выбора распространенных материалов, используемых в конструкции фотодиода.
• • Кремний.
• • Германий.
• • Арсенид галлия.
• • Индий-галлий-арсенид.

Рис. 2.7.1 Фотоэлектрические диоды

Основы фотодиодов

Фотодиоды в основном выполняют эффект, противоположный светодиодам и лазерным диодам. Вместо того, чтобы использовать электрический ток для объединения электронов и дырок для создания фотонов, фотодиоды поглощают световую энергию (фотоны) для создания электронно-дырочных пар, тем самым создавая поток электрического тока.

Рис. 2.7.2 Типовые фотопроводящие диоды

Семейства фотодиодов

Двумя основными методами получения электроэнергии из света с использованием фотодиодов являются фотоэлектрические и фотопроводящие. В обоих методах используются светочувствительные полупроводниковые диоды, главное отличие состоит в том, что фотоэлектрические устройства, в основном используемые в солнечных панелях (рис. 2.7.1), не используют напряжение смещения, подаваемое на диод, а в фотопроводящем режиме (рис. 2.7.2) на фотодиоды подается обратное напряжение смещения от какого-либо внешнего источника.

Применение фотодиодов

Фотопроводящие диоды используются в электронных системах, таких как волоконно-оптическая связь (этот текст был доставлен вам с использованием фотодиодов). В камерах используются фотодиоды для измерения освещенности, а также для управления затвором, фокусировкой и вспышкой. Медицинское использование включает обнаружение рентгеновских лучей и измерение пульса. Фотопроводящие диоды являются предпочтительным датчиком для многих промышленных систем, где необходимо измерять свет, от сканеров штрих-кода и датчиков положения до детекторов дыма и геодезических приборов. В приложениях, связанных с высокочастотными изменениями уровня освещенности, таких как волоконно-оптическая связь, важно поддерживать емкость перехода диода на минимальном уровне, поскольку довольно малая емкость уберет более высокие частоты и серьезно снизит эффективность фотодиодного приемника. Поэтому фотопроводящие диоды изготавливаются небольших физических размеров, которые генерируют очень небольшое количество электрического тока. Фотоэлектрические диоды, напротив, производятся в виде солнечных панелей очень больших размеров, чтобы максимизировать эффективность сбора света. Солнечные панели обязательно имеют гораздо большую емкость перехода, чем фотопроводящие устройства, но их эффективность не снижается, поскольку они предназначены для производства (намного большего) электрического тока при постоянном токе (0 Гц).

Рис. 2.7.3 Базовая конструкция фотодиода

Конструкция фотодиода

Типичная конструкция фотодиода показана на рис. 2.7.3. В этом примере используется метод построения, называемый ионной имплантацией, при котором поверхность слоя N-типа бомбардируется ионами кремния P-типа для получения слоя P-типа толщиной около 1 мкм (микрометр). Во время формирования диода электроны из слоя N-типа притягиваются к материалу P-типа, а дырки из слоя P притягиваются к слою N-типа, что приводит к удалению свободных носителей заряда вблизи PN-перехода, создавая таким образом слой истощения (показан белым цветом на рис. 2.7.3).

Верх диода (обращенный к свету) защищен слоем диоксида кремния (SO ₂ ), в котором есть окно, через которое свет попадает на полупроводник. Это окно покрыто тонким антибликовым слоем нитрида кремния (SiN), чтобы обеспечить максимальное поглощение света, а анодное соединение из алюминия (Al) предусмотрено для слоя P-типа. Под слоем N-типа находится более сильно легированный слой N+, обеспечивающий низкоомное соединение с катодом.

Работа фотодиода

Рис. 2.7.4 Фотоны создают пары электрон/дырка

Рис. 2.7.5 Дырки и электроны притягиваются

Рис. 2.7.6 Дырки и электроны образуют

Для работающего диода в фотопроводящем режиме обычно используется обратное смещение путем подачи постоянного напряжения, чтобы катод был более положительным, чем анод. Это приводит к расширению обедненного слоя, как показано на рис. 2.7.4 и 2.7.5.

Поскольку слои P и N с обедненным слоем между ними эффективно образуют конденсатор, расширение обедненного слоя уменьшает емкость PN-перехода и увеличивает максимальную частоту, на которой может работать диод; желательное свойство, особенно в фотодиодах, которые работают как приемники цифровой информации.

Когда поверхность фотодиода освещена, как показано на рис. 2.7.4, фотоны поглощаются внутри диода и, в основном в слое обеднения, возбуждают отрицательные электроны в валентном слое атомов, чтобы перейти на более высокий энергетический уровень. в зоне проводимости атома.

Рис. 2.7.7 Диаграмма энергетических зон

Это оставляет положительно заряженные дырки в валентной зоне, создавая таким образом «пары электрон/дырка» в обедненном слое. Некоторые электронно-дырочные пары также образуются в слоях P и N, но, кроме тех, которые образуются в слоях N диффузионной области, большая часть будет повторно поглощаться в материалах P и N в виде тепла. Затем электроны в обедненном слое устремляются к положительному потенциалу на катоде, а дырки — к отрицательному потенциалу на аноде, создавая таким образом фототок, как показано на рис. 2.7.6.

Хотя на фиг. 2.7.4–2.7.6 показывают различные этапы преобразования световой энергии в электрический ток, следует понимать, что все эти этапы происходят одновременно и как непрерывный процесс до тех пор, пока освещается приемная поверхность фотодиода. Альтернативным способом иллюстрации работы фотодиода является использование энергетической диаграммы, как показано на рис. 2.7.7. Это отображает энергетические уровни валентной зоны и зоны проводимости атома (кремния) по вертикальной оси диаграммы в зависимости от расстояния между анодом и катодом фотодиода по горизонтальной оси.

На рис. 2.7.7 фотоны, ударяющие по атомам в обедненном слое и в диффузионных областях слоев P и N, показаны как небольшие вспышки энергии, каждая из которых побуждает электрон прыгать (вертикальные синие стрелки) к более высокой энергии. полоса проводимости уровня. Обратите внимание, что электронно-дырочные пары, созданные внутри слоев P и N, повторно поглощаются в виде тепла. Как только электроны и дырки разделены, обратное смещение, приложенное к аноду и катоду диода, берет верх, сдвигая электроны к (положительному) катоду, а дырки к (отрицательному) аноду (большие синие и красные стрелки).

Рис. 2.7.8 PIN-фотодиод

Уменьшение емкости перехода

В этом фотодиоде используется слой собственного (нелегированного или иногда слегка легированного N-) полупроводника между слоями P и N, см. рис. 2.7.8. Это приводит к уменьшению емкости PN-перехода и, следовательно, к повышению максимальной скорости переключения, что особенно подходит для оптоволоконной связи. Сравнительно глубокий собственный слой также обеспечивает больший объем для преобразования фотона в электрон/дырку.

PIN-фотодиоды используются в фотопроводящем режиме с обратным смещением, соотношение между количеством полученного света и производимым электрическим током практически линейно, и они также относительно стабильны в нормальном температурном диапазоне.

Темновой ток и шум

Рис. 2.7.9 Темновой ток и шум

Ток, создаваемый фотодиодным процессом, чрезвычайно мал, в диапазоне от наноампер (нА) до нескольких микроампер (мкА), и хотя зависимость между количеством света, падающего на фотодиод, и производимым током является довольно линейной, в условиях очень слабого освещения создаваемый фототок маскируется нормальным обратным током утечки из-за тепловой активности внутри атомной структуры диода. Этот ток называется «темновым током», поскольку он все еще присутствует, когда диод не горит.

Небольшое значение фотоэлектрического тока, создаваемого фотодиодом, и наличие термически создаваемого темнового тока приводят к тому, что рабочий диапазон фотодиода значительно ограничен при низких уровнях освещенности.

Из-за чрезвычайно низкого уровня сигнала, получаемого от фотодиодов, термический шум также является проблемой, особенно когда фотодиоды могут использоваться для обнаружения низких уровней освещенности. «Минимальный полезный ток» для обнаружения света — это фототок, который равен темновому току плюс тепловой шум, создаваемый диодом, как показано на рис. 2.7.9..

Рис. 2.7.10 Трансимпедансный фотодиодный усилитель

Как правило, очень малый ток сигнала от фотодиода каким-то образом усиливается. На рис. 2.7.10 показана типичная схема усилителя с использованием трансимпедансного операционного усилителя. Этот усилитель имеет низкий входной импеданс и преобразует небольшие изменения тока на входе в гораздо большие изменения напряжения на выходе. Коэффициент усиления задается значением R _f , а C _f помогает избежать нестабильности. Однако также полезно создать максимально возможную амплитуду тока сигнала в фотодиоде, прежде чем он будет усилен внешней цепью. Поскольку любой электронный усилитель также вносит некоторый шум, одним из ответов на это является использование самого фотодиода для получения полезной степени усиления; это цель лавинного фотодиода.

Рис. 2.7.11 Лавинный фотодиод

Лавинный фотодиод

Лавинный фотодиод предназначен для начального усиления фототока внутри самого диода. Это достигается за счет работы с гораздо большим обратным смещением, чем у других фотодиодов. Это может означать, что диод работает вблизи области обратного пробоя своих характеристик. На рис. 2.7.11 показана одна типичная структура лавинного фотодиода. Обратите внимание, что анод P+ сделан отрицательным, а катодный слой N+ положительным, чтобы обеспечить обратное смещение.

Использование такого высокого напряжения обратного смещения (обычно 20 В или более) обеспечивает широкий обедненный слой, который образует большую область сбора, где фотоны создают пары электрон/дырка. Это высокое напряжение на обедненном слое также создает сильное электрическое силовое поле, которое ускоряет электроны по направлению к положительному потенциалу на катоде (и дырки по направлению к аноду).

Усиление ударной ионизацией

Обратите внимание на легирование различных слоев фотодиода. Слой N+ непосредственно под просветляющим слоем сильно легирован. Под ним находится обычно легированный P-слой, образующий PN-переход диода; основная часть диода представляет собой слабо легированный слой P- с сильно легированным слоем P+ рядом с анодным соединением.

Рис. 2.7.12 Ударная ионизация

Уровень легирования полупроводника влияет на его сопротивление, более сильно легированные слои имеют наименьшее сопротивление. Для определенного значения тока, протекающего через диодные слои, которые фактически представляют собой ряд сопротивлений с различными значениями, вызывает разные значения напряжения на разных слоях. Это создает неравномерное электрическое силовое поле на диоде, как показано на рис. 2.7.12.

Чем больше напряженность электрического поля, тем большее ускорение дается электронам в полупроводнике. Внизу диаграммы (рис. 2.7.9) сильно легированный слой P+ рядом с анодом диода имеет низкое сопротивление, что способствует эффективному соединению с металлическим разъемом анода. В области истощения сопротивление полупроводника P- выше, что обеспечивает достаточную напряженность поля для ускорения электронно-дырочных пар, создаваемых фотонами. Из-за глубины этой области необходимо как можно быстрее перемещать носители заряда (электроны и дырки), чтобы фотодиод быстро реагировал на изменения уровня освещенности.

Поскольку электроны притягиваются в лавинную область вокруг более сильно легированного соединения PN+, более высокое сопротивление этих слоев создает более высокое напряжение и, следовательно, более высокую напряженность поля, что еще больше ускоряет электроны. Когда эти сильно ускоренные электроны сталкиваются с валентными электронами в атомах полупроводникового материала, они заставляют эти ранее связанные валентные электроны прыгать в зону проводимости, создавая дополнительные носители заряда. Эти новые носители заряда (электроны) теперь также обладают достаточной энергией, чтобы вытеснить больше электронов ударом и так далее, создавая лавину дополнительных электронов, что, конечно же, создает дополнительный ток.

С помощью этого метода, называемого ударной ионизацией, первоначальный очень слабый ток, создаваемый фотонами, был эффективно усилен. Величина усиления зависит от ускоряющего напряжения, которое может варьироваться от 20 до нескольких сотен вольт. Дополнительными факторами, влияющими на усиление, являются толщина лавинной области и количество электронов, участвующих в процессе ударной ионизации.

Поскольку количество ударов является случайным, величина усиления за любой короткий период времени будет варьироваться, поэтому ее можно указать только как среднее значение. Также из-за случайного характера воздействия фотонов выходной ток будет иметь тенденцию быть шумным из-за быстрых колебаний усиления.

Лавинные фотодиоды не имеют такой хорошей линейной зависимости между принимаемым светом и производимым током, как другие уже описанные фотопроводящие диоды, но это не обязательно является серьезным недостатком в их основном применении, а именно в качестве приемника цифровой информации в оптоволокне. оптическая связь и другие высокоскоростные коммутационные приложения.

Материалы для фотодиодов

В конструкции фотодиодов используются различные полупроводниковые материалы, главным образом для того, чтобы позволить производителям производить ряд фотодиодов, которые реагируют на различные части видимого спектра, а также на ультрафиолетовые и инфракрасные длины волн. На рис. 2.7.13 показаны примерные длины волн, покрываемые некоторыми распространенными полупроводниковыми материалами, используемыми для фотодиодов.

Рис. 2.7.13 Приблизительные диапазоны длин волн распространенных материалов для фотодиодов

Кремниевые фотодиоды

Рис. 2.7.14 Относительная чувствительность

Кремниевые (Si) фотодиоды популярны для оптических приемников данных, поскольку они могут быть изготовлены вместе с оптическими приемниками данных низкое значение емкости перехода, что делает их пригодными для приема цифровых данных с частотами до нескольких гигагерц. Они также генерируют относительно небольшое количество шума темнового тока. Однако они также имеют худшую скорость поглощения фотонов, чем некоторые другие материалы, что снижает их чувствительность.

Хотя кремний можно использовать в широком диапазоне длин волн, от ультрафиолетового (с использованием специально разработанных УФ-версий) до инфракрасного, кремниевые фотодиоды наиболее полезны в диапазоне от 800 до 900 нм, как показано на рис. 2.7.14. .

Германиевые фотодиоды

Хотя германий (Ge) вытеснен во многих диодных устройствах, он полезен в фотодиодах, поскольку обеспечивает светочувствительность на длинах волн более 900 нм, где кремний менее чувствителен, а германий дешевле, чем индий-галлий-арсенид (InGaAs ), что делает его полезным в фотодиодах с большой площадью обнаружения (диаметром примерно до 1 см). Однако фотодиоды из германия обычно имеют более высокий уровень темнового тока и создают сравнительно больше шума, чем арсенид кремния или индия-галлия, уровень шума также увеличивается при более высоких температурах.

Фотодиоды на основе арсенида индия-галлия

Фотодиоды на основе арсенида индия-галлия обеспечивают дополнительную чувствительность в условиях низкой освещенности, особенно на длинах волн в инфракрасном диапазоне, по сравнению с кремнием или германием. Они производят вдвое меньше шума и более стабильны в широком диапазоне температур, чем германиевые.

К началу страницы

Принцип действия фотодиода | Оптоэлектронные компоненты | Светодиоды, лазерные диоды и детекторы

Кремниевый фотодиод представляет собой твердотельное устройство, преобразующее падающий свет в электрический ток. Он состоит из неглубокого диффузного p-n перехода, обычно конфигурации p-on-n, хотя доступны устройства «P-типа» (n-on-p) для повышенной чувствительности в области 1 мкм. Современные кремниевые фотодиоды обычно изготавливаются методами планарной диффузии или ионной имплантации.

В плоской диффузионной конфигурации p-on-n, показанной на рисунке, край перехода выходит на верхнюю поверхность кремниевого чипа, где он пассивируется термически выращенным оксидным слоем.

ОСНОВНАЯ ФИЗИКА ФОТОДИОДА

p-n переход и обедненная область имеют большое значение для работы фотодиода. Эти области фотодиода создаются, когда легирующая примесь p-типа с акцептором

примеси (избыточные дырки), контактирует с кремнием n-типа, легированным донорными примесями (избыточными электронами). Дырки и электроны, каждый из которых испытывает более низкий потенциал на противоположной стороне перехода, начинают течь через переход в свои соответствующие области с более низким потенциалом. Это движение заряда создает область обеднения, в которой электрическое поле противоположно и равно низкому потенциальному полю, и, следовательно, ток больше не течет.

Когда фотоны с энергией более 1,1 эВ (ширина запрещенной зоны кремния) падают на устройство, они поглощаются и создаются электронно-дырочные пары. Глубина поглощения фотонов зависит от их энергии; чем ниже энергия фотонов, тем глубже они поглощаются. Пары электрон-дырка расходятся, и когда неосновные носители достигают перехода, их уносит электрическое поле. Если две стороны электрически соединены, через соединение протекает внешний ток. Если созданные неосновные носители этой области рекомбинируют с объемными носителями этой области до достижения поля перехода, носители теряются, и внешний ток не течет.

Эквивалентная схема фотодиода показана на рисунке ниже. Фотодиод ведет себя как источник тока при освещении. При работе без смещения этот ток распределяется между внутренним шунтирующим сопротивлением и внешним нагрузочным резистором. В этом режиме возникает напряжение, создающее прямое смещение, что снижает его способность оставаться источником постоянного тока. При работе с обратным смещением напряжения фотодиод становится идеальным источником тока.

Кремниевые фотодиоды обычно чувствительны к свету в спектральном диапазоне от примерно 200 нм (ближний УФ) до примерно 1100 нм (ближний ИК). Чувствительность фотосенсора (R) измеряется в амперах (А) фототока, генерируемого на ватт (Вт) мощности падающего света. Фактические уровни освещенности в большинстве приложений обычно колеблются от пиковатт до милливатт, которые генерируют фототоки от пикоампер до миллиампер. Чувствительность в амперах на ватт зависит от длины волны падающего света с пиковыми значениями от 0,4 до 0,7 А/Вт. Отклик кремниевого фотодиода хорошо согласуется с источниками света, излучающими в диапазоне от УФ до ближнего инфракрасного спектра, такими как гелий-неоновые лазеры; GaAlAs и GaAs светодиоды и лазерные диоды; и лазеры Nd:YAG. Выберите детектор из серии IR, Blue/Visible или UV, чтобы кривая спектрального отклика лучше всего соответствовала спектральной освещенности вашего источника света.

Отклик кремниевого фотодиода обычно является линейным в пределах нескольких десятых процента от минимальной обнаруживаемой мощности падающего света до нескольких милливатт. Линейность отклика улучшается с увеличением приложенного обратного смещения и уменьшением эффективного сопротивления нагрузки.

Нагревание кремниевого фотодиода смещает его спектральную кривую (включая пик) в сторону более длинных волн. И наоборот, охлаждение сдвигает отклик в сторону более коротких длин волн. Для температурной зависимости чувствительности для различных областей длин волн характерны следующие значения:0003

УФ до 500 нм: от -0,1%/° C до -2%/° C

от 500 до 700 нм: ~ 0%/° C

~ 900 нм: 0,1%/° C

1064 NM: 0,75%. /°C до 0,9%/°C

РЕЖИМЫ РАБОТЫ

Кремниевый фотодиод может работать либо в фотогальваническом режиме , либо в фотопроводящем режиме , . В фотогальваническом режиме фотодиод несмещен; в то время как для фотопроводящего режима применяется внешнее обратное смещение. Выбор режима зависит от требований к скорости приложения и допустимой величины темнового тока. В фотогальваническом режиме темновой ток минимален. Фотодиоды демонстрируют самые высокие скорости переключения при работе в фотопроводящем режиме.