Кремниевый фотодиод. Кремниевые фотодиоды: характеристики, преимущества и области применения — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Каковы основные типы кремниевых фотодиодов. Какими характеристиками они обладают. В чем преимущества кремниевых фотодиодов перед другими типами. Для каких применений подходят кремниевые фотодиоды.

Содержание

Основные типы кремниевых фотодиодов

Кремниевые фотодиоды являются одним из наиболее распространенных типов фотоприемников. Они обладают рядом преимуществ, благодаря которым широко применяются в различных областях. Рассмотрим основные типы кремниевых фотодиодов:

PIN-фотодиоды — имеют слаболегированную i-область между p- и n-областями, что увеличивает чувствительность
Лавинные фотодиоды (APD) — обладают внутренним усилением за счет лавинного умножения носителей заряда
Фотодиоды с расширенной УФ-чувствительностью
Фотодиоды с расширенной ИК-чувствительностью
Фотодиоды общего назначения

Ключевые характеристики кремниевых фотодиодов

Основными параметрами, определяющими качество и возможности применения кремниевых фотодиодов, являются:

Спектральная чувствительность — диапазон длин волн, в котором фотодиод эффективно работает
Квантовая эффективность — отношение числа генерируемых электронов к числу падающих фотонов
Темновой ток — ток, протекающий через фотодиод в отсутствие освещения
Быстродействие — скорость реакции на изменение светового потока
Линейность — зависимость выходного сигнала от интенсивности падающего излучения

Преимущества кремниевых фотодиодов

Кремниевые фотодиоды обладают рядом важных достоинств по сравнению с другими типами фотоприемников:

Высокая чувствительность в видимом и ближнем ИК диапазоне
Низкий уровень шума и темнового тока
Высокая квантовая эффективность (до 80-90%)
Хорошая линейность характеристик
Малые размеры и низкая стоимость
Совместимость с кремниевой технологией интегральных схем

Области применения кремниевых фотодиодов

Благодаря своим характеристикам, кремниевые фотодиоды широко используются в следующих областях:

Оптическая связь
Измерительные приборы и датчики
Системы автоматического управления
Медицинская техника
Аналитические приборы
Системы безопасности

Спектральная чувствительность различных типов кремниевых фотодиодов

Спектральная чувствительность является одной из важнейших характеристик фотодиодов, определяющей их область применения. Рассмотрим типичные диапазоны чувствительности для разных типов кремниевых фотодиодов:

Фотодиоды общего назначения: 350-1100 нм
Фотодиоды с расширенной УФ-чувствительностью: 250-1100 нм
Фотодиоды с улучшенной ИК-чувствительностью: 350-1100 нм (с пиком в ближнем ИК)
Лавинные фотодиоды: 400-1100 нм (оптимум в ближнем ИК на 800-905 нм)

Как видно, разные типы фотодиодов позволяют оптимизировать чувствительность под конкретные задачи — от УФ до ближнего ИК диапазона.

Сравнение кремниевых фотодиодов с другими типами фотоприемников

Кремниевые фотодиоды имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами фотоприемников:

По сравнению с фоторезисторами: более высокое быстродействие и линейность
По сравнению с фотоумножителями: меньшие размеры, стоимость и напряжение питания
По сравнению с фототранзисторами: более высокая линейность характеристик

При этом кремниевые фотодиоды уступают некоторым другим типам в отдельных параметрах. Например, фотоумножители имеют более высокую чувствительность, а фототранзисторы — большее усиление.

Применение кремниевых фотодиодов в оптической связи

Кремниевые фотодиоды широко используются в системах оптической связи благодаря следующим преимуществам:

Высокая чувствительность в ближнем ИК диапазоне (около 850 нм), используемом в оптоволоконных линиях связи

Высокое быстродействие, позволяющее работать на скоростях передачи данных до нескольких Гбит/с
Низкий уровень шума, обеспечивающий высокое отношение сигнал/шум
Небольшие размеры, позволяющие создавать компактные приемные модули

Кремниевые PIN-фотодиоды и лавинные фотодиоды (APD) являются основными типами фотоприемников, применяемых в современных высокоскоростных системах оптической связи.

Кремниевые фотодиоды в измерительной технике

В измерительных приборах и датчиках кремниевые фотодиоды находят широкое применение благодаря следующим свойствам:

Высокая линейность характеристик в широком динамическом диапазоне
Хорошая временная и температурная стабильность параметров
Малые размеры, позволяющие создавать компактные датчики
Низкая стоимость при массовом производстве

Кремниевые фотодиоды используются в различных измерительных приборах:

Люксметры и фотометры

Спектрофотометры
Колориметры
Датчики перемещения и положения
Датчики частиц и дыма

Перспективы развития технологии кремниевых фотодиодов

Несмотря на зрелость технологии, развитие кремниевых фотодиодов продолжается в следующих направлениях:

Улучшение чувствительности в УФ и ИК диапазонах
Повышение быстродействия для применения в системах связи терабитного диапазона
Снижение темнового тока и шумов
Создание многоэлементных линеек и матриц фотодиодов
Интеграция фотодиодов с электронными схемами обработки сигнала на одном кристалле

Развитие технологии позволит расширить области применения кремниевых фотодиодов и улучшить характеристики оптоэлектронных систем на их основе.

Характеристики различных фотодиодных технологий

Добавлено 2 января 2020 в 00:10

Рассмотрим различия между кремниевыми фотодиодами и фотодиодами, изготовленными из других полупроводниковых материалов.

В данной статье мы обсудим различные типы фотодиодных технологий, а также сильные и слабые стороны полупроводников, используемых для их создания, и подробнее кремния.

Это четвертая часть нашей серии о фотодиодах, которая подготовит вас к тому, чтобы узнать больше об использовании фотодиодов в светочувствительных схемах и их применениях. Если вы хотите прочитать остальное, воспользуйтесь ссылками ниже или содержанием выше.

Если вы хотите узнать об основах, начните с первой статьи, в которой обсуждается физика света и то, как PN-переходы используются для формирования диодов.
Вторая часть посвящена PN-переходам, чувствительным к свету.
Третья часть охватывает фотопроводящий и фотоэлектрический режимы работы фотодиодов.
В заключительной части обсуждается эквивалентная схема фотодиода.

Кремниевый фотодиод

Кремний определенно не является экзотическим полупроводниковым материалом, но из него можно сделать прекрасный фотодиод. Кремниевые фотодиоды – отличный выбор для многих приложений, работающих в видимом свете.

Основное ограничение, о котором следует помнить при работе с кремнием: он чувствителен, в первую очередь, к длинам волн видимого света. Во многих системах, таких как диммер, который реагирует на уровни окружающего освещения, это именно то, что вам нужно. Кремниевый фотодиод с расширенным диапазоном в сторону инфракрасной области даст вам большую чувствительность к длинам волн в ближней инфракрасной области, если это важно для вашего приложения.

Рисунок 1 – Этот график из руководства по кремниевым фотодиодам компании Hamamatsu показывает спектральный отклик для различных кремниевых фотодетекторов (QE означает квантовую эффективность)

Кремниевые фотодиоды – отличные детекторы света общего назначения. Они надежны и широко доступны, их электрический отклик на освещенность очень линеен, они обладают хорошими характеристиками темнового тока и пропускной способности. Фактически, фотодиоды с наименьшим темновым током и высокоскоростные фотодиоды, продаваемые Thorlabs, являются кремниевыми устройствами.

Инфракрасные детекторы

Антимонид индия (InSb)

Когда я думаю о фотодиодах, первое, что приходит на ум, – это InSb. Он гораздо менее распространен, чем кремний, но он запечатлелся в моем инженерном сознании, потому что один из самых важных корпоративных проектов, над которыми я когда-либо работал, был основан на массиве фотодиодов из InSb.

InSb чувствителен к коротковолновому и средневолновому инфракрасному излучению и предлагает отличную производительность для приложений, которые вместо видимого света должны обнаруживать тепловые сигнатуры. Однако чтобы максимально использовать InSb, вам нужно приложить дополнительные усилия, а именно охладить фотодиод до криогенных температур. Это делается с помощью сосудов Дьюара, в которых находится диод и жидкий азот. Вы заполняете сосуд Дьюара жидким азотом, и тогда ваш детектор из InSb будет готов к обеспечению максимальной чувствительности.

Арсенид галлия-индия (InGaAs) и германий (Ge)

InGaAs широко используется в качестве материала для быстродействующих и высокочувствительных детекторов инфракрасного излучения. В отличие от InSb, он обычно используется при комнатной температуре и имеет небольшое увеличение чувствительности на более коротких длинах волн: InSb работает примерно до 1 мкм, тогда как диапазон InGaAs снижен примерно до 0,7 мкм.

Германий похож на InGaAs в отношении спектрального отклика и работает при комнатной температуре. Но InGaAs может достичь значительно более высокого отношения сигнал/шум.

Теллурид кадмия-ртути (HgCdTe)

Теллурид кадмия-ртути играет важную роль в детекторах для длинноволновых инфракрасных приложений. Спектральный отклик InGaAs и InSb сужен до 2–3 мкм и 5–6 мкм соответственно, тогда как диапазон HgCdTe простирается до 16 мкм. Длинноволновый инфракрасный диапазон (LWIR, long-wavelength IR) используется для пассивного теплового обнаружения и визуализации.

Как и детекторы из InSb, детекторы из HgCdTe охлаждаются до криогенных температур. Это серьезное неудобство, и многие устройства для получения изображений LWIR используют неохлаждаемые микроболометры; микроболометры реагируют непосредственно на тепловую энергию, в отличие от фотодиодов, которые реагируют на падающие фотоны электромагнитного излучения. Микроболометры дешевле, меньше по размеру и более энергоэффективны; но детекторы из HgCdTe создают изображения более высокого качества.

Ультрафиолетовые детекторы

Хотя кремний чувствителен в первую очередь к видимым длинам волн, кремниевый фотодиод можно оптимизировать для улучшения отклика и в ультрафиолетовом диапазоне. Эти устройства называются кремниевыми ультрафиолетовыми фотодиодами.

Вы, наверное, знакомы с карбидом кремния (SiC). Это набирающий популярный полупроводниковый материал, который в первую очередь ассоциируется с мощными полевыми MOSFET транзисторами, но оказывается, что диоды из SiC отлично подходят для использования в качестве детекторов ультрафиолетового излучения.

Фотодиоды из карбида кремния – это прочные устройства, которые по своей природе чувствительны только к ультрафиолетовому свету в диапазоне от 200 до 400 нм.

Рисунок 2 – Нормализованный спектральный отклик фотодиода из карбида кремния, производимого Electro Optical Components

Этот ограниченный спектральный отклик означает, что SiC-фотодиоды не требуют оптической фильтрации в системах, которые должны предотвращать влияние видимого или инфракрасного света на измерения в ультрафиолетовом диапазоне.

Если вам необходимо только расширить чувствительность до ультрафиолетового излучения, кремниевые ультрафиолетовые фотодиоды – это именно то, что вам нужно. Они сохраняют свою чувствительность в видимом диапазоне; на самом деле их чувствительность к видимому свету намного выше, чем к инфракрасному излучению.

Математическая зависимость между силой падающего света и генерируемым фототоком называется чувствительностью. Пиковая чувствительность SiC-фотодиодов довольно низкая по сравнению с пиковой чувствительностью кремниевых фотодиодов, но пиковая чувствительность кремния не имеет отношения к ультрафиолетовым приложениям, потому что она возникает далеко от длин волн ультрафиолетового излучения. Чувствительность SiC аналогична чувствительности кремния, если мы говорим только про участок спектра 200–400 нм.

Резюме

Кремниевые фотодиоды обеспечивают удобное и эффективное измерение освещенности в видимой области спектра. Стандартными материалами для детектирования инфракрасного излучения являются антимонид индия (InSb), арсенид индия-галлия (InGaAs), германий (Ge) и теллурид кадмия-ртути (HgCdTe). Для ультрафиолетовых приложений можно использовать кремний, а также стоит рассмотреть карбид кремния, если вам нужна надежная работа при высоких температурах, или если ваш детектор должен игнорировать видимый и инфракрасный свет.

Следующая статья в серии «Введение в фотодиоды»: эквивалентная схема фотодиода.

Оригинал статьи:

Robert Keim. Characteristics of Different Photodiode Technologies

Разработка типоразмерного ряда дискретных и многоэлементных кремниевых фотодиодов фотовольтаического применения для сканирующих, акселерометрических и гироскопических систем

Разработка типоразмерного ряда дискретных и многоэлементных кремниевых фотодиодов фотовольтаического применения для сканирующих, акселерометрических и гироскопических систем | Наука НИТУ «МИСиС»

24 июня 2015 годаНаука

В ходе выполнения 1 этапа проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 17 июня 2014 г. № 14.575.21.0018 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 1 в период с 17.06.2014 г по 31.12.2014 г выполнялись следующие работы:

Аналитический обзор современной научно-технической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИР.
Проведение патентных исследований в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
Исследование существующих аналогов полупроводниковых фотодиодов для определения путей повышения их эксплуатационных характеристик.
Определение материалов примесей и построение их профилей распределения в элементарных ячейках (дискретный фотодиод).
Математическое моделирование различных вариантов конструкций элементарных ячеек (дискретный фотодиод) кремниевых фотодиодов фотовольтаического применения.
Выбор оптимальной конструкции элементарной ячейки (дискретный фотодиод) кремниевого фотодиода фотовольтаического применения.
Разработка лабораторного технологического регламента изготовления элементарной ячейки (дискретный фотодиод).

Разработка топологических чертежей тестовых образцов тестовых образцов элементарной ячейки (дискретный фотодиод).
Разработка эскизной конструкторской документации на стенд для измерения параметров кремниевых фотодиодов фотовольтаического применения.
Изготовление стенда для измерения параметров кремниевых фотодиодов фотовольтаического применения.
Закупка оборудования для проведения исследований.
Выбор технологических процессов и расчет режимов их проведения для обеспечения их изготовления.
Участие в мероприятиях направленных на популяризацию ПНИ.

При этом были получены следующие результаты:

Проведен аналитический обзор современной научно-технической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИР.
- Представлен обзор существующих конструкций акселерометров на основе различных физических явлений. Внимание было уделено основным характеристикам акселерометров, требованиям, предъявляемым к ним. Особо были выделены оптические акселерометры, как объекта данной научно-исследовательской работы, в части создания фотоприемников для акселерометрического применения.
- В первой части рассмотрены основные свойства акселерометров и приведена их краткая классификация. В настоящее время активно исследуются оптические акселерометры, позволяющие создавать МЕМS-структуры.
- Вторая часть посвящена фотодетекторам основные принципы работы и основные конструкции фотоприемников, часто используемые для создания акселерометров
- Последняя часть охватывает ИК-ФП, наиболее востребованный тип фотодетекторов, и материалы для их производства. Отмечены основные достижения в технологии изготовления приемников и обозначены пути дальнейшего развития.
- Отметим, что, несмотря на успехи последнего десятилетия в создании фотоприемников на основе тройных и двойных соединений, остается множество проблем.
  В этой связи перспективным представляется создание кремниевых фотоприемников для видимого и ближнего инфракрасного диапазонов для широкого спектра применений. В пользу такого выбора говорит хорошо отлаженная технология создания кремниевых интегральных схем.

Ссформирован отчет о патентных исследованиях по ГОСТ 15.011-96;
Получены результаты исследования существующих аналогов полупроводниковых фотодиодов для определения путей повышения их эксплуатационных характеристик.
- Анализ экспериментальных данных показал, что некоторые фотодиоды фирмы Hamamatsu на основе Si обладают неплохой фоточувствительностью (больше 40 % от максимальной фоточувствительности на l=650 нм) в коротковолновой области (S3071, S3059, G2119). Это может объясняться низким значением поверхностной рекомбинацией за счет специальной обработкой поверхности.
- В длинноволновой области спектра (до l=1100 нм) наилучшие показатели фоточувствительности имеют кремниевые фотодиоды разных производителей.
- Практически все исследуемые фотодиоды имеют низкие (порядка единиц пА) значения темновых токов (следовательно, высокую чувствительность). Зависимости значения темнового тока от материала и структуры исследуемых фотоприемников обнаружено не было.
- Таким образом, среди всех исследуемых фотодиодов наилучшую совокупность параметров показали p-i-n фотодиоды компании VISHAY.

Проведен выбор материала примеси и построение профилей.
Проведено компьютерное моделирование различных структур;
Проведен выбор оптимальной конструкции элементарной ячейки (дискретный фотодиод) кремниевого фотодиода фотовольтаического применения.
- Показано, что для производства фотодиодов с высокой чувствительностью необходимо использовать технологические процессы, при которых глубина p-n перехода будет достаточна малой. Это позволит довольно ощутимо уменьшить ширину, так называемого, мертвого приповерхностного слоя.
- Показано, что оптимальная толщина защитного термического окисла, выращиваемого перед процессами имплантации, — 25 нм. Данная толщина вкупе с низкой энергией имплантации позволяет добиться достаточно малых p-n переходов. Для 50 нанометрового окисла низкой энергии недостаточно, чтобы пробить весь диэлектрический слой, а глубина залегания p-n перехода при имплантации примеси с энергиями 60 и 100 кэВ оказывается достаточно большой.
- Показано, что наибольшей пиковой чувствительностью обладают сетчатые диоды, изготовленные на подложке p-типа. Увеличение тока в цепи приемника достигается за счет увеличения чувствительности в синей области спектра, а сама чувствительность возрастает благодаря более быстрому сбору неосновных носителей заряда — электронов, обладающих большей подвижностью.
Разработаны лабораторные технологический регламент изготовления элементарной ячейки (дискретный фотодиод) в случае применения исходного материала с удельным сопротивлением 150 и 20 Ом∙см.
Разработаны топологические чертежи тестовых образцов тестовых образцов элементарной ячейки (дискретный фотодиод).
Разработана эскизная конструкторская документации на стенд для измерения параметров кремниевых фотодиодов фотовольтаического применения.
Изготовлен стенд для измерения параметров кремниевых фотодиодов фотовольтаического применения.
Проведена закупка оборудования для проведения исследований.
Проведен выбор технологических процессов и расчет режимов их проведения для обеспечения их изготовления.
Результаты работ представлены на мероприятиях направленных на популяризацию ПНИ.

Сведения о ходе выполнения исследований (проекта) размещены в открытом доступе, на официальном сайте НИТУ «МИСиС».

фцп14.575.21.0018

24 июня Разработка типоразмерного ряда дискретных и многоэлементных кремниевых фотодиодов фотовольтаического применения для сканирующих, акселерометрических и гироскопических систем

Наш сайт использует файлы cookie.
Мы не идентифицируем вас, а улучшаем работу сайта.
Оставаясь, вы даете согласие на обработку файлов cookie.

Преимущества гибких органических фотодиодов над кремниевыми аналогами

Опубликовано: 14.11.2020

Обновлено: 14.11.2020

603

Органические электронные устройства основаны на материалах, изготовленных из молекул или полимеров на основе углерода, а не на обычных неорганических полупроводниках, таких как кремний. Эти устройства можно изготавливать с использованием простых решений и технологий струйной печати вместо применения дорогостоящих и сложных процессов, связанных с производством традиционной электроники

Производительность гибких органических фотодиодов большой площади выросла до такой степени, что они стали обладать большими практическими преимуществами, чем традиционные кремниевые фотоэлементы, особенно в таких областях, как биомедицинская визуализация и биометрический мониторинг, где необходима повышенная чувствительность фотоматериала большой площади к слабому световому излучению.

Гибкие органические устройства с низким уровнем создаваемых помех (шума), изготавливаемые с помощью растворов, дают возможность производства фотодиодов произвольной формы и большой площади для замены сложных масштабируемых матриц, которые бы потребовались в случае использования обычных кремниевых фотоэлементов. Органические гибкие устройства обеспечивают производительность, сопоставимую с жесткими кремниевыми фотодиодами в видимой части света, за исключением времени отклика.

«То, что было достигнуто, — это первая демонстрация того, что устройства, созданные с помощью растворов при низких температурах, чувствительны всего к несколько сотням тысячам фотонов видимого света, падающих на них каждую секунду, что сопоставимо с силой света, достигающего человеческий глаз от одной звезды в ночном небе». «Возможность наносить эти материалы на подложки большой площади и произвольной формы означает, что гибкие органические фотодиоды теперь обладают некоторыми явными преимуществами перед современными кремниевыми фотоэлементами».

Органические электронные устройства основаны на материалах, изготовленных из молекул или полимеров на основе углерода, а не на обычных неорганических полупроводниках, таких как кремний. Эти устройства можно изготавливать с использованием простых решений и технологий струйной печати вместо применения дорогостоящих и сложных процессов, связанных с производством традиционной электроники. В настоящее время эта технология широко используется в изготовлении дисплеев, солнечных элементов и других устройств.

В органических фотодиодах используется полиэтиленимин, аминосодержащий модификатор поверхности полимера, который, как было обнаружено, позволяет производить устойчивые к воздуху электроды для фотоэлектрических устройств. Использование полиэтиленимина позволяет производить фотоэлектрические устройства с низким уровнем темнового тока — электрического тока, который возникает в фотоэлектрических устройствах даже в темноте. Это означает, что этот материал может с пользой применяться в фотодетекторах для улавливания слабых сигналов видимого света.

«С годами уровни темнового тока снизились настолько, что пришлось модернизировать измерительное оборудование, чтобы можно было обнаруживать электронный шум, соответствующий колебаниям одного электрона за одну миллионную долю секунды». «Эти усилия привели к научным открытиям, которые необходимы для появления органических фотодиодов с достаточным уровнем производительности».

Одно из применений полученных устройств — пульсоксиметры, которые надевают на пальцы для измерения частоты сердечных сокращений и уровня кислорода в крови. Органические фотодиоды позволят разместить на теле несколько приборов, которым необходимо для работы в 10 раз меньше светового излучения, чем обычным. Это позволяет носимым устройствам мониторинга здоровья предоставлять улучшенную и непрерывную физиологическую информацию без частой замены батареи. Другие применения включают человеко-машинные интерфейсы, предназначенные для распознавания жестов.

Одним из будущих применений станет обнаружение ионизирующего излучения с помощью сцинтилляции — вспышки света, излучаемой люминофором при столкновении с частицей высокой энергии. Более низкий уровень света, который может быть обнаружен, улучшит чувствительность устройств, позволяя им фиксировать более низкие уровни излучения. Для обнаружения излучения, испускаемого транспортными средствами или грузовыми контейнерами, требуется большая площадь детектора, которую было бы легче сделать из органических фотоэлементов, чем из массивов кремниевых фотодиодов.

Органические фотодиоды могут быть более предпочтительны при использовании в рентгеновском оборудовании, где необходимо минимизировать возможный уровень облучения пациентов. Здесь опять же, чувствительность, большая площадь и гибкий форм-фактор должны предоставить органическим фотодиодам преимущество перед матрицами на основе кремния.

«Сейчас ведется работа над улучшением времени отклика фотодетектора, потому что это позволит существенно расширить область их применения». «Существует реальная потребность в разработке технологий изготовления фотодетекторов, которые были бы более масштабируемыми».

Органические фотодиоды могут показывать значения тока электронного шума в диапазоне десятков фемтоампер и эквивалентной его мощности в несколько сотен фемтоватт. Ключевые показатели производительности органических фотодиодов сопоставимы с кремниевыми, за исключением времени отклика, значение которого планируется уменьшить в сто крат, чтобы расширить возможности их применения в будущем.

«Органические тонкие пленки поглощают свет более эффективно, чем кремний, поэтому общая толщина, необходимая для поглощения одно и того же количества света, оказывается намного меньше». «Даже если увеличить их площадь, общий размер детектора из-за наличия органических веществ останется небольшим. Если увеличить площадь кремниевого детектора, то общий объем материалов в этом случае сильно увеличится, и при комнатной температуре они будут создавать много электронных помех».

В органических гибких фотодиодах, изготовленных в лаборатории, используется фотоактивный слой толщиной всего 500 нанометров. Грамм материала размером с кончик пальца может покрыть поверхность офисного стола.

Связанная статья журнала Science:

https://doi. org/10.1126/science.aba2624

Источник: Georgia Institute of Technology

Marktech Optoelectronics представляет новейшую линейку усовершенствованных фотодетекторов на кремниевых фотодиодах

22 марта 2022 г. — Латам, штат Нью-Йорк, США — Marktech Optoelectronics, Inc. и производитель стандартной и нестандартной оптоэлектроники, включая УФ, видимый, ближний инфракрасный (NIR) и коротковолновый инфракрасный (SWIR) излучатели, детекторы, эпипласты InP и другие составные полупроводники, объявил сегодня о своей последней линейке усовершенствованных кремниевых фотодиодов. фотодетекторы.

Предприятие Marktech по производству кремниевых фотодиодов в Сими-Вэлли, Калифорния, имеет самые короткие сроки поставки в отрасли фотодетекторов для стандартных и нестандартных фотодиодов. Marktech может совмещать кремниевые фотодиоды многих конкурентов с продуктом, СДЕЛАНЫМ В США, характеристики которого соответствуют или превосходят характеристики конкурентов. После утверждения прототипа заказные фотодиоды обычно доставляются в очень конкурентоспособные сроки по сравнению с обычными 6–8 месяцами от других ведущих производителей фотодиодов. Кроме того, многие стандартные кремниевые фотодиоды могут быть доставлены из нашего стандартного ассортимента в течение нескольких дней через веб-сайты наших дистрибьюторов Digikey Electronics и Mouser Electronics.

Кремниевый фотодиод (SiPD)

Стандартный кремниевый фотодиодный детектор Marktech в металлической упаковке TO.

Линейка усовершенствованных кремниевых фотодиодных детекторов Marktech состоит из нескольких семейств или серий детекторов в зависимости от их диапазонов спектральной чувствительности:

Общего назначения (серия 8) — спектральная чувствительность от 350 до 1100 нм
Улучшенный УФ (серия 4) — спектральная чувствительность от 300 до 1100 нм чувствительность
ИК Enhanced Peak (серия 14) – спектральная чувствительность от 350 до 1100 нм
UV & IR Enhanced (серия 11) — спектральная чувствительность от 250 до 1100 нм

Кремниевые PIN-фотодиоды доступны в различных типах упаковки, таких как герметичные металлические банки (TO-5, TO-18 и TO-39), керамические Пакеты SAW, металлические банки с косичками и 3-миллиметровое сквозное отверстие из формованного пластика (плоская линза или керамический купол). Также доступна индивидуальная упаковка в соответствии со спецификациями OEM.

Кремниевые фотодиоды Marktech обеспечивают высокую чувствительность, низкий уровень шума, превосходную линейность, высокую квантовую эффективность и долговечность в сочетании с увеличенным сроком службы по разумной цене. Наши кремниевые фотодиоды с улучшенным УФ-излучением идеально подходят для контроля консистенции источников УФ-излучения для отверждения чернил, смол, клеев, герметиков и материалов для стереолитографии для 3D-печати. Кроме того, ИК-излучатели Marktech в сочетании с нашими ИК-детекторами (кремниевыми фотодиодами IR Peak) являются идеальным решением для многих промышленных задач измерения, таких как близость, линейное положение, время пролета (TOF) расстояние или дальность, а также угловое или вращательное положение. датчики. Дополнительные приложения включают в себя измерители оптической мощности, датчики цвета, оптические приемники, детекторы дневного света, оксиметры, мониторы пульса, анализаторы частиц и детекторы дыма.

Лавинные фотодиоды (APD)

Семейство лавинных фотодиодов (APD) Marktech Optoelectronics производится в США. Лавинные фотодиоды (APD)

Marktech идеально подходят для высокоскоростного, короткоимпульсного,

и обнаружения низкого уровня освещенности в диапазоне от 400 до 1100 нм. Они имеют оптимальные пиковые характеристики в диапазоне NIR при 800 нм или 905 нм. APD Marktech имеют низкий темновой ток, высокое внутреннее усиление при низком напряжении смещения и значительно более высокую чувствительность, особенно в ближнем инфракрасном (NIR) спектральном диапазоне, по сравнению со стандартными фотодиодами. Они также имеют быстрое время нарастания, составляющее всего 300 пс, частотную характеристику до 1 ГГц и низкое напряжение пробоя 120–200 В. Все продукты Marktech APD также соответствуют требованиям RoHS.

Различные варианты настройки Si APD включают выбор рабочего напряжения, полосовую фильтрацию для конкретной длины волны, гибридизацию и индивидуальную упаковку. Индивидуальные варианты упаковки включают в себя герметичные металлические банки TO, экономичные типы SMD (LCC), запатентованную шовную сварку ATLAS SMD и другие типы упаковки, разработанные в соответствии со спецификациями OEM.

Кремниевые ЛФД Marktech могут обеспечить производительность, почти эквивалентную фотоумножителям, но в более прочном, надежном и недорогом полупроводниковом изделии. В результате, APD Marktech могут точно обнаруживать более слабую интенсивность света в приложениях, где может потребоваться более высокая полоса пропускания или внутреннее усиление. Конкурентные варианты фотодетекторов терпят неудачу из-за более высокого уровня шума предусилителя.

Marktech предлагает самый большой в отрасли выбор стандартных готовых кремниевых APD для немедленной доставки клиентам. Кроме того, наш завод в Калифорнии регулярно производит прототипы стандартных и нестандартных кремниевых APD для OEM-производителей. Стандартные кремниевые APD Marktech можно приобрести у наших партнеров по всему миру, DigiKey Corporation и Mouser Electronics.

Кремниевые фототранзисторы

Marktech предлагает широкую линейку кремниевых фототранзисторов в различных типах корпусов, от небольших металлических банок до керамических корпусов. Кремниевые фототранзисторы Marktech имеют спектральную чувствительность в диапазоне от 400 нм до 1100 нм или специальные кремниевые чипы с улучшенным УФ-излучением с чувствительностью в более низком диапазоне УФ-А. Они полезны в приложениях, требующих очень высокой чувствительности, равномерного отклика и повышенной надежности, таких как считыватели карт и оптические датчики. Кроме того, наш завод по производству кремниевых фотодиодов в Сими-Вэлли может производить активные области и многоэлементные микросхемы по индивидуальному заказу в соответствии с вашими требованиями.

Массивы кремниевых фотодиодов (Si PDA)

Индивидуальная матрица кремниевых фотодиодов, состоящая из сложной матрицы из 64 элементов с лазерным освещением для обнаружения частиц.

Матрицы кремниевых фотодиодов

состоят из нескольких фотодиодных элементов, изготовленных на одной подложке и в одном корпусе. Массивы фотодиодов варьируются от двухэлементных детекторов (два сегмента), четырехэлементных детекторов (четыре элемента), многоэлементных линейных массивов и сложных многоэлементных площадных массивов.

Массивы фотодиодов являются важными компонентами датчиков и приборов для определения положения, лазерной центровки, спектроскопии и анализа частиц. Например, четырехэлементные фотодиодные матрицы или счетверенные детекторы Marktech идеально подходят для лазерной юстировки. Кроме того, наши линейные фотодиодные матрицы идеально подходят для определения положения, спектрометрии, рефрактометрии и других приложений с датчиками или приборами.

Фотодиоды InGaAs (InGaAs PD)

В дополнение к нашим высокоэффективным кремниевым фотодиодам, Marktech производит фотодиоды InP PIN с использованием технологии InGaAs/InP. Эти PIN-фотодиоды InGaAs имеют спектральную чувствительность в диапазоне от 600 нм до 2600 нм для приложений, требующих низкого темнового тока, высокой скорости и чувствительности, таких как волоконная оптика и оптическая связь, обнаружение излучателей SWIR. Кроме того, PIN-фотодиоды InGaAs от Marktech не требуют встроенных термоэлектрических (ТЭ) охладителей, что снижает затраты и повышает общую эффективность.

Мультиспектральные широкополосные фотодиоды (MB PD)

Широкополосный фотодиод Marktech Optoelectronics обеспечивает мультиспектральную чувствительность, способную обнаруживать волны в диапазоне от УФ до SWIR (от 250 до 2600 нм). Широкополосные фотодиоды Marktech сочетают в себе кремниевый фотодиод с улучшенным обнаружением ультрафиолетового излучения и фотодиод InGaAs. Широкополосный фотоприемник выпускается в металлическом корпусе ТО-39 (MT03-041) и керамическом корпусе на ПАВ (MT03-047). Фотодетекторы Marktech от УФ до SWIR находят применение в медицинской диагностике, промышленных датчиках, оптических коммуникациях и в сфере безопасности.

Фотодетекторы на заказ в соответствии со спецификациями OEM

Marktech обладает обширными возможностями для разработки и производства фотодетекторов на заказ в соответствии со спецификациями OEM от прототипа до серийного производства. Ассортимент продукции Marktech для проектирования и производства фотодетекторов на заказ включает:

Кремниевые фотодиоды на заказ (пластины, кристаллы и упакованные SiPD)
- Кремниевые фотоэлектрические фотодиоды на заказ
- Кремниевые фотопроводящие фотодиоды на заказ
- Пользовательские кремниевые лавины фотодиоды
Custom Ingaas Photodiodes
Custom Silicon и Photodiode Mraws
Фотодиоды в сочетании с термоэлектрическими охладителями (ТЭО)
Фотодиоды в сочетании со светодиодными излучателями
Несколько фотодиодов с различными спектральными диапазонами

Индивидуальные сборки фотодетекторов (платы, гибкие схемы и т. д.)

Новейшее производственное предприятие Marktech в Сими-Вэлли, Калифорния, производит наши передовые SiPD. Калифорнийский завод имеет чистое помещение класса 100 и современные упаковочные и сборочные линии.

Marktech имеет современную лабораторию оптоэлектроники для проверки и проверки качества детекторов и излучателей. Marktech регулярно использует эту возможность, чтобы помочь клиентам в устранении неполадок с конкурирующими SiPD и разработке спецификаций требований OEM.

Кроме того, Marktech Optoelectronics может собирать бесконечные комбинации нескольких излучателей УФ, видимого, ближнего и коротковолнового ИК-диапазонов или светодиодных фотодиодных детекторов в одном корпусе. Уникальные комбинации светодиодных источников света и фотодиодных детекторов играют важную роль в разработке датчиков и инструментов для обнаружения и количественного определения конкретных химических веществ, растворенных газов и других биомаркеров в технологических установках, клинической химии, носимых медицинских устройствах, анализе газов крови и диагностике в местах оказания медицинской помощи.

Проконсультируйтесь с нами сегодня о вашем дизайн-проекте

Marktech Optoelectronics имеет вертикально интегрированные возможности для индивидуального проектирования и изготовления кремниевых фотодетекторов и матричных кремниевых фотодиодных устройств на пластинах, а затем нарезает и упаковывает эти фотодиодные чипы с любыми необходимыми эмиттерами, усилителями, фильтрами. и компоненты для конкретных приложений. Эта вертикальная интеграция позволяет Marktech точно контролировать производительность и качество фотодетекторов и сборок, разработанных и изготовленных для наших клиентов.

Нестандартная кремниево-кремниевая квадрантная фотодиодная матрица, изготовленная на заводе Marktech в Сими-Вэлли, Калифорния.

Использование усовершенствованных кремниевых фотодетекторов Marktech Optoelectronics в новых разрабатываемых продуктах, вероятно, приведет к революционным разработкам во многих аналитических приборах, медицинской диагностике и промышленных датчиках.

Если у вас есть конкретные технические вопросы или вопросы по применению, касающиеся вашего проекта по разработке оптоэлектроники, или вы просто хотите узнать больше о кремниевых фотодиодах Marktech, свяжитесь с нами по следующему адресу:

Свяжитесь с нашими инженерами по применению: [email protected]
Форма запроса информации (RFI) или запроса предложения (RFQ): Свяжитесь с нами
Для крупных проектов по разработке фотодиодов свяжитесь напрямую с нашим заводом в США:
Barry Jones, Business Менеджер подразделения [email protected]

Кремниевые фотодиоды, которые размножаются | Nature Electronics

Новости и просмотры
Опубликовано: 23 августа 2022 г.

ВНУТРЕННИЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ

Ян Чай ORCID: orcid.org/0000-0002-8943-0861 ¹

Природная электроника том 5 , страницы 483–484 (2022)Процитировать эту статью

745 доступов
3 Альтметрика
Сведения о показателях

Предметы

Электротехника и электроника
Электронные устройства

Двухзатворные фотодиоды на основе кремния с электростатическим управлением фототоками можно использовать для создания систем обработки изображений, которые могут обрабатывать поступающие визуальные данные.

Обработка изображений с помощью искусственного интеллекта используется в ряде приложений от распознавания лиц и аутентификации до автономных транспортных средств и промышленного производства ^1,2,3 . Для большинства алгоритмов машинного обучения требуется высокопроизводительное оборудование для таких приложений, интенсивно использующих данные, а локальные данные с сенсорных терминалов обычно передаются в сложные вычислительные блоки или «облако» для необходимой обработки. Это перемещение данных между датчиками изображения, памятью и блоками обработки значительно увеличивает энергопотребление и задержку, создавая проблемы в узлах камер с ограниченным энергопотреблением и широко рассредоточенных узлах камер и других системах Интернета вещей (IoT). Таким образом, необходимы новые вычислительные подходы, которые могут сократить передачу данных, эффективно обрабатывать информацию об изображении внутри датчиков и выполнять алгоритмы машинного обучения.

Это предварительный просмотр содержимого подписки, доступ через ваше учреждение

Варианты доступа

Подписаться на журнал

Получить полный доступ к журналу на 1 год

118,99 €

всего 9,92 € за выпуск

Расчет налогов будет завершен во время оформления заказа.

Купить статью

Получите ограниченный по времени или полный доступ к статье на ReadCube.

$32,00

Купить

Все цены указаны без учета стоимости.

Рис. 1: Характеристики отклика датчиков для вычислений внутри датчиков.

Ссылки

Mead, C. Proc. IEEE 78 , 1629–1636 (1990).
Артикул Google ученый
Кьюма, К. и др. Природа 372 , 197–198 (1994).
Артикул Google ученый
Mennel, L. et al. Природа 579 , 62–66 (2020).
Артикул Google ученый
Чай, Ю. Природа 579 , 32–33 (2020).
Артикул Google ученый
«>
Чжоу Ф. и Чай Ю. Нац. Электрон. 3 , 664–671 (2020).
Артикул Google ученый
Jang, H. et al. Нац. Электрон. https://doi.org/10.1038/s41928-022-00819-6 (2022).
Артикул Google ученый
Чжоу Ф. и др. Нац. нанотехнологии. 14 , 776–782 (2019).
Артикул Google ученый
Ляо, Ф. и др. Нац. Электрон. 5 , 84–91 (2022).
Артикул Google ученый
Юн, Дж. и др. Нац. коммун. 9 , 417 (2018).
Артикул Google ученый
Кумар, М., Ким, Х.С. и Ким, Дж. Adv. Матер. 31 , 1
1 (2019).
Артикул Google ученый

Ссылки на скачивание

Информация об авторе

Авторы и организации

Кафедра прикладной физики Гонконгского политехнического университета, Коулун, Гонконг, КНР
Ян Чай

Авторы

Ян Чай
Посмотреть автора этого автора можно также в публикациях
3 90 PubMed Google Scholar

Автор, ответственный за корреспонденцию

Ян Чай.

Декларации этики

Конкурирующие интересы

Автор заявляет об отсутствии конкурирующих интересов.

Права и разрешения

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

фотодиодов, поясняется энциклопедией RP Photonics; фотоприемники, p-i-n, InGaAs, кремний, германий, PIN, полоса пропускания, линейность, усилитель тока

«> Главная	Викторина	Руководство покупателя
Поиск	Категории	Глоссарий	Реклама

Прожектор фотоники

«> Учебники

Показать статьи A-Z

Примечание: поле поиска по ключевому слову статьи и некоторые другие функции сайта требуют Javascript, который, однако, отключен в вашем браузере.

можно найти в Руководстве покупателя RP Photonics. Среди них:

Дополнительные сведения о поставщике см. в конце этой энциклопедической статьи или посетите наш

Список поставщиков
фотодиодов

Вас еще нет в списке? Получите вход!

Используя наш рекламный пакет, вы можете разместить свой логотип и далее под описанием вашего продукта.

Фотодиоды — это часто используемые фотодетекторы, которые в значительной степени заменили использовавшиеся ранее вакуумные фотоэлементы. Это полупроводниковые устройства, которые содержат p-n-переход и часто собственный (нелегированный) слой между n- и p-слоями. Устройства с внутренним слоем называются p–i–n или PIN-фотодиоды . Свет, поглощаемый в обедненной или собственной области, генерирует электронно-дырочные пары, большинство из которых вносят вклад в фототок. Фототок может быть точно пропорционален интенсивности поглощенного (или падающего) света в широком диапазоне оптических сил.

Фигура 1: Схематический рисунок p–i–n фотодиода. Зеленый слой — это антибликовое покрытие.

На рис. 1 схематично представлена типовая конструкция фотодиода p–i–n типа. Здесь имеется собственная область между n-легированной и p-областью, где генерируется большая часть электрических носителей. Через электрические контакты (анод и катод) можно получить генерируемый фототок. Анод может иметь форму кольца, так что свет может инжектироваться через отверстие. Большую активную площадь можно получить с помощью соответственно большого кольца, но это приводит к увеличению емкости, тем самым уменьшая полосу обнаружения и увеличивая темновой ток; кроме того, эффективность может упасть, если носители генерируются слишком далеко от электродов.

Для высокой чувствительности фотодиода необходимо иметь материал с сильным поглощением для интересующей оптической длины волны. При использовании более толстого слоя для получения эффективного поглощения можно потерять много генерируемых носителей и, следовательно, все равно существенно не улучшить чувствительность.

Некоторые фотодиоды доступны в виде фотодиодных матриц одномерного или двумерного типа. Двумерные массивы детекторов, т.е. для использования в качестве датчиков изображения, могут быть реализованы с фотодиодами или с другими типами фотодетекторов.

Для существенного увеличения чувствительности можно использовать либо лавинные фотодиоды (см. ниже), либо фототранзисторы; они основаны на совершенно разных принципах работы.

Режимы работы фотодиодов

Фотодиоды могут работать в двух очень разных режимах:

Фотогальванический режим : как и солнечный элемент, освещенный фотодиод генерирует напряжение, которое можно измерить. Однако зависимость этого напряжения от мощности света носит нелинейный характер (см. рис. 2), а динамический диапазон довольно мал. Также не достигается максимальная скорость.

Рисунок 2: Вольт-амперные характеристики фотодиода в фотовольтаическом режиме для различных нагрузочных резисторов. Рисунок 3: Простая электронная схема фотоприемника на основе фотодиода.

Фотопроводящий режим : здесь к диоду прикладывается обратное напряжение (т. е. напряжение в направлении, в котором диод не проводит ток без падающего света) и измеряется результирующий фототок. Самое простое решение для этого режима обратного смещения основано на источнике напряжения и нагрузочном резисторе, как показано на рисунке 3. Зависимость фототока от мощности света может быть очень линейной на шести и более порядках величины мощности света, т.е. в диапазоне от нескольких нановатт до десятков милливатт для кремниевого фотодиода p–i–n с активной площадью несколько мм ² . Величина обратного напряжения почти не влияет на фототок и оказывает некоторое влияние на (обычно небольшой) темновой ток (получаемый без света). Более высокое обратное напряжение имеет тенденцию к более быстрому отклику, но также увеличивает нагрев устройства, что может быть проблемой для высоких фототоков.

Рис. 4: Вольт-амперные характеристики фотодиода для различных оптических мощностей. В фотогальваническом режиме (см. строку для нагрузочного резистора 1 кОм) отклик нелинейный. В фотопроводящем режиме, показанном здесь для простой схемы с обратным смещением, подаваемым через нагрузочный резистор, достигается очень линейная характеристика. То же самое верно для постоянного обратного смещения (не показано).

Даже при использовании в фотопроводящем режиме фотодиоды обычно не понимаются как фотопроводящие детекторы, принцип работы которых существенно отличается.

Простые схемы фотодиодов приводят к ограничению полосы пропускания RC, что приводит к компромиссу между полосой пропускания и чувствительностью.

В простой схеме согласно рис. 3 величина напряжения смещения падает с ростом фототока из-за падения напряжения на нагрузочном резисторе. Хотя это мало влияет на линейность, это приводит к зарядке или разрядке емкости фотодиода всякий раз, когда изменяется интенсивность падающего света, так что полоса обнаружения уменьшается; он может стать ограниченным по RC. Это приводит к компромиссу между полосой пропускания обнаружения и чувствительностью: для широкой полосы требуется небольшой нагрузочный резистор, что приводит к низкой чувствительности, а также к более высокой мощности, эквивалентной шуму, которая часто ограничивается тепловым шумом (шумом Джонсона) нагрузки. резистор.

Чтобы избежать этого компромисса, часто используется усилитель тока (также называемый трансимпедансным усилителем ). Такой усилитель, который обычно реализуется с помощью операционного усилителя (операционного усилителя), поддерживает напряжение на диоде почти постоянным (например, около нуля или при некотором, возможно, регулируемом обратном смещении), так что емкость фотодиода теряет большую часть своего значения. . Изменения остаточного напряжения на фотодиоде обратно пропорциональны коэффициенту усиления используемого операционного усилителя. Тем не менее, желательно минимизировать входную емкость, когда требуется высокая полоса обнаружения; например, лучше напрямую подключить фотодиод к усилителю тока, чем использовать длинное кабельное соединение.

Усилители тока, которые также доступны в качестве OEM-устройств, также могут иметь очень хорошие шумовые характеристики. Соответствующим значением является входной ток, эквивалентный шуму, который может быть значительно ниже 1 пА/Гц ^1/2 .

Имеющиеся в продаже лабораторные усилители тока помогают сделать измерения мощности очень гибкими, обеспечивая множество различных настроек чувствительности и, следовательно, огромный динамический диапазон с низким уровнем шума, а также, возможно, встроенный дисплей, регулируемое напряжение смещения и смещение сигнала, регулируемое фильтры и т.д.

Полупроводниковые материалы

Некоторые фотодиодные материалы и их типичные характеристики:

кремний (Si): низкий темновой ток, высокая скорость, хорошая чувствительность примерно от 400 до 1000 нм (лучше всего около 800–900 нм)
германий (Ge): высокий темновой ток, медленная скорость из-за большой паразитной емкости, хорошая чувствительность в диапазоне примерно от 900 до 1600 нм (лучше всего в диапазоне 1400–1500 нм)
арсенид-фосфид индия-галлия (InGaAsP): дорогой, низкий темновой ток, высокая скорость, хорошая чувствительность примерно от 1000 до 1350 нм (лучше всего около 1100–1300 нм)
арсенид индия-галлия (InGaAs): дорогой (особенно для больших активных площадей), низкий темновой ток, высокая скорость, хорошая чувствительность примерно от 900 до 1700 нм (лучше всего около 1300–1600 нм)

Указанные диапазоны длин волн иногда могут существенно превышать модели с расширенным спектральным откликом.

Ключевые свойства фотодиодов

Наиболее важными свойствами фотодиодов являются:

чувствительность, т. е. фототок на единицу оптической мощности – связан с квантовой эффективностью, зависит от длины волны
активная область, т. е. светочувствительная область
напряжение пробоя, устанавливающее предел полезного напряжения смещения
максимально допустимый фототок (обычно ограничивается насыщением, возможно ниже при высоких напряжениях смещения)
темновой ток (в фотопроводящем режиме, зависит от напряжения смещения, важен для обнаружения низких уровней освещенности)
скорость, т.е. полоса пропускания (см. ниже), связанная со временем нарастания и спада, часто зависит от электрической емкости

Могут представлять интерес дополнительные количества:

Обычно довольно высокое сопротивление шунта способствует небольшому току при подаче напряжения смещения. Он также вносит некоторый ток теплового шума, который в некоторых случаях ограничивает чувствительность.
Обычно небольшое последовательное сопротивление вызывает дополнительное падение напряжения, пропорциональное фототоку, а также может в некоторой степени способствовать шуму обнаружения.

Полоса пропускания

Что ограничивает скорость фотодиода?

Скорость (полоса пропускания) фотодиода обычно ограничивается либо электрическими параметрами (емкость и внешний резистор), либо внутренними эффектами, такими как время прохождения носителя в области обеднения. (В некоторых случаях относительно медленная диффузия носителей, генерируемых за пределами обедненной области, ограничивает полосу пропускания.) Самые высокие полосы пропускания в десятки гигагерц обычно достигаются с небольшими активными площадями (диаметр значительно меньше 1 мм) и небольшими объемами поглощения. Такие небольшие активные площади по-прежнему практичны, особенно для устройств с оптоволоконной связью, но они ограничивают достижимые фототоки порядка 1 мА или меньше, что соответствует оптической мощности ≈ 2 мВт или меньше. На самом деле желательны более высокие фототоки для подавления дробового шума и теплового шума. (Более высокие фототоки увеличивают дробовой шум в абсолютном выражении, но уменьшают его относительно сигнала.) Большие активные области (диаметром до 1 см) позволяют работать с большими лучами и гораздо более высокими фототоками, но за счет меньшей скорости.

Сочетание широкой полосы пропускания (десятки гигагерц) и больших фототоков (десятки миллиампер) достигается в фотоприемниках с согласованными скоростями, содержащих несколько фотоприемников малой площади, слабо связанных с оптическим волноводом и выводящих свои фототоки в общий Структура радиочастотного волновода.

Квантовая эффективность

Квантовая эффективность фотодиода — это доля падающих (или поглощенных) фотонов, которые вносят вклад в фототок. Для фотодиодов без лавинного эффекта она напрямую связана с чувствительностью S : фототок равен

с квантовой эффективностью η, зарядом электрона e и энергией фотона hν . Квантовая эффективность фотодиода может быть очень высокой — в некоторых случаях более 95% — но значительно зависит от длины волны. Помимо высокой внутренней эффективности, высокая квантовая эффективность требует подавления отражений, т.е. с антибликовым покрытием.

Калькулятор для фотодиодов

Центральная длина волны:
Квантовая эффективность:				расчет
Оптическая сила:				расчет
Фототок:				расчет

Внимание: Кнопки не работают, так как в вашем браузере отключен Javascript!

Более высокая чувствительность (хотя иногда за счет более низкой квантовой эффективности) может быть достигнута с помощью лавинных фотодиодов. Они работают с относительно высоким напряжением обратного смещения, так что могут генерироваться вторичные электроны (как в фотоумножителях). Лавинный процесс увеличивает чувствительность, так что влияние шума последующих электронных усилителей сводится к минимуму, тогда как квантовый шум становится более важным, а также вводится шум умножения.

Дополнительные свойства

В некоторых случаях необходимо соблюдать дополнительные свойства фотодиодов, такие как линейность отклика в широком динамическом диапазоне, пространственная однородность отклика или форма динамического отклика (например, оптимизированная для временной области или частотная область) или шумовые характеристики.

Шумовые характеристики фотодиодов могут быть очень хорошими. При больших фототоках он может быть ограничен дробовым шумом, хотя тепловые шумы в электронике часто сильнее. Для обнаружения очень низких уровней освещенности (например, для подсчета фотонов) также может играть роль темновой ток.

Электроника, используемая в фотодетекторе на основе фотодиода, может сильно влиять на производительность с точки зрения скорости, линейности и шума. Как упоминалось выше, усилители тока (трансимпедансные усилители) часто являются хорошим выбором.

Быстродействующие фотодиоды

Для особенно высокой полосы обнаружения в гигагерцовом диапазоне используются усовершенствованные конструкции фотодиодов. Например, некоторые устройства содержат оптический резонатор вокруг тонкой поглощающей секции. Таким образом, можно добиться эффективного поглощения и, следовательно, высокой квантовой эффективности, несмотря на довольно малую толщину собственной области, выбранную для уменьшения времени дрейфа.

Так называемые волноводные фотодиоды содержат оптический волновод, который удерживает свет на его пути через поглощающую область. Тогда эта область снова может быть очень тонкой, и, тем не менее, можно получить эффективное поглощение на короткой длине. Минимизируя длину активной области, можно также минимизировать электрическую емкость и достичь очень широкой полосы пропускания.

В некоторых случаях конструкция электрода выполнена так, что она образует электрический волновод, в котором электрическая волна может распространяться параллельно оптической волне в оптическом волноводе. Таких 9Фотодиоды бегущей волны 0405 могут достигать полосы пропускания значительно выше 100 ГГц.

Некоторые полупроводниковые материалы по своей природе лучше других подходят для быстрых фотодиодов. Например, арсенид индия-галлия (InGaAs) особенно подходит, потому что этот материал с прямой запрещенной зоной (в отличие, например, от кремния) имеет довольно короткую длину поглощения, что позволяет реализовать очень тонкие поглощающие слои, в которых фотоносители могут быть быстро собрал. Для быстрых лавинных фотодиодов важно также низкое отношение коэффициентов ударной ионизации для дырок и электронов.

Сэндвич-детекторы

Существуют так называемые сэндвич-детекторы или двухцветные фотодиоды , состоящие из двух (или более) фотодиодов в последовательности. Верхний фотодиод изготовлен из материалов с наибольшей шириной запрещенной зоны и поглощает коротковолновый свет, пропуская большую часть света с более длинными волнами, который не может быть поглощен. Затем этот переданный свет попадает на следующий фотодиод. Отношение мощностей, регистрируемых фотодиодами, зависит от длины волны.

Тот же принцип можно применить и к фотодиодам, изготовленным из того же материала, поскольку при более длинных волнах (ближе к запрещенной зоне) верхний фотодиод не будет поглощать весь свет. Снова получается зависящее от длины волны соотношение сигналов от двух фотодиодов.

Сэндвич-детекторы могут использоваться для дистанционного измерения температуры, например, когда используется соотношение сигналов от двух фотодиодов: чем выше температура, тем выше относительное количество излучения на более коротких длинах волн.

Многосегментные фотодиоды и фотодиодные матрицы

Фотодиоды

выпускаются не только в виде односегментных детекторов. Существуют двойные и квадрантные фотодиоды, которые можно использовать для точного измерения, а также одномерные и двумерные матрицы фотодиодов. Подробнее читайте в статье о позиционно-чувствительных детекторах.

В корпус лазерного диода иногда встраивают фотодиод. Он может обнаруживать некоторое количество света, проходящего через сильно отражающую заднюю грань, мощность которого пропорциональна выходной мощности. Полученный сигнал можно использовать, например, для стабилизации выходной мощности или для обнаружения деградации устройства.

Поставщики

В Руководстве покупателя RP Photonics указаны 65 поставщиков фотодиодов. Среди них:

Gentec Electro-Optics

Gentec Electro-Optics предлагает широкий ассортимент детекторов мощности на кремниевых или германиевых фотодиодах мощностью до 750 мВт.

CSRayzer Optical Technology

CSRayzer предлагает различные типы фотодиодов, используемых в высокоскоростном обнаружении сверхнизкой освещенности и лазерном дальномере, LIDAR и связи в открытом космосе.

Menlo Systems

Menlo Systems предлагает серию фотодетекторов для сигналов самого низкого уровня освещенности. От лавинных детекторов до PIN-фотодиодов — вы можете найти детектор, который лучше всего подходит для вашего конкретного приложения.

ALPHALAS

Сверхбыстрые фотодетекторы ALPHALAS для измерения оптических сигналов с временем нарастания от 10 пс и полным спектральным охватом от 170 до 2600 нм (от ВУФ до ИК) имеют полосу пропускания от постоянного тока до 30 ГГц. Конфигурации включают варианты со свободным пространством, оптоволоконным разъемом или SM-оптоволокном с косичками и имеют компактный металлический корпус для помехоустойчивости. Версии кремниевых фотодиодов с расширенным УФ-излучением являются единственными коммерческими продуктами, которые охватывают спектральный диапазон от 170 до 1100 нм со временем нарастания <50 пс. Для максимальной гибкости большинство моделей не имеют внутренней заделки. Внешняя оконечная нагрузка 50 Ом поддерживает работу на самых высоких скоростях, а нагрузка с высоким импедансом генерирует сигналы большой амплитуды. Приложения включают измерение формы и длительности импульса, мониторинг биений моды и гетеродинные измерения. Балансные фотодиоды дополняют большой выбор из более чем 70 уникальных моделей.

AMS Technologies

AMS Technologies предлагает исключительно широкий ассортимент фотодиодов (ФД) на основе различных материалов, охлаждаемых или неохлаждаемых, с отдельными устройствами, а также фотодиодными матрицами или сборками:

кремниевые фотодиоды: ФД общего назначения, APD, высокоскоростные, быстродействующие или варианты с повышенной чувствительностью по длине волны, двух- и четырехсторонние устройства, многоэлементные PD и матрицы, сборки PD с фильтрами, TIA или несколько (сэндвич) PD
Фотодиоды InGaAs: ФД общего назначения, ПИН, ЛФД, большая активная площадь, сегментированные или с обратной засветкой, массивы ФД, сборки ФД, включая гибриды ФД-усилитель, оптические приемники mini-DIL или пигтейлы
Матрицы фотодиодов GaAs, ФД GaAs/ гибриды усилителей
устройства на основе HgCdTe, PbS или PbSe
микросхемы ФД на основе Si, InGaAs, GaP и AlGaAs

Вопросы и комментарии от пользователей

Здесь вы можете задать вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о принятии на основе определенных критериев. По существу, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы удалили его в ближайшее время. (См. также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личную обратную связь или консультацию от автора, свяжитесь с ним, например. по электронной почте.

Ваш вопрос или комментарий:

Проверка на спам:

(Пожалуйста, введите сумму тринадцати и трех в виде цифр!)

Отправляя информацию, вы даете свое согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами. (Если вы позже отзовете свое согласие, мы удалим эти материалы.) Поскольку ваши материалы сначала просматриваются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

См. также: фотодиоды p–i–n, матрицы фотодиодов, позиционно-чувствительные детекторы, фотодетекторы, фототранзисторы, фотодетекторы с согласованием скоростей, лавинные фотодиоды, фотодетекторы металл–полупроводник–металл, фототрубки, дробовой шум, полоса пропускания, The Photonics Spotlight 2006 -10-16
и другие статьи в категориях фотонные устройства, обнаружение и характеристика света, оптоэлектроника, оптическая метрология

Автором этой энциклопедии является доктор Рюдигер Пашотта, основатель и исполнительный директор RP Photonics AG.