Pin фотодиоды. Pin-фотодиоды: особенности конструкции и принцип работы

Принцип работы pin-фотодиода:

1. Фотоны падающего излучения (hν) поглощаются преимущественно в i-области
2. Генерируются электронно-дырочные пары
3. Под действием электрического поля электроны движутся к n-области, а дырки — к p-области
4. Разделение зарядов создает фототок во внешней цепи

Широкий i-слой обеспечивает большую область поглощения излучения и уменьшает емкость перехода, что повышает быстродействие.

Основные характеристики pin-фотодиодов

Ключевые параметры pin-фотодиодов:

• Спектральная чувствительность — зависимость фототока от длины волны излучения
• Квантовая эффективность — отношение числа сгенерированных носителей к числу поглощенных фотонов
• Быстродействие — определяется временем пролета носителей через i-область
• Темновой ток — ток при отсутствии освещения
• Емкость перехода — влияет на быстродействие и шумовые характеристики

Какие типичные значения этих параметров у современных pin-фотодиодов?

• Квантовая эффективность: 60-90%
• Время нарастания: 20-500 пс
• Темновой ток: 1-100 нА
• Емкость перехода: 0.5-5 пФ

Области применения pin-фотодиодов

Pin-фотодиоды широко используются в различных областях техники благодаря своим преимуществам:

• Волоконно-оптические линии связи
• Оптические приемники для систем передачи данных
• Детекторы ионизирующих излучений
• Оптические датчики в промышленности
• Фотоприемные устройства в научном оборудовании
• Системы оптической локации

Особенно широко pin-фотодиоды применяются в высокоскоростных оптических системах связи благодаря сочетанию высокой чувствительности и малого времени отклика.

Сравнение pin-фотодиодов с другими типами фотоприемников

Как pin-фотодиоды соотносятся по характеристикам с другими типами фотоприемников? Рассмотрим сравнительную таблицу:

Как видно из таблицы, pin-фотодиоды обладают оптимальным сочетанием высокой чувствительности, быстродействия и низкого уровня шумов, что делает их универсальными фотоприемниками для многих применений.

Тенденции развития pin-фотодиодов

• Повышение квантовой эффективности
• Увеличение быстродействия
• Расширение спектрального диапазона
• Снижение темнового тока и шумов
• Улучшение температурной стабильности
• Миниатюризация и снижение стоимости

Одним из перспективных направлений является создание pin-фотодиодов на основе новых полупроводниковых материалов, таких как нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC), что позволяет расширить рабочий спектральный диапазон в ультрафиолетовую область.

Заключение

Pin-фотодиоды являются важным типом фотоприемников, сочетающим высокую чувствительность, быстродействие и низкий уровень шумов. Благодаря своей оптимизированной структуре с широкой i-областью, они обеспечивают улучшенные характеристики по сравнению с обычными p-n фотодиодами. Это делает pin-фотодиоды незаменимыми в таких областях, как волоконно-оптическая связь, оптические датчики и научное приборостроение. Дальнейшее совершенствование технологии pin-фотодиодов позволит расширить сферы их применения и улучшить параметры оптоэлектронных систем.

Telam — Фотодиоды и фотодиодные модули серии «ТФД»

Датчики и сенсоры онлайн журнал

Фотодиоды — это полупроводниковые оптические датчики. Это понятие включает в себя даже солнечные батареи. Однако в этом сайте вопросы преобразования мощности рассматриваться не будут. В упрощенном виде принцип действия фотодиодов можно описать следующим образом. При воздействии излучения соответствующей частоты на прямо смещенный р-n переход (в котором положительный вывод батареи подключен к зоне р), ток через фотодиод возрастет незначительно по сравнению с темновым током. Другими словами, ток смещения в этом случае будет намного превышать ток, генерируемый светом. При обратном смещении р-n перехода (рис. 14.3) ток возрастает очень сильно. Столкновение фотонов с поверхностью фотодиода приводит к образованию пар электрон-дырка на обоих концах перехода. Вольтамперную характеристику фотодиода можно описать выражением: Объединяя уравнения получим выражение: полностью описывающее работу фотодиода. Эффективность прямого преобразования оптической мощности в электрический сигнал всегда низкая. Обычно она лежит в пределах 5…10%, однако, в 1992 появилось сообщение о разработке фотоэлементов, обладающих эффективностью порядка 25%. Правда, при проектировании сенсоров фотоэлементы, как правило, не используются. Вместо этого для повышения эффективности фотодиодов между р и п зонами диода вводят дополнительный слой, обладающий высоким удельным сопротивлением (I-слой). Такие диоды называются PIN-фотодиодами (рис. 14.5). Глубина, на которую фотон может проникать внутрь фотодиода, определяется его длиной волны. От значения этой величины зависит спектральная характеристика детектора (рис. 14.2). Рис. 14.5. Структура PIN фотодиода, подсоединенного к преобразователю ток-напряжение В зависимости от назначения и конструкции все фотодиоды можно разделить на следующие подгруппы: 1. PN фотодиоды, На внешнюю поверхность этих диодов наносится слой из Si02 (рис. 14.6А). Такие фотодиоды обладают низким уровнем темнового тока. Для увеличения быстродействия диодов увеличивают обедненную зону, что позволяет снизить емкость перехода (рис. 14.6Б). Для улучшения чувствительности диодов к УФ излучению снижают толщину р-слоя. На рис. 14.6В отображен планар-ный диффузионный фотодиод имеющий низкую чувствительность к ИК излучению. Однако при уменьшении длины волны его чувствительность значительно возрастает; это объясняется тем, что толстый низкорезистивный слой п+ кремния передвигает границу пп+ слоя ближе к обедненной зоне. 2. PIN фотодиоды (рис. 14.6Г). Они являются улучшенной версией планар-ных диффузионных диодов с низкой емкостью. В них для увеличения быстродействия между р и п слоями формируется дополнительный /слой, обладающий высоким удельным сопротивлением. При обратном смещении перехода такие устройства работают даже лучше. PIN имеют низкий ток утечки и высокое напряжение пробоя. 3. фотодиоды Шотки (рис. 14.6Д). В них на n-слой напыляется тонкий слой золота, позволяющий реализовать барьер Шотки. Из-за маленького расстояния между внешней поверхностью и барьером чувствительность к УФ излучению таких диодов очень высокая. 4. Лавинные фотодиоды (рис. 14.6Е). Свое название эта группа диодов получила из-за следующего явления: Если к р-n переходу приложено обратное напряжение, в обедненной зоне возникает сильное поле Это поле заставляет фотоны двигаться с крупным ускорением, в результате чего их столкновение с атомами приводит к образованию вторичных носителей зарядов, которые также ускоряются и выбивают из атомов новые электроны и т. д. Благодаря такому лавинному процессу, ток через фотодиод значительно возрастает. Такие устройства работают как усилители, что делает их незаменимыми при детектировании очень низких уровней светового излучения. Рис. 14.6. Упрощенные структуры шести типов фотодиодов Рис. 14.7. Фотоэлектрический режим работы фотодиода: А — способ подключения диода к неин-вертирующему усилителю, Б — эквивалентная схема, В — нагрузочная характеристика. Существуют два основных режима работы фотодиодов: фотоэлектрический и фотопроводящий. В первом случае к фотодиоду не прикладывается никакого напряжения смещения. Это приводит к отсутствию темнового тока, поэтому здесь присутствует только тепловой шум. Такой режим дает возможность получить наи-учшую чувствительность при низких уровнях излучения. Однако из-за увеличения емкости перехода ухудшаются быстродействие диода и чувствительность к излучениям длинных длин волн. На рис. 14.7А отображено включение фотодиода для работы в фотоэлектрическом режиме. Здесь диод выполняет роль токового генератора, вырабатывающего ток / (рис. 14.7Б). Нагрузочный резистор Rb, стоящий на входе ОУ, определяет напряжение на выводах фотодиода и наклон нагрузочной характеристики (рис. 14.7В). В быстродействующих устройствах использование фотодиода в фотоэлектрическом режиме невозможно (из-за его большой емкости перехода С). При работе фотодиода с резистивной нагрузкой, как отображено на рис. 14.7А, его полоса пропускания ограничивается, в основном, внутренней емкостью С. Фотодиод, фактически, является источником тока, а резистор R, обладающий крупным сопротивлением, и емкость перехода шунтируют его. Значение емкости С в зависимости от площади фотодиода лежит в интервале 2…20000 пФ. Параллельно ей подключена входная емкость ОУ (на рисунке не отображена), поэтому общая емкость Сравна сумме двух емкостей. Сопротивлением диода, как правило, можно пренебречь, поскольку оно почти всегда гораздо ниже нагрузочного сопротивления Rb, поэтому RL*=Rb-Частотная характеристика схемы определяется ее входными цепями. Частота излома АЧХ и выходное напряжение определяются выражениями [4]: Из этих выражений видно, что при расчете такой схемы всегда приходится искать компромисс между коэффициентом усиления и полосой пропускания. Это связано, с тем увеличение Rb приводит, с одной стороны, к росту коэффициента усиления, а, с другой стороны, к уменьшению частоты/ Это противоречие возникает из-за того, что напряжение сигнала подается не только на резистивную нагрузку, но и на входную емкость С = С+Соу Поэтому желательно разработать такую схему включения фотодиода, в той напряжение поступало бы только на резистор и не заряжало бы емкости. Вариант такой схемы отображен на рис. 14.8А. По своей сути эта схема является линейным преобразователем тока в напряжение. ОУ при помощи резистора ОС RL преобразует ток диода в выходное напряжение. Конденсатор CL введен в схему для компенсации сдвига фаз. В идеальном усилителе напряжения на обоих входах ОУ должны иметь одинаковые значения, поэтому при таком включении инвертирующий вход иногда называется виртуальной землей. Таким образом, в этой схеме фотодиод работает при нулевом напряжении на его выводах, что позволяет предотвратить заряд конденсатора и улучшить линейность преобразователя. Поскольку наклон линии обратно пропорционален коэффициенту усиления А ОУ с разомкнутой ОС, нагрузочная линия должна виртуально совпадать с осью тока. Это проиллюстрировано на рис. 14.7Б. Рис. 14.8. Применение преобразователя тока в напряжение (А) и АЧХ двух схем включения фотодиодов (Б) Однако на практике из-за большого, но конечного значения коэффициента усиления ОУ на выводах диода появляется небольшое напряжение. Такая индуктивная нагрузка и емкость входной цепи образуют колебательный контур с резонансной частотой/ (рис. 14.8Б), наличие того может на определенных частотах привести к возникновению колебаний выходного сигнала (рис. 14.9) нестабильности работы схемы. Для повышения стабильности схемы в цепь ОС параллельно резистору ставят компенсационный конденсатор CL. Величина этого конденсатора определяется при помощи выражения: При использовании фотодиодов для детектирования низких уровней света необходимо внимательно рассчитывать шумовой порог. В фотодиодах основными являются два типа шумов: дробовой шум и шум Джонсона (см. раздел 5.9 главы 5). Также надо учитывать шумы ОУ и его навесных элементов. При работе фотодиода в фотопроводящем режиме на него подается обратное напряжение смещения. Это ведет к расширению обедненной зоны, снижению емкости перехода, уменьшению последовательного сопротивления, сокращению времени нарастания сигнала и формированию линейной зависимости фототока от интенсивности излучений в широком диапазоне измеряемых значений. При попадании электронов в зону проводимости, они начинают лететь в сторону положительного полюса батарей. Соответственно, созданный поток дырок направляется к отрицательному полюсу. Это означает появление в цепи фотодиода тока i . В темноте ток утечки не зависит от приложенного напряжения, а причиной его возникновения является тепловая генерация носителей зарядов. На рис. 14.4А отображена эквивалентная электрическая схема обратно смещенного фотодиода, состоящая из двух источников тока и цепи. Процесс оптического детектирования заключается в прямом преобразовании оптической энергии (в виде потока фотонов) в электрический сигнал (поток электронов). Если вероятность того, что фотон, обладающий энергией hv, выбьет с поверхности детектора электрон, средняя скорость формирования электронов определяется выражением. Рис. 14.3. Структура фотодиода где Р — оптическая мощность падающих лучей. При постоянной средней скорости формирования электронов вследствие воздействия на поверхность детектора потока фотонов, этот процесс носит случайный характер и подчиняется статистическому закону Пуассона. Поэтому вероятность образования т электронов в течение интервала измерения г находится при помощи формулы: Рис. 14.4. А — эквивалентная схема фотодиода, Б — его воль-тамперная характеристика Статистические соотношения используются для определения минимального уровня детектирования сигнала, а, значит, и для нахождения чувствительности датчика. Однако, рекомендуется отметить, что электрический ток пропорционален оптической мощности падающего на детектор излучения: где е — заряд электрона. Изменение входной мощности на АР (к примеру, из-за модуляции интенсивности в датчике) приводит к изменению выходного тока на А. Поскольку мощность пропорциональна квадрату тока, выходная электрическая мощность детектора связана с входной оптической мощностью квадратичной зависимостью, поэтому фотодиоды иногда называют квадратичными преобразователями. На рис. 14.4Б отображена вольтамперная характеристика типового фотодиода. Если к диоду при разомкнутой цепи подключить вольтметр, обладающий высоким входным импедансом, можно увидеть, что при увеличении оптической мощности, напряжение меняется по нелинейной (логарифмической) зависимости. При коротком замыкании цепи (V= 0), когда диод подключается к преобразователю ток-напряжение — ток связан с оптической мощностью линейной зависимостью. Поэтому частота излома АЧХ, на самом деле, определяется как: где А — коэффициент усиления ОУ с разомкнутой ОС. Очевидно, что в этой схеме частота излома АЧХ увеличичивается по сравнению с/, в А раз. рекомендуется отметить, что с ростом частоты коэффициент усиления А падает, а виртуальная нагрузка фотодиода становится индуктивной. Это происходит из-за фазового сдвига коэффициента усиления А. В большей части эффективного частотного диапазона усилителя коэффициенте имеет отставание по фазе, равное 90°. Когда усилитель инвертирует фазу на 180°, фазовое отставание коэффициента А превращается в опережение на 90°, что характерно для индуктивного импеданса. Однако при увеличении обратного смещения возрастает темновой ток, что ведет к усилению дробового шума. На рис. 14.10А отображена схема включения фотодиода для работы в фотопроводящем режиме, а на рис. 14.10 Б приведена нагрузочная характеристика диода. Обратное смещение фотодиода сдвигает нагрузочную линию в третий квадрант, где линейность вольтам-перной характеристики выше, чем при работе в фотоэлектрическом режиме. Линия нагрузки пересекает ось напряжений в точке, соответствующей напряжению смещения Е, а ее наклон обратно пропорционален коэффициенту усиления ОУ Рис. 14.9. Выходной сигнал фотодиода без использования компенсационной цепи. Верхний предел полосы пропускания фотодиода в фотопроводящем режиме достигает сотен мегагерц, что сопровождается увеличением отношения сигнал/шум. Рис. 14.10. Фотопроводящий режим работы фотодиодов: А — схема, Б — нагрузочная характеристика .   Список тем   Назад   Вперед     Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями.

По вопросам размещения статей   пишите на email: [email protected]

PIN-фотодиод из арсенида галлия индия 1100-1650 нм

PIN-фотодиод из арсенида галлия-индия с коаксиальным волоконным выводом 3-10 Гбит/с, 1100-1650 нм

PIN-фотодиод из арсенида галлия-индия с коаксиальным волоконным выводом, скоростью передачи 3-10 Гбит/с и длиной волны 1100-1650 нм характеризуется минимальным потреблением энергии, низким темновым током, низкими обратными потерями, хорошей гибкостью, линейностью, компактным дизайном, небольшими размерами, высокой надежностью и долгим сроком службы. Он в основном применяется в приемниках для кабельного телевидения, приемниках оптического сигнала для аналоговых систем и детекторах уровня мощности.

(Чтобы получить более детальную информацию о продукте, пожалуйста, загрузите данный  PDF-файл.)

Будучи специализированным производителем оптоэлектронных устройств, компания Shengshi предлагает своим клиентам PIN-фотодиоды из арсенида галлия индия с коаксиальным волоконным выводом, драйверы для лазерных диодов, лазерные диоды DFB и CWDM и т. д.

Схожие названия  
PIN-фотодиод InGaAs | Чувствительный фотодиод | Фотодиод с малыми потерями

14.4.6 P-I-n-фотодиоды и лавинные фотодиоды

Фотодиоды – малоинерционные фотоприемники. Инерционность их зависит от емкости р-n-перехода, условий разделения электрон­но-дырочных пар и сопротивления нагрузки. В оптических линиях связи, системах воспроизведения звука с компакт-дисков и других устройствах требуются фотоприборы с высоким быстродействием (несколько наносекунд и менее). К фотоприборам, обладающим малой инерционностью, относятся p-i-n-фотодиоды и лавинные фотодиоды. В р-i-n-фотодиоде (рис. 14.25,a) на подложке n⁺ сформирован слаболеги­рованный i-слой и слой p⁺ толщиной до 0,3 мкм. При подаче обратного напряже­ния обедненным оказывается весь i-слой. В результате емкость пе­рехода уменьшается, расширяется область поглощения падающего излучения и повышается чувствительность прибора. Поглощаемое излучение в структуре затухает по экспоненте в зависимости от ко­эффициента поглощения и вызывает появление фотовозбужден­ных носителей. Электрическое поле обедненного слоя (напряжен­ность поля около 10³ В/см), ускоряет носители до скорости насыще­ния (около 10⁷ см/с). За пределами обедненного слоя носители двигаются диффузионно с относительно низкой скоростью (при­мерно 10⁴ см/с). За счет этого быстродействие несколько снижает­ся, поэтому необходимо сконцентрировать поглощение излучения в обедненном слое, что достигается особенностями структуры р-i-n-диода (слой p⁺ делают очень тонким, а слой i -– больше длины поглощения излучения).

В лавинном фотодиоде (рис. 14.25,б) излучение также поглоща­ется в обедненном слое. Эффективное лавинное размножение по­лучается при условии, что толщина обедненной области с участком сильного электрического поля превышает длину свободного пробе­га носителя.

Для создания ударной ионизации фотовозбужденными носите­лями рядом с р-n-переходом формируют область с высокой напря­женностью электрического поля (более 10⁵ В/см), в которой проис­ходит лавинное умножение носителей. Коэффициент умножения при напряжении, близком к напряжению пробоя, может достигать 1000. При напряжении 100… 150 В быстродействие лавинного фото­диода примерно равно 0,3 нс.

Лавинный фотодиод принципиально отличается от других спо­собностью усиливать фототок генерируемых неравновесных носи­телей, поэтому он используется в фотоприемниках для обнаруже­ния слабых оптических сигналов, сравнимых с шумами фотодиода.

14.4.7. Фототранзисторы

Биполярный фототранзистор является приемником излуче­ния и одновременно усилителем фототока. Чувствительность фототранзистора гораздо больше, чем у фотодиода, и может достигать сотен микроампер на люмен. Световой поток, который является входным сигналом для фототранзистора, направляют на область базы через специальное окно, сделанное в корпусе транзистора. Обычно биполярный фототранзистор включают по схеме с общим эмиттером с отключенной базой и резистором в цепи коллектора (рис. 14.26,а). Вольт-амперные характеристики фототранзистора со световым потоком а качестве параметра показаны на рис. 14.26,б. В соответствии с полярностью источников Е на рис. 14.26,а транзи­стор работает в нормальном активном режиме, т.е. эмиттерный пе­реход включен в прямом, а коллекторный – в обратном направле­нии. Под действием падающего света происходит генерация пар но­сителей заряда в базовой области. Электроны и дырки диффунди­руют к коллекторному переходу, поле которого разделяет их. Дырки идут из базы в коллектор и увеличивают ток коллектора, а электро­ны накапливаются в базе и компенсируют заряд неподвижных ионов примесей на границе эмиттерного перехода. Потенциальный барь­ер на границе перехода понижается, что приводит к увеличению инжекции носителей через эмиттерный переход. Соответственно уве­личивается количество неосновных носителей, прошедших базу и втянутых полем коллекторного перехода в коллектор. Ток инжекти­рованных носителей и соответствующий ему коллекторный ток во много раз больше, чем первоначальный фототек, образованный но­сителями, появившимися за счет генерации.

Из теории транзисторов известно, что коллекторный ток при = 0 (база отключена) в (+1) раз больше, чем [см. (5.18)]. В этом случае через транзистор идет сквозной коллекторный ток . Следовательно, ток фототранзистора при = 0 и об­ратном включении коллекторного перехода будет равен

=( + )

где – темновой ток фототранзистора; =Ф – световой ток фототранзистора; – интегральная фоточувствительность фото­транзистора, которая в раз больше, чем у фотодиода, при прочих равных условиях.

Следует заметить, что у фототранзистора можно дополнительно использовать вывод базы для электрического управления фототранзистором, например для компенсации посторонних внешних воздействий.

Ligitek | Фотодиод

Фотодио́д — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n-области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p и n находится слой нелегированного полупроводника i. p-n- и p-i-n-фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

Структурная схема фотодиода. 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Φ — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; RH — нагрузка.
Принцип работы:

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода Cp-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

фотогальванический — без внешнего напряжения
фотодиодный — с внешним обратным напряжением
Особенности:

простота технологии изготовления и структуры
сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия
малое сопротивление базы
малая инерционность
Параметры и характеристики фотодиодов
Параметры:

чувствительность
отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.
шумы
помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.
Характеристики:

вольт-амперная характеристика (ВАХ)
зависимость выходного напряжения от входного тока. 
спектральные характеристики
зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.
световые характеристики
зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.
постоянная времени
это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63 %) по отношению к установившемуся значению.
темновое сопротивление
сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

Фотодиод — Вики

Фотодио́д — приёмник оптического излучения^[1], который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой нелегированного полупроводника i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

Описание

Принцип работы:

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода C_p-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

• фотогальванический — без внешнего напряжения
• фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Особенности:

• простота технологии изготовления и структур
• сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия
• малое сопротивление базы
• малая инерционность

Параметры и характеристики фотодиодов

Параметры:

• чувствительность

  отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.

  Si,Φv=IΦΦv{\displaystyle S_{i,{\Phi _{v}}}={\frac {I_{\Phi }}{\Phi _{v}}}}; Si,Ev=IΦEv{\displaystyle S_{i,{E_{v}}}={\frac {I_{\Phi }}{E_{v}}}} — токовая чувствительность по световому потоку

  Su,Φe=UΦΦe{\displaystyle S_{u,{\Phi _{e}}}={\frac {U_{\Phi }}{\Phi _{e}}}}; Si,Ee=UΦEe{\displaystyle S_{i,{E_{e}}}={\frac {U_{\Phi }}{E_{e}}}} — вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку

• шумы

  помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Характеристики:

• вольт-амперная характеристика (ВАХ)

  зависимость выходного напряжения от входного тока. UΦ=f(IΦ){\displaystyle U_{\Phi }=f(I_{\Phi })}

• спектральные характеристики

  зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.

• световые характеристики

  зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.

• постоянная времени

  это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63 %) по отношению к установившемуся значению.

• темновое сопротивление

  сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

• инерционность

Классификация

• В p-i-n структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при U_обр≈0.1В p-i-n фотодиод имеет преимущество в быстродействии.

Достоинства:

1) есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области.

2) высокая чувствительность и быстродействие

3) малое рабочее напряжение U_раб

Недостатки:

сложность получения высокой чистоты i-области

• Фотодиод Шоттки (фотодиод с барьером Шоттки)

  Структура металл-полупроводник. {m}}}}

  Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:
  

  1) Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны:

  qλ=3Ig2{\displaystyle q\lambda ={\frac {3I_{g}}{2}}}
  

  2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега:
  

  W>>λ{\displaystyle W>>\lambda }
  

  Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M=10-100 в зависимости от типа фотодиодов.

• Фотодиод с гетероструктурой

  Гетеропереходом называют слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны. Один слой р+ играет роль «приёмного окна». Заряды генерируются в центральной области. За счет подбора полупроводников с различной шириной запрещённой зоны можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток — сложность изготовления.

Примечания

См. также

Шаблон:Электроника

TEFD4300 и TEFD4300F – высокоскоростные PIN фотодиоды от VISHAY

29 марта 2013

Компания Vishay Intertechnology расширила линейку оптоэлектронных устройств, представив новые высокоскоростные кремниевые PIN фотодиоды с высокой чувствительностью и малым временем переключения в двух вариантах пластиковых корпусов с линзой 3мм. Новые фотодиоды TEFD4300 и TEFD4300F позволяют получить большой обратный фототок – 17 мкА при угле половинной чувствительности ± 20°.

Новые приборы оптимизированы для применения в устройствах передачи данных, фотопрерывательных датчиках, оптических выключателях, энкодерах и различных датчиках положения в системах измерения. Специально для инфракрасного (ИК) и видимого источника излучения, фотодиод TEFD4300 выполнен в прозрачном корпусе с чувствительностью в диапазоне от 350 до 1120 нм. Версия TEFD4300F создана только для инфракрасного излучения в диапазоне волны от 770 до 1070 нм, для чего выполнена в непрозрачном черном корпусе с фильтром видимого спектра света.

Фотодиоды TEFD4300 и TEFD4300F имеют очень быстрое время переключения – всего 10 нс при низкой резистивной нагрузке, низкий температурный коэффициент фототока – всего 0.1%/К и максимальную чувствительность в области длины волны 950 нм. Диапазон рабочих температур новых фотодиодов составляет от -40 до +100°C. Новые фотодиоды соответствуют «зеленой» экологической характеристике компании Vishay.

Основные характеристики

• Быстрое время переключения 10 нс;
• Линзы диаметром 3 мм;
• Высокий обратный фототок от 17 мкА;
• Угол половинной чувствительности ± 20°;
• Диапазон рабочих температур от −40…100°C;
• Максимальная чувствительность на 950 нм;
• RoHS-совместимы;

Технические характеристики представлены в таблице:

Образцы TEFD4300 и TEFD4300F доступны со склада Компэл. Заказать образцы.

•••

Наши информационные каналы

О компании Vishay

VISHAY Компания Vishay Intertechnology Inc. (Vishay) основана в 1962 году в США выходцем из Литвы, инженером Феликсом Зандманом, переехавшим в Америку из Европы в 1952 году, и его родственником и компаньоном Альфредом Сланером.  На момент основания Vishay Зандман работал в компании Budd, где развивал собственную методику измерения деформаций – метод фотостресса, а также пробовал разрабатывать прецизионный фольговый резистор на стеклянной (а не керамической) основе. Последний не заинтересовал ру …читать далее

Поиск по параметрам

RP Photonics Encyclopedia — фотодиоды p-i-n, фотодиоды PIN

Энциклопедия> буква P> фотодиоды p – i – n

можно найти в Руководстве покупателя RP Photonics.

Вас еще нет в списке? Получите свою запись!

Обратитесь к RP Photonics за советом по фотодиодам, например оптимальный выбор фотодиода и электронного предусилителя.

Определение: фотодиоды с полупроводниковой p – i – n структурой

Альтернативный термин: фотодиоды PIN

Более общий термин: фотодиоды

Немецкий: PIN-Photodioden

Категория: фотонные устройства

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: Dr.Rüdiger Paschotta

Фотодиод p – i – n, также называемый фотодиодом PIN , представляет собой фотодиод с собственной (i) (т. Е. Нелегированной) областью между n- и p-легированными областями. Большая часть фотонов поглощается во внутренней области, и генерируемые в ней носители могут вносить эффективный вклад в фототок. На рисунке 1 электроды показаны черным цветом: катод представляет собой плоский электрод, а анод имеет форму кольца (две противоположные части которого видны на показанном поперечном сечении).Положительный полюс (обратного) напряжения смещения подключен к катоду. Поверх p-области имеется просветляющее покрытие.

Преимущества p – i – n конструкции

Обычные фотодиоды p – n могут иметь следующие проблемы:

• Ширина обедненной области может быть намного меньше длины поглощения, так что только некоторая часть генерируемых фотоносителей генерируется внутри обедненной области.Сбор носителей, генерируемых за пределами области обеднения, может быть ограничен, что приведет к снижению квантовой эффективности.
• Даже для тех носителей, которые генерируются за пределами обедненной области, которые в конечном итоге диффундируют в обедненную область и, таким образом, могут вносить вклад в фототок, такая диффузия занимает некоторое время; что приводит к появлению хвоста в функции импульсного отклика, что может ограничивать полосу пропускания обнаружения.

Эти проблемы можно смягчить или избежать с помощью конструкции фотодиода p – i – n.Там большинство носителей генерируется во внутренней области, потому что она может быть намного толще, чем обедненная область p − n-структуры. Еще одним эффектом толстой внутренней области может быть уменьшенная емкость, что позволяет увеличить полосу обнаружения.

Некоторые p – i – n-диоды изготовлены из различных полупроводниковых материалов, в которых энергия запрещенной зоны ниже энергии фотонов только для собственной области, но не для областей p и n. В этом случае можно избежать любого поглощения за пределами собственной области.

Самые быстрые фотодиоды p – i – n имеют полосу пропускания значительно выше 100 ГГц. Их активные области обычно имеют диаметр всего несколько микрон. Они часто изготавливаются в форме волоконно-оптических соединений и могут применяться, например, в приемниках волоконно-оптической связи; достигнутые скорости передачи данных могут достигать 160 Гбит / с.

Материалы для p – i – n фотодиодов

Некоторые p – i – n-диоды основаны на кремнии. Они чувствительны во всем видимом диапазоне спектра и в ближнем инфракрасном диапазоне до ≈ 1 мкм.На более длинных волнах эффективность поглощения и, следовательно, чувствительность резко падает, но параметры этого отсечки зависят от толщины собственной области.

Для более длинных волн до ≈ 1,7 мкм (или с расширенной спектральной характеристикой до 2,6 мкм) доступны p – i – n-диоды InGaAs, хотя и по значительно более высокой цене (особенно для больших активных областей). Небольшие фотодиоды InGaAs могут быть очень быстрыми.

Германиевые p – i – n-диоды могут быть более дешевой альтернативой InGaAs-диодам, но они имеют гораздо более медленную реакцию и гораздо больший темновой ток.

Вопросы и комментарии пользователей

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

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы скоро удалили его. (См. Также наше заявление о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личный отзыв или консультацию от автора, свяжитесь с ним e.грамм. по электронной почте.

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

См. Также: фотодиоды, фотодетекторы металл – полупроводник – металл
и другие товары в категории фотонные устройства

Код для ссылок на других сайтах

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем веб-сайте, в социальных сетях, дискуссионном форуме, Википедии), вы можете получить здесь требуемый код.

HTML-ссылка на эту статью:

   
 Статья о фотодиодах p & ndash; i & ndash; n  
 в  
 Энциклопедия фотоники RP   

С изображением для предварительного просмотра (см. Рамку чуть выше):

   
  alt = "article">   

Для Википедии, например в разделе «== Внешние ссылки ==»:

  * [https://www.rp-photonics.com/p_i_n_photodiodes.html 
 статья о фотодиодах в энциклопедии RP Photonics]  

PN и фотодиод с PIN-кодом »Электроника

PN и PIN — одна из популярных разновидностей фотодиодов. У них есть свои особенности, которые делают их очень подходящими для многих приложений.

Photo Diode Tutorial:
Фотодиодная технология Фотодиоды PN и PIN Лавинный фотодиод Фотодиод Шоттки Фотодиодные конструкции Теория фотодиода

Другие диоды: Типы диодов

Фотодиод PN и фотодиод PIN — два наиболее распространенных формата фотодиодов.

ПИН-фотодиод и PN-фотодиоды из-за своих характеристик широко используются в различных приложениях для обнаружения фотоизображений.

ПН фотодиод

Базовый фотодиод PN используется в ряде случаев. Фотодетектирование происходит в области истощения диода. Поскольку он относительно невелик, чувствительность не так велика, как у некоторых других типов фотодиодов.

Основы фотодиода с PIN-кодом

PIN-фотодиод обеспечивает дополнительную чувствительность и характеристики по сравнению с основным фотодиодом с PN-переходом.

Одним из ключевых требований к любому фотоприемнику является достаточно большая площадь, на которой световые фотоны могут собираться и преобразовываться. Это достигается за счет создания большой обедненной области — области, где происходит преобразование света — путем добавления внутренней области в PN-переход для создания PIN-перехода.

Одним из ключевых параметров конструкции фотодиода с PIN-кодом является разрешение свету проникать во внутреннюю область. Физическая конструкция фотодиода должна учитывать это, чтобы светосбор был оптимизирован.

Фотодиоды в целом, и в этом случае фотодиод с PIN-кодом будет по-разному реагировать на разные длины волн света. Обычно толщина верхней области или слоя p-типа является одним из ключевых параметров при определении чувствительности отклика.

ПИН-код фотодиодных приложений

PIN-фотодиод не имеет усиления, и для некоторых приложений это может быть недостатком. Несмотря на это, он по-прежнему остается наиболее широко используемой формой диодов, находящей применение в проигрывателях аудио компакт-дисков, DVD-приводах и т. Д.Кроме того, они используются в системах оптической связи.

PIN также используется в качестве детекторов ядерного излучения. Есть несколько видов ядерной радиации. Излучение может быть в форме заряженных или незаряженных частиц высокой энергии или также может быть электромагнитным излучением. Диод может обнаруживать все эти формы излучения. Электромагнитное излучение, формой которого является свет, генерирует пары дырка-электрон, как уже упоминалось. Частицы имеют точно такой же эффект.Однако, поскольку для генерации пары дырка-электрон требуется лишь небольшое количество энергии, одна высокоэнергетическая частица может генерировать несколько пар дырка-электрон.

Сравнение фотодиодов PN / PIN

Как фотодиоды PN, так и фотодиоды PIN можно приобрести у многих поставщиков. При проектировании схемы фотодетектора необходимо выбрать правильный тип фотодиода в зависимости от требуемых рабочих характеристик и характеристик:

Фотодиод PN:

• PN-фотодиод не требует обратного смещения и, как результат, больше подходит для приложений с низким освещением из-за улучшенных шумовых характеристик.

PIN фотодиод:

• Обратное смещение, необходимое для фотодиода с PIN-кодом, создает ток шума, который снижает отношение сигнал / шум
• Reveres bias обеспечивает лучшую производительность для приложений с большим динамическим диапазоном.
• Требуемое обратное смещение обеспечивает лучшую производительность для приложений с высокой пропускной способностью, поскольку емкость между областями P и N, а также накопитель заряда мала.

Таким образом, можно увидеть, что фотодиод PN и фотодиод PIN имеют разные характеристики, которые позволяют использовать их в разных приложениях.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты». . .

ОСНОВЫ ФОТОДИОДОВ — волновая электроника

Что такое фотодиод?

Фотодиод — это полупроводниковый прибор с P-N переходом, который преобразует фотоны (или свет) в электрический ток.В слое P много дырок (положительно), а в слое N — электронов (отрицательно). Фотодиоды могут быть изготовлены из различных материалов, включая, помимо прочего, кремний, германий и арсенид индия, галлия. Каждый материал обладает разными свойствами, обеспечивающими экономическую выгоду, повышенную чувствительность, диапазон длин волн, низкий уровень шума или даже скорость отклика.

На рисунке 1 показано поперечное сечение типичного фотодиода. Область обеднения образуется в результате диффузии электронов из слоя N в слой P и диффузии дырок из слоя P в слой N.Это создает область между двумя слоями, где отсутствуют свободные носители. Это создает встроенное напряжение для создания электрического поля в области истощения. Это позволяет току течь только в одном направлении (от анода к катоду). Фотодиод может быть смещен в прямом направлении, но генерируемый ток будет течь в противоположном направлении. Вот почему большинство фотодиодов имеют обратное смещение или вообще не смещены. Некоторые фотодиоды не могут быть смещены вперед без повреждения
.

Фотон может ударить атом внутри устройства и высвободить электрон, если у фотона достаточно энергии.Это создает пару электрон-дырка (e- и h +), где дырка — это просто «пустое пространство» для электрона. Если фотоны поглощаются слоями P или N, пары дырок электронов будут рекомбинированы в материалах в виде тепла, если они находятся на достаточно большом расстоянии (по крайней мере, на одну длину диффузии) от области обеднения. Фотоны, поглощенные в области истощения (или около нее), будут создавать пары электронных дырок, которые будут перемещаться к противоположным концам из-за электрического поля. Электроны будут двигаться к положительному потенциалу на катоде, а дырки будут двигаться к отрицательному потенциалу на аноде.Эти движущиеся носители заряда образуют ток (фототок) в фотодиоде. На рис. 1 показаны различные слои фотодиода (P-N переход), а также несколько точек подключения сверху и снизу.

Рисунок 1. Поперечное сечение фотодиода P-N

Область истощения создает емкость в фотодиоде, где границы области действуют как пластины конденсатора с параллельными пластинами. Емкость обратно пропорциональна ширине обедненной области.Напряжение обратного смещения также влияет на емкость области.

Ключевые рабочие характеристики

Есть четыре основных параметра, используемых при выборе правильного фотодиода, а также при выборе обратного смещения фотодиода.

• Отклик (скорость / время) фотодиода определяется емкостью P-N перехода. Это время, необходимое носителям заряда, чтобы пересечь P-N переход. На это напрямую влияет ширина обедненной области.
• Чувствительность — это отношение фототока, генерируемого падающим светом, к мощности падающего света. Обычно это выражается в единицах A / W (превышение тока над мощностью). Типичная кривая чувствительности фотодиода показывает зависимость A / W от длины волны. Это называется квантовой эффективностью.
• Темновой ток — это ток в фотодиоде при отсутствии падающего света. Это может быть одним из основных источников шума в фотодиодной системе. Фототок фонового излучения также может быть включен в это измерение.Фотодиоды обычно помещаются в корпус
  , который не позволяет свету попадать на фотодиод для измерения темнового тока. Поскольку ток, генерируемый фотодиодом, может быть очень небольшим, уровни темнового тока могут скрывать ток, создаваемый падающим светом при низких уровнях освещенности. Темновой ток увеличивается с температурой. Без смещения темновой ток может быть очень низким. Идеальный фотодиод не имел бы темнового тока.
• Напряжение пробоя — это наибольшее обратное напряжение, которое может быть приложено к фотодиоду до экспоненциального увеличения тока утечки или темнового тока.Фотодиоды должны работать ниже этого максимального приложенного обратного смещения, иначе может произойти повреждение фотодиода. Напряжение пробоя уменьшается с повышением температуры.

Другие важные параметры включают материал, размер фотодиода и активной области, а также стоимость. При поиске фотодиодов для исследования или приложения необходимо внимательно отнестись к этому вопросу. Фотодиоды, изготовленные из разных материалов (кремний, германий, фосфид арсенида галлия индия или арсенид галлия индия), имеют разные уровни чувствительности, а также разные скорости и темновой ток.Кремний, например, обеспечивает чувствительность для длин волн от ~ 400 до 1000 нм. Однако он имеет самую высокую чувствительность на более высоких длинах волн (~ 900 нм). Германий, с другой стороны, обеспечивает чувствительность для длин волн от ~ 800 до 1600 нм (с пиком ~ 1400 нм). Материал фотодиода имеет решающее значение при выборе подходящего фотодиода для включения в вашу систему лазерных диодов.

Типы фотодиодов

СОЕДИНЕНИЕ P-N

Это самый простой фотодиод.Физика работы фотодиода на P-N-переходе была рассмотрена ранее. Фотодиоды PIN и APD являются вариациями от P-N перехода.

Область истощения содержит несколько свободных носителей заряда, и шириной области истощения можно управлять, добавляя смещение напряжения.

Ток, проходящий через фотодиод, может течь только в одном направлении в зависимости от материалов, легированных P и N. При обратном смещении ток не будет проходить через фотодиод без падающего света, создающего фототок.

КОНТАКТНЫЙ ФОТОДИОД

PIN-фотодиод похож на P-N переход с одним существенным отличием. Вместо того, чтобы размещать слои P и N вместе для создания обедненной области, внутренний слой помещается между двумя легированными слоями. Этот слой показан на рис. 2 . Этот внутренний слой обладает высоким сопротивлением и увеличивает напряженность электрического поля в фотодиоде. У добавленного внутреннего слоя есть много преимуществ, поскольку область истощения значительно увеличивается.

Емкость перехода уменьшилась, поэтому скорость фотодиода увеличилась. Увеличенный слой также обеспечивает больший объем преобразования фотонов в электронно-дырочные и более высокую квантовую эффективность.

Рисунок 2. Поперечное сечение контактного фотодиода

PIN также обладают высокой частотной характеристикой. Основное преимущество PIN-фотодиода по сравнению с P-N переходом — это высокая скорость отклика от увеличенной области обеднения.

ФОТОДИОД ЛАВИНЫ

Лавинные фотодиоды (APD) используют ударную ионизацию (лавинный эффект) для создания внутреннего усиления материала. Для APD требуется высокое обратное смещение (близкое к обратному напряжению пробоя). Каждый фото-сгенерированный носитель создает больше пар и, таким образом, умножается на лавинный пробой. Это создает внутреннее усиление фотодиода, что, в свою очередь, увеличивает эффективную чувствительность (больший ток
, генерируемый на фотон). На рис. 3 показано поперечное сечение ЛФД.

Типичный диапазон спектрального отклика составляет около 300 — 1100 нм. Текущий шум в APD выше, чем в фотодиоде PIN, но усиление сигнала намного больше, что делает отношение сигнал / шум выше в APD. APD обычно имеют более высокую скорость отклика и способность обнаруживать или измерять свет на более низких уровнях.

Рисунок 3. Поперечное сечение APD

Режимы работы

РЕЖИМ «ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ» БЕЗ СЦЕНА

могут работать без смещения напряжения.APD предназначены для обратного смещения, поэтому этот раздел будет иметь отношение к фотодиодам P-N и PIN. Без добавления напряжения на переходе темновой ток может быть чрезвычайно низким (близким к нулю). Это снижает общий шумовой ток системы. Таким образом, несмещенные фотодиоды P-N или PIN лучше подходят для приложений с низким уровнем освещенности по сравнению с работой со смещением обратного напряжения. (ЛФД с обратным смещением по-прежнему обеспечивает более высокую чувствительность, чем фотодиоды P-N или PIN для приложений с низким освещением.) Несмещенные фотодиоды также могут хорошо работать для низкочастотных приложений (до 350 кГц). Несмещенный режим (где V = 0) можно увидеть на рисунке 4 между режимом прямого смещения (зеленый) и режимом обратного смещения (синий). График показывает очень слабый темновой ток, если он вообще отсутствует, без смещения, что можно увидеть по отсутствию тока на пересечении кривой ВАХ при V = 0.

Когда светится фотодиод, электрическое поле в обедненной области увеличивается. Это создает фототок, который увеличивается с увеличением потока фотонов.Это чаще всего наблюдается в солнечных элементах, где генерируемое напряжение измеряется между двумя клеммами.

По сравнению с режимом смещения, фотоэлектрический режим имеет меньшее изменение чувствительности фототока в зависимости от температуры.

Основным недостатком объективных фотодиодов является низкая скорость отклика. Без смещения к системе емкость фотодиода максимальна, что приводит к снижению скорости.

РЕЖИМ «ФОТОПРОВОДЯЩИЙ» ОБРАТНОЕ СМЕЩЕНИЕ

Когда фотодиод смещен в обратном направлении, на переход P-N подается внешнее напряжение.Отрицательный вывод подключается к положительному слою P, а положительный вывод подключается к отрицательному слою N. Это заставляет свободные электроны в слое N тянуться к положительному выводу, а дырки в слое P — к отрицательному выводу. Когда на фотодиод подается внешнее напряжение, свободные электроны начинаются с отрицательного вывода и сразу заполняют дырки в P-слое электронами. Это создает в атомах отрицательные ионы с дополнительными электронами.Затем заряженные атомы противодействуют потоку свободных электронов к P-слою. Точно так же дырки производят положительные ионы примерно так же, но в противоположном направлении. При обратном смещении ток будет течь только через фотодиод, а падающий свет будет создавать фототок.

Обратное смещение вызывает увеличение потенциала в области истощения и увеличение ширины области истощения. Это идеально подходит для создания большой площади для поглощения максимального количества фотонов.

Время отклика сокращается за счет обратного смещения за счет увеличения размера обедненного слоя. Эта увеличенная ширина уменьшает емкость перехода и увеличивает скорость дрейфа носителей в фотодиоде. Время доставки перевозчиков сокращается, улучшая время отклика.

К сожалению, увеличение тока смещения увеличивает темновой ток. Этот шум может быть проблемой для очень чувствительных систем, использующих фотодиоды P-N или PIN. Это мешает работе в условиях низкой освещенности.При использовании ЛФД отношение сигнал / шум будет большим независимо от коэффициента усиления фотодиода. Поскольку фотон идеально поглощается в обедненной области, слой P может быть очень тонким. Это можно сбалансировать с помощью обратного смещения, чтобы создать оптимальный фотодиод с более быстрым временем отклика при сохранении как можно более низкого уровня шума.

Еще одним преимуществом работы с обратным смещением является линейный выход (прямая линия в синей части на рис. 4 , ) фотодиода по отношению к освещению.Это просто означает, что напряжение и ток изменяются линейно (прямо пропорционально) с увеличением оптической мощности. Также можно увидеть нелинейность участка прямого смещения (зеленого цвета).

Рисунок 4 показывает участок обратного смещения (синий) с напряжением пробоя рядом с ним (красным). Фотодиоды не должны работать сверх напряжения пробоя. Это повредит фотодиод.

Рисунок 4. ВАХ фотодиодов. I ₀ — Темновой ток.I _P — фототок. P показывает ток при разных уровнях освещенности (P ₀ — отсутствие падающего света).

Интеграция с лазерным диодом

Контрольный фотодиод часто интегрируется в корпус лазерного диода производителем лазерного диода. Он производит ток, частично пропорциональный выходной оптической мощности лазерного диода. Если в качестве обратной связи используется ток фотодиода, система управления будет пытаться поддерживать постоянный ток фотодиода (и, следовательно, оптическую мощность лазерного диода).Выходной сигнал регулируемого источника тока будет изменяться, чтобы поддерживать уровень оптической мощности одинаковым (это называется режимом постоянной мощности (CP)). Ток фотодиода и выходная мощность лазерного диода связаны передаточной функцией, приведенной в техническом описании лазерного диода.

Фотодиоды могут не только контролировать выходную мощность постоянного или непрерывного излучения лазера, подавая ток обратно в лазерную систему, они также могут проверять форму лазерного импульса и регистрировать пиковую мощность лазерного импульса.

Информация в таблицах данных для фотодиодов включает четыре основных компонента, обсуждавшихся ранее, тип фотодиода, длины волн пиковой чувствительности и, самое главное, размер и стоимость.

Фотодиоды, которые уже встроены в систему лазерных диодов, могут иметь ограниченные возможности и информацию. В технических паспортах лазеров обычно указывается максимальное обратное напряжение, а иногда и чувствительность фотодиода.

Если характеристики фотодиода чрезвычайно важны для конструкции вашего лазера, для удовлетворения ваших потребностей могут потребоваться специальные сборки или сборки.

Сводка

Когда вы принимаете решение об обратном смещении вашего фотодиода или нет, все сводится к уравновешиванию скорости и шума и определению того, что является наиболее важным.Если ваше приложение зависит от чрезвычайно низкого уровня шума и низкого темнового тока, вам следует отказаться от смещения фотодиода. Если скорость является вашей главной заботой, вы должны выбрать обратное смещение вашего фотодиода, поскольку время отклика улучшается. Другими словами, если ваше приложение
основано на точности, фотоэлектрический режим лучше подойдет вам. Если ваше приложение основано на скорости (высокой), режим фотопроводимости или режим с обратным смещением лучше подходят для этой области.

Обратное смещение фотодиода будет намного более чувствительным, чем режим без смещения.При работе в фотоэлектрическом режиме может потребоваться усиление отклика.

Тип фотодиода также может повлиять на ваше решение о смещении. Некоторые типы фотодиодов могут иметь только обратное смещение, а другие могут иметь усиление отклика внутри системы. ЛФД будут эффективны в условиях низкой освещенности, когда чувствительность критична, но они дороги, фотодиоды P-N представляют собой самую простую конструкцию и не используются широко, а фотодиоды с PIN-кодом являются наиболее распространенными и самыми дешевыми фотодиодами с очень низким уровнем шума.Как обсуждалось ранее, материалы, размер и стоимость также влияют на тип фотодиода, необходимого для данного приложения. Таблица 1 показывает упрощенную диаграмму, сравнивающую три разных фотодиода.

Таблица 1. Сравнительная таблица

| Часто задаваемые вопросы

1. Каков срок службы кремниевых фотодиодов?
2. Меняется ли отзывчивость со временем?
3. Меняется ли темновой ток со временем?
4. Какой выходной сигнал у фотодиода?
5. Насколько линейен выходной фототок в режиме источника тока?
6. Тогда каков динамический диапазон кремниевых фотодиодов?
7. В чем разница между линейной матрицей MOS CCD и линейной матрицей фотодиодов?
8. Какое соответствие чувствительности от устройства к устройству?
9. Может ли OSI Optoelectronics предоставить фотодиоды с согласованной чувствительностью?
10. Внешняя часть активной области полностью нечувствительна к свету?
11. Как можно уменьшить поглощение света в неактивной области?
12. В чем разница между режимами фотопроводимости (ПК) и фотогальваники (PV)?
13. Какой режим (PV или ПК) я должен использовать для моего приложения?
14. Как сделать обратное смещение фотодиода?
15. Какое обратное смещение мне нужно применить?
16. Но как мне узнать, сколько смещения достаточно для работы в определенной полосе пропускания?
17. Что произойдет, если на фотодиод подано напряжение, превышающее указанное максимальное обратное смещение?
18. Это приводит к необратимому повреждению фотодиода?
19. Что произойдет, если фотодиод по ошибке смещен вперед?
20. Используется ли источник питания определенного типа для смещения фотодиода?
21. Почему для некоторых устройств предусмотрен темновой ток, а для других — шунтирующее сопротивление?

1. Каков срок службы кремниевых фотодиодов?
Фотоприемники служат в течение неопределенного периода времени при правильном использовании и в соответствии с указанными спецификациями. Однако в некоторых приложениях фотодиоды могут подвергаться оптическим, электрическим, механическим и / или тепловым нагрузкам, выходящим за пределы указанных диапазонов, и, следовательно, ограничивать их срок службы.

2. Меняется ли отзывчивость со временем?
В герметичных детекторах, таких как металлические корпуса TO, не ожидается, что чувствительность изменится с течением времени.Однако в негерметично закрытых устройствах атмосферные загрязнения, а также влажность могут распространяться в активную область и приводить к захватыванию центров, вызывая короткое замыкание в соединении.

3. Меняется ли темновой ток со временем?
Составляющая поверхностного темнового тока может изменяться со временем из-за влажности окружающей среды. Он также подвержен чистоте поверхности, загрязнению поверхности, то есть натрий из смазки для рук может значительно увеличить темновой ток. Объемный темновой ток не должен увеличиваться со временем.

В начало

4. Каков выходной сигнал фотодиода?
Фотодиод работает как источник напряжения, а также как источник тока в ответ на падающий свет в диапазоне длин волн от 200 до 1100 нм. Измерение тока является предпочтительным, поскольку выходной ток изменяется линейно с мощностью падающего света. Однако выходное напряжение изменяется логарифмически с мощностью падающего света.

5. Насколько линейен выходной фототок в режиме источника тока?
Обычно она линейна от нескольких пикоампер до нескольких миллиампер.

В начало

6. Каков динамический диапазон типичного кремниевого фотодиода?
Динамический диапазон — это диапазон мощности падающего света, в котором выходной ток фотодиода линейно связан с входной мощностью и иногда выражается в децибелах:

Этот диапазон для типичного устройства составляет от 1 пиковатт до 10 милливатт, или 100 дБ

7. В чем разница между линейной матрицей ПЗС МОП и линейной решеткой фотодиодов?
Основное различие между ними — схема считывания выходного сигнала с каждого элемента линейного массива.В устройстве с зарядовой связью (CCD) сигнал (заряд) передается от одного элемента к следующему вниз по строке, пока не достигнет конца, где он считывается последовательно с мультиплексированием по времени. В матрице фотодиодов (КПК) сигнал (ток) выводится на уникальный анод и катод каждого элемента. Следовательно, сигнал для КПК можно читать одновременно, а не последовательно и мультиплексировать.

Вернуться к началу

8. Какова согласованность чувствительности от устройства к устройству?
соответствие чувствительности от устройства к устройству для элементов нашего каталога указано с 10%.

9. Может ли OSI Optoelectronics предоставить фотодиоды с согласованной чувствительностью?
OSI Optoelectronics за дополнительную плату может предоставить фотодиоды для согласования чувствительности с заданным допуском на определенной длине волны. Свяжитесь с группой приложений для ваших конкретных требований.

Вернуться к началу

10. Является ли внешняя часть активной области полностью нечувствительной к свету?
№. Облученный свет на неактивной области, смежной с активной областью, может генерировать небольшой фототок в детекторе.Величина этого сигнала зависит от многих параметров, таких как длина волны излучения, приложенное смещение и количество падающего света на активную область, а также расстояние от активной области.

11. Как уменьшить поглощение света в неактивной области?
Неактивная область кремния также поглощает свет и вносит вклад в общий фототок. Если этот вклад нежелателен, на неактивную область можно нанести металлический экран и / или черный полиамидный слой как часть процесса изготовления полупроводниковой пластины.

В начало

12. В чем разница между фотопроводящим (ПК) и фотоэлектрическим (PV) режимами?
В фотоэлектрическом режиме фотодиод не работает и не смещает. Он просто действует как солнечный зов, который преобразует свет в электричество. Однако в режиме фотопроводимости фотодиод может быть обращен смещенным напряжением до указанного максимального обратного напряжения.

13. Какой режим (PV или ПК) я должен использовать для моего приложения?
Применение обратного смещения в режиме ПК вносит дополнительный шумовой ток в генерируемый фототок, тем самым уменьшая отношение сигнал / шум.Следовательно, рассмотрите возможность использования фотодиода в режиме ПК для высокоскоростных приложений (более 350 кГц) и / или в приложениях, требующих широкого динамического диапазона. Для обнаружения слабого сигнала предпочтительным режимом работы является режим PV.

Вернуться к началу

14. Как сделать обратное смещение фотодиода?
Обратное смещение фотодиода достигается установкой катода детектора на более высокий электрический потенциал, чем у анода. Другими словами, подача отрицательного напряжения на анод.

15. Какое обратное смещение мне нужно применить?
Применяйте достаточно высокое обратное смещение, только чтобы получить полосу пропускания, но достаточно низкое, чтобы избежать риска достижения обратного напряжения пробоя. Увеличение обратного напряжения увеличивает скорость отклика фотодиода за счет уменьшения емкости перехода.

В начало

16. Но как мне узнать, сколько смещения достаточно для работы в определенной полосе пропускания?
Как показывает опыт, необходимое смещение для определенного времени нарастания (или полосы пропускания) может быть рассчитано исходя из времени нарастания, указанного для другого напряжения, с помощью следующего соотношения:
Например, если нарастание конкретного фотодиода при -5 В составляет 100 нс, а приложению требуется 45 нс, требуемое смещение составляет около -25 В. Используйте -0,3 В при работе в фотоэлектрическом режиме.

17. Что произойдет, если на фотодиод подано напряжение, превышающее указанное максимальное обратное смещение?
В устройстве может возникнуть пробой обратного смещения, если смещение превышает указанное нами максимальное значение, через устройство будет протекать большой ток, который может привести к разрушению фотодиода. Мы не рекомендуем использовать это устройство таким образом.

Вернуться к началу

18. Это приводит к необратимому повреждению фотодиода?
Да.

19. Что произойдет, если фотодиод по ошибке смещен вперед?
Фотодиоды при прямом смещении (положительное напряжение на аноде) со смещением более 0,7 В они проводят значительный ток. Если ток превышает определенный пороговый уровень или если время проводимости превышает указанное значение, устройство может быть необратимо повреждено. В собранном виде алюминиевый соединительный провод перегорит, если прямой ток превысит 100 мА.

Вернуться к началу

20.Используется ли определенный тип источника питания для смещения фотодиода?
Стабильный источник постоянного напряжения — это все, что требуется для обратного смещения фотодиода. Требования к источнику тока минимальны, так как устройство вырабатывает собственный ток.

21. Почему для некоторых устройств предусмотрен темновой ток, а для других — шунтирующее сопротивление?
Сопротивление шунта — это в основном темновой ток при измерении с приложенным обратным смещением -10 мВ. Это наклон кривой I-V фотодиода при -10 мВ.Значение -10 мВ выбрано, поскольку теоретически при 0 В не должно быть темнового тока. Поскольку в режиме PV к фотодиоду не применяется смещение, темновой ток указывается в форме сопротивления шунта. Поскольку применяется смещение, режим ПК, используется термин темновой ток.

В начало

InGaAs PIN-фотодиоды | Marktech Optoelectronics

Размеры активной области фотодиодного чипа от 0,1 до 3,0 мм доступны для обеспечения оптимального баланса между низким темновым током, высокой скоростью и светочувствительностью. Это обеспечивает повышенную гибкость и возможности для различных приложений, от волоконной оптики и высокоскоростной оптической связи до медицинского и химического анализа.

Никакой интегрированный термоэлектрический (TE) охлаждение не используется ни на одном из фотодиодов PIN Marktech для снижения затрат и повышения общей эффективности. В дополнение к своим PIN-фотодиодам Marktech предлагает услуги литейного производства для эпитаксиального роста пластин SWIR в диапазоне от 1,0 мкм до 2,6 мкм с использованием материала InP в качестве базовой подложки.Marktech в настоящее время производит эти высоконадежные пластины диаметром 2, 3 и 4 дюйма.

Среди применений этих пластин — фотодетекторы, линейные матрицы и датчики изображения. Фотодетекторы, изготовленные с использованием наших эпитаксиальных пластин, обладают значительными преимуществами, включая более низкий темновой ток, лучшее сопротивление шунту и улучшенные характеристики при более низких рабочих температурах.

Marktech предлагает широкий ассортимент фотодетекторов, начиная от стандартных кремниевых детекторов, включая фотодиоды, фототранзисторы; лавинные фотодиоды и фотодиоды на основе InP и InGaAs PIN.Наши кремниевые детекторы обладают спектральной чувствительностью в диапазоне от 400 до 1100 нм для таких приложений, как оптическое переключение и зондирование, которые требуют высокой скорости, стабильности и высокой надежности.

Marktech производит фотодиоды InP PIN с использованием технологии InGaAs / InP и обладают спектральной чувствительностью в диапазоне от 600 нм до 1750 нм для приложений, требующих низкого темнового тока, высокой скорости и чувствительности, таких как волоконная оптика и оптическая связь. Матрица фотодетектора Marktech может быть помещена в различные упаковки, от металлических банок TO-5, TO-18 и TO-46 до поверхностного монтажа и стандартных пластиковых корпусов 3 мм и 5 мм.Мы также можем встраивать матрицу фотодетектора в узлы, изготовленные по индивидуальному заказу.

Стандартные фотоэлектрические кремниевые фотодиоды: Спектральная чувствительность в диапазоне от 400 до 1100 нм для таких приложений, как оборудование для спектроскопии и любое светочувствительное приложение, требующее широкополосной чувствительности с улучшениями в синей / зеленой области.

Кремниевые фототранзисторы: Спектральная чувствительность в диапазоне от 400 до 1100 нм, для приложений, требующих очень высокой чувствительности, равномерного отклика и повышенной надежности, таких как считыватели карт и оптические датчики.

Кремниевые лавинные фотодиоды (Si APD): Для высокоскоростного обнаружения и обнаружения низкого уровня света в ближнем ИК-спектре, оптимизированы для пикового отклика 800 или 905 нм.

InGaAs PIN Фотодиоды: Спектральная чувствительность в диапазоне 600–1750 нм, серия высокочувствительных и высоконадежных продуктов, идеально подходящих для устройств оптической связи.

FSO: фотодиоды с PIN-кодом — CableFree

Сводка

с PIN-кодом дешевы и многочисленны, однако им не хватает внутреннего усиления APD (лавинные фотодиоды), поэтому они хуже приемников для оптики свободного пространства (FSO, Laser, Laser Link, Infrared, Optical Wireless).

Технология PIN

Фотодиоды — это светочувствительные полупроводниковые устройства, которые производятся практически так же, как полупроводниковые диоды, используемые в обычных электронных схемах.Основное отличие состоит в том, что фотодиодные чипы больше по размеру и упакованы таким образом, чтобы свет попадал на чувствительную область диода.

с PIN-кодом — это недорогие устройства по сравнению с APD для оптических соединений в свободном пространстве Фотодиоды с PIN-кодом, используемые в FSO

предлагают множество удобств и преимуществ, которые делают их очень практичными для широкого спектра приложений:
мощность
В зависимости от используемого полупроводникового материала они могут обнаруживать длины волн от 190 до> 2000 нм
Они маленькие и легкие
Они обладают очень воспроизводимой чувствительностью
Они недорогие
Могут быть изготовлены очень большие площади (> 10 см2, но с большими затратами). увеличивается с увеличением площади)
Они могут быть очень быстрыми, с временем нарастания до 10 пикосекунд

Если шум представляет проблему при измерении нескольких пиковатт света с помощью стандартного фотодиода, есть преимущества в использовании лавинного фотодиода (APD), который обеспечивает внутреннее усиление по току в структуре фотодиода до примерно 100.

Кремниевые фотодиоды

Фотодиоды на основе кремния покрывают широкий диапазон длин волн от 190 до 1100 нм (нижний предел определяется поглощением ультрафиолетового света в воздухе). Фотодиоды из германия (Ge) перекрывают кремниевый спектр отклика и могут использоваться до 1600 нм. Полупроводники, которые представляют собой соединения галлия, арсенида, индия, антимонида и фосфора, могут быть специально изготовлены для покрытия небольших участков спектрального диапазона от 190 до 2000 нм. Например, в волоконной оптике используются детекторы на основе арсенида индия-галлия (InGaAs) для диапазона от 800 до 1800 нм.Более экзотические и дорогие фотодиоды могут воспринимать энергию гораздо дальше в ИК-спектре.

широко используются в нашем высокотехнологичном обществе, начиная от датчиков открывания дверей, средств управления сборочными линиями, регуляторов нагрузки в роскошных автомобилях и заканчивая индивидуальными измерителями сахара в крови для диабетиков, измерителями воздействия солнечного загара, детекторами дыма и т. Д. лучевые системы досмотра багажа и даже датчики черепного давления для пациентов с травмами головы.

Фотодиоды

• Изучив этот раздел, вы должны уметь:
• Опишите различные методы работы фотодиода:
• • Фотоэлектрические.
• • Фотопроводящий.
• Опишите основную конструкцию фотодиодов.
• Опишите работу различных типов фотодиодов:
• • Фотопроводящие диоды.
• • Фотодиоды PIN.
• • Лавинные фотодиоды.
• Опишите типичные ограничения в работе фотодиода.
• • Темновой ток.
• • Шум.
• Опишите причину выбора обычных материалов, используемых в конструкции фотодиодов.
• • Кремний.
• • Германий.
• • Арсенид галлия.
• • Арсенид индия-галлия.

Рис. 2.7.1 Фотоэлектрические диоды

Основы фотодиода

Фотодиоды в основном обладают противоположным эффектом по сравнению с светодиодами и лазерными диодами.Вместо того, чтобы использовать электрический ток, чтобы заставить электроны и дырки объединяться для создания фотонов, фотодиоды поглощают световую энергию (фотоны) для генерации электронно-дырочных пар, создавая поток электрического тока.

Рис. 2.7.2 Типичные фотопроводящие диоды

Семейства фотодиодов

Два основных метода получения электричества из света с использованием фотодиодов — это фотоэлектрический и фотопроводящий. В обоих методах используются светочувствительные полупроводниковые диоды, главное отличие состоит в том, что фотоэлектрические устройства, в основном используемые в солнечных батареях (рис.2.7.1) не используют какое-либо напряжение смещения, приложенное к диоду, но в фотопроводящем режиме (рис. 2.7.2) фотодиоды имеют обратное напряжение смещения, подаваемое от некоторого внешнего источника.

Применение фотодиодов

Фотопроводящие диоды используются в электронных системах, таких как оптоволоконная 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 выбором для многих промышленных систем, где необходимо измерять свет, от сканеров штрих-кода и датчиков положения до детекторов дыма и геодезических инструментов. В приложениях, связанных с высокочастотными изменениями уровней освещенности, таких как волоконно-оптическая связь, важно поддерживать минимальную емкость перехода диода, поскольку довольно малая емкость удаляет более высокие частоты и серьезно снижает эффективность приемника фотодиода.Поэтому фотопроводящие диоды изготавливаются небольших физических размеров, которые генерируют очень небольшие количества электрического тока. Фотоэлектрические диоды, напротив, производятся как солнечные панели очень большого размера, чтобы максимально повысить эффективность сбора света. Солнечные панели обязательно имеют гораздо большую емкость перехода, чем фотопроводящие устройства, но их эффективность не снижается, поскольку они предназначены для выработки (гораздо большего) электрического тока при постоянном токе (0 Гц).

Фиг.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 (микрометра). Во время формирования диода электроны из слоя N-типа притягиваются к материалу P-типа, а дырки из P-типа притягиваются к слою N-типа, что приводит к удалению свободных носителей заряда вблизи PN-перехода, таким образом создавая слой истощения (показан белым на рис.2.7.3).

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

Работа фотодиода

Фиг.2.7.4 Фотоны создают пары электрон / дырка

Рис. 2.7.5 Дырки и электроны притягиваются

Рис. 2.7.6 Отверстия и электроны образуют

Для диода, работающего в режиме фотопроводимости, обычно используют обратное смещение, подавая напряжение постоянного тока, чтобы сделать катод более положительным, чем анод. Это приводит к расширению обедненного слоя, как показано на фиг. 2.7.4 и 2.7.5.

Поскольку слои P и N с обедняющим слоем между ними эффективно образуют конденсатор, расширение обедненного слоя снижает 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 обедненном слое, активизируют отрицательные электроны в валентном слое атомов, чтобы перейти на более высокий энергетический уровень в зона проводимости атома.

Рис. 2.7.7 Диаграмма энергетических диапазонов

Это оставляет положительно заряженные дырки в валентной зоне, создавая «пары электрон / дырка» в обедненном слое. Некоторые пары электронных дырок 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. Электроны в обедненном слое затем перемещаются к положительному потенциалу на катоде, а дырки перемещаются к отрицательному потенциалу на аноде, создавая фототок, как показано на рис.2.7.6.

Хотя 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, пока освещается принимающая поверхность фотодиода. Альтернативный способ проиллюстрировать действие фотодиода — использовать энергетическую диаграмму, как показано на рис. 2.7.7. Это отображает уровни энергии валентной зоны и зоны проводимости атома (кремния) на вертикальной оси диаграммы в зависимости от расстояния между анодом и катодом фотодиода на горизонтальной оси.

На рис. 2.7.7 фотоны, падающие на атомы в обедненном слое и диффузионные области слоев P и N, показаны как небольшие вспышки энергии, каждая из которых побуждает электрон прыгнуть (вертикальные синие стрелки) на более высокий энергетический уровень. зона проводимости. Обратите внимание, что пары электрон / дырка, созданные в теле слоев P и N, повторно поглощаются в виде тепла. Как только электроны и дырки разделены, обратное смещение, приложенное к аноду и катоду диода, вступает во владение, перемещая 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, особенно подходящей для оптоволоконной связи. Сравнительно глубокий внутренний слой также обеспечивает больший объем для преобразования фотонов в электроны / дырки.

PIN используются в фотопроводящем режиме с приложенным обратным смещением, соотношение между количеством принимаемого света и производимым электрическим током практически линейно, и они также относительно стабильны в своем 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 соотношение между количеством света, падающего на фотодиод, и производимым током довольно линейное. , в условиях очень низкой освещенности 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 светится.

Малое значение фотоэлектрического тока, создаваемого фотодиодом, и наличие термически создаваемого темнового тока, приводят к тому, что полезный диапазон фотодиода значительно ограничивается при низких уровнях освещенности.

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

Рис. 2.7.10 Трансимпедансный фотодиодный усилитель

Обычно очень слабый ток сигнала от фотодиода каким-то образом усиливается, на рис. 2.7.10 показана типичная схема усилителя с трансимпедансным операционным усилителем. Этот усилитель имеет низкий входной импеданс и преобразует небольшие колебания тока на его входе в гораздо большие колебания напряжения на выходе.Коэффициент усиления усилителя устанавливается значением R _f , а C _f помогает избежать нестабильности. Однако также полезно создать в фотодиоде максимально возможную амплитуду тока сигнала, прежде чем он будет усилен внешней схемой. Поскольку любой электронный усилитель также вносит некоторый шум, один из ответов на это — использование самого фотодиода для получения полезной степени усиления; это цель лавинного фотодиода.

Фиг.2.7.11 Лавинный фотодиод

Лавинные фотодиоды

Назначение лавинного фотодиода — обеспечить начальное усиление 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 зоны обратного пробоя своих характеристик. На рис. 2.7.11 показана одна из типичных структур 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 формирует большую область сбора, где фотоны создают пары электрон / дырка. Это высокое напряжение на обедненном слое также создает сильное электрическое силовое поле, которое ускоряет электроны в направлении положительного потенциала на катоде (и дырок в направлении анода).

Усиление ударной ионизацией

Обратите внимание на легирование различных слоев фотодиода.Слой N + непосредственно под антибликовым слоем сильно легирован. Под ним находится нормально легированный слой P, образующий PN переход диода; Основная часть диода представляет собой слаболегированный слой P− с сильно легированным слоем P + рядом с соединением анода.

Рис. 2.7.12 Ударная ионизация

Уровень легирования полупроводника влияет на его сопротивление, причем более сильно легированные слои имеют наименьшее сопротивление. При определенном значении тока, протекающего через слои диода, которые, по сути, представляют собой серию сопротивлений разного значения, возникают 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 анодным соединителем. В обедненной области сопротивление P- полупроводника выше, обеспечивая достаточную напряженность поля для ускорения электронно-дырочных пар, созданных фотонами. Из-за глубины этой области необходимо как можно быстрее перемещать носители заряда (электроны и дырки), чтобы фотодиод быстро реагировал на изменение уровня света.

Поскольку электроны притягиваются в зону лавины вокруг более сильно легированного перехода P N +, 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 т. Д., Создавая лавину дополнительных электронов, что, конечно же, создает дополнительный ток.

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

Поскольку количество ударов является случайным, величина усиления за любой короткий период времени будет варьироваться, и поэтому может быть указана 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 получаемым светом и производимым током, как другие уже описанные фотопроводящие диоды, но это не обязательно является серьезным недостатком в их основном применении, которое является приемником цифровой информации в оптоволоконном кабеле. коммуникации и другие приложения для высокоскоростной коммутации.

Фотодиодные материалы

используют в своей конструкции различные полупроводниковые материалы, главным образом для того, чтобы позволить производителям изготавливать ряд фотодиодов, которые реагируют на различные части видимого спектра, а также на ультрафиолетовые и инфракрасные длины волн. На рис. 2.7.13 показаны приблизительные длины волн, охватываемые некоторыми распространенными полупроводниковыми материалами, используемыми для фотодиодов.

Рис. 2.7.13 Приблизительные диапазоны длин волн обычных фотодиодных материалов

Кремниевые фотодиоды

Фиг.2.7.14 Относительная чувствительность полупроводниковых фотодиодов

популярны для оптических приемников данных, поскольку они могут изготавливаться с низким значением 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 может использоваться в широком диапазоне длин волн, от ультрафиолетового (с использованием специально разработанных УФ-версий) до инфракрасных длин волн, кремниевые фотодиоды наиболее полезны в диапазоне от 800 до 900 нм, как показано на рис.2.7.14.

Германиевые фотодиоды

Хотя германий (Ge) был заменен во многих диодных приложениях, он полезен в фотодиодах, поскольку он обеспечивает светочувствительность на длинах волн более 900 нм, где кремний менее чувствителен, а германий дешевле, чем арсенид индия-галлия (InGaAs), что делает его полезен в фотодиодах с большими областями обнаружения (диаметром до 1 см). Однако германиевые фотодиоды обычно имеют более высокий уровень темнового тока и создают сравнительно больше шума, чем кремний или арсенид галлия-индия, уровень шума также увеличивается при более высоких температурах.