Темновой ток фотодиода: причины возникновения, влияние на характеристики и способы минимизации — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое темновой ток фотодиода. Каковы основные причины его возникновения. Как темновой ток влияет на характеристики фотодиода. Какими способами можно уменьшить темновой ток. Зависимость темнового тока от температуры и напряжения смещения.

Содержание

Что такое темновой ток фотодиода

Темновой ток — это ток, который протекает через фотодиод даже при отсутствии падающего света. Это нежелательное явление, которое ограничивает чувствительность и динамический диапазон фотодиодов, особенно при детектировании слабых световых сигналов.

Основные характеристики темнового тока фотодиода:

Величина может составлять от пикоампер до микроампер в зависимости от типа фотодиода
Увеличивается с ростом температуры
Увеличивается при увеличении обратного напряжения смещения
Зависит от площади чувствительной области фотодиода
Сопровождается дробовым шумом

Основные причины возникновения темнового тока

Темновой ток в фотодиодах возникает по нескольким причинам:

1. Тепловая генерация носителей заряда

Это основной механизм возникновения темнового тока, особенно при повышенных температурах. Тепловая энергия приводит к генерации электронно-дырочных пар в обедненной области p-n перехода фотодиода. Эти носители заряда создают ток даже без падающего света.

2. Туннелирование носителей

При высоких обратных напряжениях смещения возможно туннелирование носителей заряда через потенциальный барьер p-n перехода, что также вносит вклад в темновой ток.

3. Поверхностные токи утечки

Токи утечки по поверхности фотодиода из-за загрязнений или дефектов пассивации также могут давать вклад в общий темновой ток устройства.

4. Дефекты кристаллической структуры

Различные дефекты полупроводника (вакансии, дислокации и т.д.) создают энергетические уровни в запрещенной зоне, что облегчает тепловую генерацию носителей.

Влияние темнового тока на характеристики фотодиода

Темновой ток оказывает негативное влияние на ряд важных параметров фотодиода:

Ухудшение отношения сигнал/шум

Темновой ток создает дробовой шум, который ухудшает отношение сигнал/шум, особенно при детектировании слабых световых сигналов. Какой минимальный световой поток может обнаружить фотодиод? Это зависит от величины темнового тока — чем он меньше, тем более слабые сигналы можно детектировать.

Ограничение динамического диапазона

Темновой ток ограничивает минимальный регистрируемый световой сигнал, тем самым уменьшая динамический диапазон фотодиода. Это особенно критично для приложений с широким диапазоном интенсивностей света.

Температурная зависимость характеристик

Поскольку темновой ток сильно зависит от температуры, это приводит к температурной зависимости чувствительности и других параметров фотодиода. Как изменяются характеристики фотодиода при нагреве на 10°C? Темновой ток может увеличиться в 2-3 раза.

Способы уменьшения темнового тока

Существует несколько подходов к минимизации темнового тока фотодиодов:

1. Охлаждение фотодиода

Наиболее эффективный способ — это охлаждение фотодиода, так как темновой ток экспоненциально зависит от температуры. Охлаждение на каждые 10°C примерно вдвое уменьшает темновой ток.

2. Уменьшение напряжения смещения

Работа при меньшем обратном смещении или даже в фотовольтаическом режиме (без смещения) позволяет снизить темновой ток. Однако это ухудшает быстродействие и линейность.

3. Выбор материала с большей шириной запрещенной зоны

Фотодиоды из материалов с большей шириной запрещенной зоны (например, кремний по сравнению с германием) имеют меньший темновой ток. Какой материал лучше выбрать для минимизации темнового тока — кремний или германий? Кремний обеспечит существенно меньший темновой ток.

4. Улучшение технологии изготовления

Совершенствование технологии (уменьшение дефектов, улучшение пассивации поверхности) позволяет снизить темновой ток.

5. Уменьшение площади чувствительной области

Темновой ток пропорционален площади, поэтому уменьшение размеров фотодиода снижает темновой ток. Однако это уменьшает и фототок.

Зависимость темнового тока от температуры и напряжения смещения

Темновой ток фотодиода сильно зависит от температуры и приложенного обратного напряжения:

Температурная зависимость

Темновой ток примерно удваивается при повышении температуры на каждые 8-10°C. Это связано с экспоненциальной зависимостью скорости тепловой генерации носителей от температуры:

I_dark ~ exp(-E_g/2kT)

где E_g — ширина запрещенной зоны, k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура.

Зависимость от напряжения смещения

При увеличении обратного напряжения смещения темновой ток возрастает. Эта зависимость близка к линейной при малых напряжениях, но становится более резкой при приближении к напряжению пробоя. Как изменится темновой ток при увеличении обратного напряжения с 5В до 10В? Он может увеличиться на 20-50% в зависимости от конструкции фотодиода.

Таким образом, для минимизации темнового тока следует выбирать рабочую температуру и напряжение смещения фотодиода с учетом конкретного применения и требуемых характеристик.

О ВЛИЯНИИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО КАНАЛА

УДК 621.384

О ВЛИЯНИИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО КАНАЛА
НА ТЕМНОВОЙ ТОК КВАДРАНТНЫХ p-i-n-ФОТОДИОДОВ
НА КРЕМНИИ

В. П. Астахов, Д. А. Гиндин, В. В. Карпов, К. В. Сорокин

ОАО «Московский завод «Сапфир», Москва, Россия

Приведены результаты экспериментального исследования влияния величины сопротивления поверхностного канала на электрические и фотоэлектрические характеристики p-i-n-фотодиодов большой площади с охранным кольцом, изготовленных на кремнии p-типа проводимости с удельным сопротивлением r ~ 20 кОм·см. Проведен анализ зависимостей темновых токов фоточувствительных площадок и охранного кольца, а также чувствительности, коэффициента фотоэлектрической взаимосвязи и ватт-амперных характеристик приборов от сопротивления канала для широкого интервала его значений.

Определены оптимальная величина сопротивления канала для p-i-n-фотодиодов и требования к его значению на различных участках топологического рисунка поверхности при необходимости улучшения характеристик приборов.

Одним из основных требований, предъявляемых к p-i-n-фотодиодам на основе высокоомного кремния, является минимизация темнового тока фоточувствительных площадок, что обеспечивает максимальное отношение полезного сигнала к шуму. Наиболее эффективным средством минимизации темнового тока площадок является применение охранного кольца (ОК), которым является дополнительный p-n-переход, удаленный от границ фоточувствительных площадок на расстояние меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда в базе [1]. Считается, что такое ОК уменьшает или устраняет поверхностную утечку, поскольку оно служит эффективным стоком носителей заряда из поверхностного канала, что и приводит к снижению темнового тока [2-5].

Если верно предположение о роли ОК как стоке носителей заряда, то с ростом сопротивления поверхностного канала темновой ток площадки должен падать при одновременном уменьшении темнового тока ОК [2, 6, 7].

Однако результаты, полученные в данной работе, нельзя объяснить с применением такого подхода. Наши результаты свидетельствуют о том, что ОК является в большей мере схемотехническим элементом, который определенным образом скоммутирован с площадками p-i-n-фотодиода.
Объектом исследования является планарный квадрантный p-i-n-фотодиод, структура которого представлена на рис. 1. Фотодиод сформирован на основе кристаллов кремния с удельным сопротивлением ~20 кОм·см. Диаметр описывающей окружности периферии фоточувствительных площадок составляет 14 мм, расстояние между ними, а также до ОК составляет 0,2 мм. Формирование
p-n-перехода и омического контакта осуществлялось диффузией соответственно фосфора (рабочая сторона) или бора (тыльная сторона пластины) до концентраций порядка 10¹⁹ см^-3 в обоих случаях. Толщина защитного слоя SiO₂ составляет 0,9 мкм.

Рис. 1. Структура p-i-n-фотодиода:
1 — пластина кремния p-типа; 2 — охранное кольцо; 3 — фоточувствительные площадки;
4, 6, 9 — металлизация; 7 — слой диэлектрика; 8 — омический контакт р⁺-р-типа

Задачей работы является исследование зависимости величины темнового тока площадок и ОК от сопротивления канала между площадкой, ОК и омическим контактом.

Схема измерения темновых токов соответствует схеме включения p-i-n-фотодиода и она представлена на рис. 2. Напряжение подается на ОК непосредственно, а на фоточувствительный элемент — через нагрузочный резистор 400 кОм. На этом резисторе вольтметром измеряется напряжение, по которому рассчитываются величины темнового тока площадки. Величина темнового тока ОК измеряется непосредственно амперметром.

Рис. 2. Схема измерения ВАХ площадки и ОК:
1 — площадка; 2 — охранное кольцо; 3 — база; 4 — омический контакт

Предположение о наличии в исследуемой структуре шунтирующих p-n-переходов проводящих каналов приводит к эквивалентной схеме, представленной на рис. 3. Из схемы видно, что при сопротивлении канала (Rk) меньше чем сопротивление p-n-перехода темновой ток ОК определяется не свойствами его металлургической границы, а величиной R_k , в данной схеме это — R5. Пример ВАХ ОК представлен на рис.

4. Как видно из этого рисунка, ВАХ представляет собой линейную зависимость, которая позволяет определять величину сопротивления канала, которую мы считаем одинаковой на каждом анализируемом участке поверхности.

Рис. 3. Эквивалентная схема площадки с ОК и шунтирующими каналами:
R1 — резистор нагрузки; R2 -сопротивление площадки; R3 — сопротивление канала между площадкой
и ОК; R4 — сопротивление ОК; R5 — сопротивление канала между ОК и омическим контактом

Рис. 4. Типичная ВАХ охранного кольца

В результате измерений величин темновых токов площадок и ОК по схеме, приведенной на рис. 2, и сопротивлений каналов из ВАХ ОК p-i-n-фотодиодов, изготавливавшихся в течение длительного времени в ОАО «Московский завод «Сапфир», нами собрана статистика, которая позволяет построить зависимости темновых токов площадок и ОК от сопротивления канала. Эти зависимости приведены на рис.

5, а, б.
Из представленных зависимостей следует, что при увеличении сопротивления канала происходит уменьшение темнового тока ОК, в то время как темновой ток площадок, напротив, растет, причем существуют области слабого изменения параметров и область их резкого изменения. В области перегиба на зависимости темнового тока площадок от сопротивления канала (R_k = 3,3-3,5 МОм) происходит резкое падение величины темнового тока площадок при переходе к меньшим значениям сопротивления канала, темновой ток ОК при этом изменяется незначительно. Достаточно малые темновые токи ОК имеют место при R_k > 1,5 МОм и более. Это значение R_k и является оптимальным для p-i-n-фотодиода, поскольку при этом темновой ток площадки составляет менее 1 мкА, а ОК — не более 140 мкА.
Полученные результаты объясняются тем, что увеличение сопротивления канала приводит к перераспределению тока в параллельных ветвях R1-R3 (см. рис. 3) в сторону увеличения тока на резисторе нагрузки R1 и уменьшению тока ОК (из-за увеличения R5).

Уменьшение сопротивления канала (R3) приводит к уменьшению тока через резистор R1 и увеличению тока ОК.
Характер зависимости темнового тока площадок от сопротивления канала соответствует данным, полученным в работах [8, 9], где авторы получили экспериментальную зависимость величины темнового тока p-i-n-фотодиодов на кремнии от потенциала полевого электрода.

Рис. 5. Зависимости темновых токов площадок (а) и ОК (б) при U = 200 В
от величины сопротивления канала:
О — данные статистики; 1-3 — результаты измерений по схемам 1, 2, 3 (см. рис. 6, соответственно)

Для подтверждения модели перераспределения токов между каналами, нагрузкой и ОК мы использовали p-i-n-фотодиод с максимальным сопротивлением канала (R_k = 6,06 МОм), к которому подключали дополнительные резисторы. Дополнительные резисторы (R_доп) подключались тремя различными способами таким образом, чтобы эквивалентная схема соответствовала одной из представленных на рис. 6. При этом моделировалось регулируемое сопротивление каналов соответственно: между площадкой и ОК (схема 1), между площадкой, ОК и омическим контактом (схема 2), между ОК и омическим контактом (схема 3). Полученные данные для каждой схемы включения представлены также на рис. 5.

Рис. 6. Варианты подключения переменного резистора (Rдоп):
а — схема 1 — между площадкой и ОК;
б — схема 2 — между площадкой и ОК, а также между ОК и омическим контактом;
в — схема 3 — между ОК и омическим контактом

          Эти данные соответствуют зависимостям, полученным на основе статистических данных. Отличия от последних обусловлены, скорее всего, недостаточной точностью моделирования (не учтены каналы к трем площадкам и неравенство величин их сопротивлений). Согласно этим данным наименьшие значения тока в нагрузке цепи площадок и цепи ОК достигаются при сопротивлении канала между площадками и ОК R_k > 1,5 МОм и менее при сопротивлении канала между ОК и омическим контактом R_k = 2-3 МОм и более.
          Для этого же диапазона сопротивлений проводились исследования по влиянию номиналов дополнительных резисторов, устанавливаемых между двумя площадками и между площадкой и ОК, на коэффициент фотоэлектрической взаимосвязи, чувствительность и линейность ватт-амперной характеристики p-i-n-фотодиодов. Коэффициент фотоэлектрической взаимосвязи измерялся при подключении переменного резистора с максимальным значением 5 МОм между площадками. Измерения проводились по методике ГОСТ 17772-88 (СТ СЭВ 3789-82) по мере уменьшения номинала резистора. При изучении влияния номинала шунтирующего резистора на чувствительность и линейность ватт-амперной характеристики переменный резистор подключался между площадкой и ОК.
          Эти исследования позволили установить, что уменьшение номинала дополнительного резистора от 5 МОм до 100 кОм не приводит к изменению коэффициента фотоэлектрической взаимосвязи, чувствительности и ватт-амперной характеристики. При меньших значениях R_доп происходит резкое возрастание коэффициента фотоэлектрической взаимосвязи до величин более 50 %, резкое уменьшение чувствительности и искажение линейности ватт-амперной характеристики.
          Таким образом, следует подчеркнуть, что при оптимальной величине сопротивления поверхностного канала (R_k ~ 1,5 МОм) наличие канала не оказывает влияния на коэффициент фотоэлектрической взаимосвязи, чувствительность и линейность ватт-амперной характеристики p-i-n-фотодиода.

В ы в о д ы

          На основе статистических данных и результатов моделирования реальной структуры квадрантного p-i-n-фотодиода показано:
          1. В p-i-n-фотодиодах с ОК последнее играет роль схемотехнического элемента, «оттягивающего» на себя часть темнового тока площадок за счет наличия канала и конечной величины его сопротивления. Эффективность отвода тока из площадки в ОК тем выше, чем меньше величина сопротивления канала.
          2. Для исследованных структур существует оптимальное значение сопротивления канала: R_k = 1,5 МОм, которое обеспечивает величины токов в резисторе нагрузки площадки менее 1 мкА, а в цепи ОК — менее 140 мкА и сохраняет на высшем уровне такие характеристики p-i-n-фотодиодов, как чувствительность, коэффициент фотоэлектрической взаимосвязи и линейность ватт-амперной характеристики.
          3. При сопротивлении канала более 2-3 МОм темовые токи площадок могут быть минимизированы за счет подсоединения резисторов с номиналом 1,5 МОм между площадками и ОК или параллельно резистору нагрузки. При этом между ОК и омическим контактом дополнительный резистор ставить не следует.

Л и т е р а т у р а

          1. А г а л а р з а д е П. С. Основы конструирования и технологии обработки поверхности p-n-перехода/Под ред. В. Е. Челнокова.- М.: Сов. радио, 1978.
          2. W e n d i a n d P. Silicon Photodiodes//Electro-Optical systems desing, 1970. N 8.
          3. M i n d o k R. M., H o r a k J. B.: Тр. конф. «Электрооптические системы», США, май, 1971.
          4. J u h s o n J. C. An investigation of inwersion layer induced leakade current in abrupt p-n junctions//Solid- State Electronics, 1970. V. 13. P. 1167-1174.
          5. К о ф т о н ю к Н. Ф. Электронные элементы на основе структур полупроводник-диэлектрик. М.: Изд-во «Энергия», 1976.
          6. T a n d o n J. C., R o u l s t o n D. J., C h a m b e r S. J.//Solid-State Electronics, 1972. N 15. Р. 669.
          7. Р и г м а н М. Физические основы полевых транзисторов с изолированным затвором.- М.: Сов. радио, 1971.
          8. Б е л о в а Г. А., Ф е д о р о в и ч Ю. В. Инверсионные слои на поверхности сплавных и планарных кремниевых переходов//Электронное приборостроение. 1968. Вып. 4. С. 32-44.
          9. К л и м а н о в Е. А., К у л ы м а н о в А. В., Л и с е й к и н В. П., Ю н г е р м а н В. М. О вольтт-амперной характеристике кремниевого p-i-n-фотодиода большой площади, работающего в режиме полного истощения//Радиотехника и электроника. 1976. N 9. С. 1967-1974.

ABOUT INFLUENCE OF SURFACE CANAL RESISTANCE
ON QUADRANT p-i-n-PHOTODIODES DARK CURRENT

V. P. Astakhov, D. A. Gindin, V. V. Karpov, K. V. Sorokin
Joint Stoc Company «Moskovsky Zavod «Sapfir», Moscow, Russia

There is the presentation of experimental results of surface canal resistance value effect on electical and photoelectrical characteristics of large square p-i-n-photodiodes with guard ring, fabricated from p-type silicon with specific resistance ~20 kOhm·sm. The authors investigated and made analysis of the effect of canal resistance in both, photosensitive squares and quard ring dark currents, and photoelectric correlation coefficient and watt-ampere characteristics, for extensive range of values. Authors found tne optimal mean of surface canal resistance for p-i-n-photodiodes and stand the requirements to its value on different parts of the surface topological picture, if it would be nesessary for improvement of devicesчs characteristics.

Содержание журнала «Прикладная физика» № 2, 1999 г.

Фотопроводящий и фотоэлектрический режимы работы фотодиодов

Добавлено 1 января 2020 в 14:59

В данной статье мы рассмотрим преимущества двух типов реализации схем на фотодиодах.

Когда следует использовать фотоэлектрический и фотопроводящий режимы при установке фотодиодов в электрические схемы? В данной статье мы обсудим подробности этих режимов и варианты проектов, связанных с ними.

Это третья часть нашей серии «Введение в фотодиоды», в которой исследуются технические подробности работы этих устройств, которые в различной форме реагируют на высокочастотное электромагнитное излучение:

Природа света и PN-переходы
Физика работы светочувствительных PN-переходов
Понятие фотоэлектрического и фотопроводящего режимов работы фотодиода
Характеристики различных фотодиодных технологий
Понятие эквивалентной схемы фотодиода

Фототок

Основной выходной сигнал фотодиода – это ток, который течет через устройство от катода к аноду и приблизительно линейно пропорционален освещенности (однако имейте в виду, что на величину фототока также влияет длина волны падающего света – подробнее об этом в следующей статье). Для дальнейшей обработки сигнала этот фототок преобразуется в напряжение с помощью последовательно включенного резистора или преобразователя ток→напряжение на операционном усилителе.

Детали связи света и тока фотодиода будут варьироваться в зависимости от условий смещения диода. В этом суть различия между фотоэлектрическим и фотопроводящим режимами: в фотоэлектрической реализации схема, окружающая фотодиод, поддерживает анод и катод под одним и тем же потенциалом; другими словами, диод имеет нулевое смещение. В фотопроводящей реализации схема, окружающая фотодиод, создает обратное смещение, что означает, что катод находится под более высоким потенциалом, чем анод.

Темновой ток

Основная неидеальность, влияющая на фотодиодные системы, называется темновым током, потому что это ток, который течет через фотодиод даже при отсутствии освещения. Полный ток, протекающий через диод, представляет собой сумму темнового тока и фототока. Темновой ток ограничивает способность системы точно измерять низкие интенсивности света, если эти интенсивности создают фототоки величиной, аналогичной величине темнового тока.

Вредное влияние темнового тока можно уменьшить с помощью методов, которые вычитают из тока диода ожидаемый темновой ток. Однако темновой ток сопровождается темновым шумом, то есть формой дробового шума, наблюдаемой как случайные изменения величины темнового тока. Система не может измерять интенсивность света, фототок которой настолько мал, что теряется в этом темновом шуме.

Фотоэлектрический режим в фотодиодных схемах

Следующая схема представляет собой пример реализации фотоэлектрической системы.

Рисунок 1 – Пример включения фотодиода в фотоэлектрическом режиме

Эта схема на операционном усилителе называется трансимпедансным усилителем (TIA, transimpedance amplifier). Она разработана специально для преобразования сигнала тока в сигнал напряжения, причем отношение тока к напряжению определяется значением резистора обратной связи R_ос. Неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с землей, и если мы применим предположение о виртуальном коротком замыкании, мы узнаем, что на инвертирующем входе всегда будет примерно 0 В. Таким образом, катод и анод фотодиода поддерживаются при напряжении 0 В.

Я не уверен, что «фотоэлектрическая» – это совсем точное название этой реализации на базе операционного усилителя. Не думаю, что фотодиод работает как солнечный элемент, генерирующий напряжение за счет фотоэлектрического эффекта. Но «фотоэлектрический» – это общепринятая терминология, нравится мне это или нет. Термин «режим нулевого смещения», я думаю, подходит лучше, потому что мы можем использовать этот же трансимпедансный усилитель с фотодиодом в фотоэлектрическом или фотопроводящем режиме, и, таким образом, отсутствие напряжения обратного смещения является наиболее заметным отличительным фактором.

Когда использовать фотоэлектрический режим

Преимущество фотоэлектрического режима – снижение темнового тока. В обычном диоде прикладывание напряжения обратного смещения увеличивает обратный ток, потому что обратное смещение уменьшает диффузионный ток, но не уменьшает дрейфовый ток, а также из-за утечки.

То же самое происходит и с фотодиодом, но обратный ток называется темновым током. Более высокое напряжение обратного смещения приводит к увеличению темнового тока, поэтому, используя операционный усилитель для удержания фотодиода примерно при нулевом смещении, мы практически исключаем темновой ток. Таким образом, фотоэлектрический режим хорош для приложений, которым необходимо максимизировать эффективность при низкой освещенности.

Фотопроводящий режим в фотодиодных схемах

Чтобы переключить показанную выше схему детектора в фотопроводящий режим, мы подключаем анод фотодиода к источнику отрицательного напряжения, а не к земле. Катод всё еще находится под напряжением 0 В, но анод находится под некоторым напряжением ниже 0 В; таким образом, на фотодиод подается обратное смещение.

Рисунок 2 – Пример включения фотодиода в фотопроводящем режиме

Когда использовать фотопроводящий режим

Прикладывание напряжения обратного смещения к PN-переходу приводит к расширению обедненной области. Это имеет два положительных эффекта в контексте применения фотодиодов. Во-первых, более широкая обедненная область, как объяснялось в предыдущей статье, делает фотодиод более чувствительным. Таким образом, фотопроводящий режим – хороший выбор, когда вы хотите получить больший выходной сигнал при той же освещенности.

Во-вторых, более широкая обедненная область снижает емкость перехода фотодиода. В схеме, показанной выше, наличие сопротивления обратной связи и емкости перехода (наряду с другими источниками емкости) ограничивает полосу пропускания замкнутой петли системы. Как и в случае с базовым RC-фильтром нижних частот, уменьшение емкости увеличивает частоту среза. Таким образом, фотопроводящий режим обеспечивает более широкую полосу пропускания и предпочтителен, когда вам нужно максимизировать способность детектора реагировать на быстрые изменения освещенности.

Наконец, обратное смещение также расширяет диапазон линейной работы фотодиода. Если вас беспокоит точность измерений при высокой освещенности, вы можете использовать фотопроводящий режим и выбрать напряжение обратного смещения в соответствии с требованиями вашей системы. Но помните, что большее обратное смещение также увеличивает темновой ток.

Рисунок 3 – Hamamatsu – ведущий производитель фотоприемников. Этот график, взятый из их руководства по кремниевым фотодиодам, дает представление о том, насколько вы можете расширить область линейного отклика фотодиода, увеличив напряжение обратного смещения

Резюме

На характеристики детекторной системы на базе фотодиода влияют условия смещения фотодиода. Фотопроводящий режим использует обратное смещение и обеспечивает более высокую чувствительность, более широкую полосу пропускания и улучшенную линейность. Фотоэлектрический режим использует нулевое смещение и минимизирует темновой ток.

Следующая статья из серии «Введение в фотодиоды» посвящена нескольким различным полупроводниковым технологиям, на которых основываются фотодиоды.

Оригинал статьи:

Robert Keim. Understanding Photovoltaic and Photoconductive Modes of Photodiode Operation

Темновой ток, объяснение RP Photonics Encyclopedia; фотоприемник, фотодиод, источники, тепловое возбуждение, напряжение смещения

«> 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.

Большинство фотодетекторов, таких как фотодиоды, фототранзисторы, ПЗС-сенсоры и фототрубки, создают сигнальный ток, более или менее пропорциональный падающей оптической мощности. Тем не менее, даже при отсутствии какого-либо входа света часто присутствует небольшое количество постоянного тока, который называют темновым током . Дополнительный флуктуационный ток с нулевым средним значением, вызванный тепловыми флуктуациями, обычно , а не , называют темновым током.

В зависимости от устройства фотодетектора и условий темновой ток может иметь очень разную величину — иногда значительно ниже 1 нА, в других случаях на много порядков больше.

Во многих случаях темновой ток совершенно незначителен, но в некоторых случаях он имеет значение, например, когда необходимо обнаружить чрезвычайно малую оптическую мощность. В принципе, темновой ток можно вычесть из полученного сигнала либо с помощью аналоговой электроники, либо с помощью программного обеспечения, но это работает лишь в ограниченной степени, поскольку темновой ток может существенно зависеть от температуры (см. ниже), а также имеет дробовой шум. .

Происхождение темного течения

Темновой ток фотоприемника может иметь различное происхождение.

Темновой ток в фотодетекторах с внутренним фотоэлектрическим эффектом

В фотодиодах и других детекторах с некоторыми p–n- или p–i–n-переходами он часто вызывается тепловым возбуждением (генерацией) носителей — не обязательно непосредственно от валентности к проводимости полосе, но, возможно, через дефектные состояния, связанные с дефектами кристалла или примесями (и в этом случае, конечно, с более низкой энергией активации). Скорость таких тепловых процессов зависит не только от активной площади, но и в решающей степени от температуры и ширины запрещенной зоны материала (и, возможно, энергетических уровней обычных дефектов), а также от рабочего напряжения (особенно вблизи напряжение пробоя, при котором может произойти ударная ионизация). При высоких напряжениях также может способствовать туннелирование через обедненную область.

Для детекторов видимого света, таких как фотодиоды на основе кремния, темновой ток может быть очень малым (например, в районе пикоампер) (даже при значительных напряжениях смещения), и тогда им можно пренебречь для большинства применений. Германиевые фотодиоды демонстрируют гораздо более высокие темновые токи, что, однако, в основном не связано с их несколько более низкой энергией зоны. Диоды из арсенида индия-галлия, которые также имеют уменьшенную ширину запрещенной зоны по сравнению с кремнием, также демонстрируют относительно низкий темновой ток.

Для материалов со значительно меньшей шириной запрещенной зоны темновой ток может быть серьезной проблемой и, таким образом, может привести к работе при значительно сниженных температурах. Поэтому некоторые камеры среднего инфракрасного диапазона, например, должны быть оснащены охладителем Стирлинга для работы при температуре около 100 К или даже ниже.

При работе вблизи напряжения пробоя темновой ток может стать намного сильнее, чем при более низких напряжениях.

Темновые токи могут также генерироваться некоторыми токами утечки, не связанными с тепловым возбуждением.

Решением может быть работа с нулевым напряжением смещения.

В любом случае темновой ток обычно не может возникать при работе с нулевым напряжением смещения, так как для него нет источника энергии – по крайней мере, до тех пор, пока температура устройства однородна, исключая любые эффекты Пельтье. Поэтому можно эксплуатировать фотодиод, например, с нулевым напряжением смещения в тех случаях, когда необходимо избежать влияния темнового тока.

Конечно, дрейф выходных сигналов также может возникать в соответствующей электронике, например, из-за дрейфа смещения операционных усилителей. Поэтому ненулевой выходной сигнал не обязательно свидетельствует о темновом токе детектора.

Темновой ток в фотоприемниках с внешним фотоэлектрическим эффектом

Основной причиной темнового тока обычно является термоэлектронная эмиссия на фотокатоде. Это означает тепловое возбуждение электронов. Термоэлектронная эмиссия может быть существенной для катодных материалов с очень низкой работой выхода, что требуется для обнаружения инфракрасного излучения. Он также сильно зависит от температуры; Таким образом, работа при низких температурах является очень эффективной мерой снижения темнового тока. Зависимость от рабочего напряжения слабая.

При довольно высоких рабочих напряжениях может наблюдаться более крутой рост темнового тока из-за полевой эмиссии в различных местах колбы. Это может привести к ускоренному старению.

Определенный вклад в ток вносит ионизация остаточного газа, т. е. неидеальный вакуум. Это особенно касается устройств, работающих с более высокими напряжениями, например фотоумножителей.

Обычно довольно слабый вклад вносит ток утечки из-за неидеальной электрической изоляции.

Также возможно, что некоторый нежелательный свет генерируется сцинтилляцией, т.е. когда электроны ударяются о стеклянную трубку. Обычно на очень низком уровне наблюдаются слабые вспышки света, вызванные космическими лучами и радиоактивными веществами, например, в стеклянной трубке или поблизости.

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.

Смотрите также: фотоприемники, фотодиоды
и другие статьи в категории физические основы

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

HTML-ссылка на эту статью:

  
 Статья о Dark Current 
 в  
 RP Photonics Encyclopedia

С предварительным изображением (см. рамку чуть выше):

  
  alt="article">

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

 * [https://www.rp-photonics.com/dark_current.html 
 статья о "Dark Current" в Энциклопедии RP Photonics]

Низкая плотность темнового тока в органических фотодиодах, достигаемая за счет уменьшения состояний ловушек сопряженных полимеров, содержащих фторированный фрагмент

У вас не включен JavaScript. Пожалуйста, включите JavaScript чтобы получить доступ ко всем функциям сайта или получить доступ к нашему страница без JavaScript.

Из журнала:

Журнал химии материалов C

Низкая плотность темнового тока в органических фотодиодах, достигаемая за счет уменьшения состояний ловушек сопряженных полимеров, содержащих фторированный фрагмент†

Юнци Бай, ^и Сону Сео, ^б Чон-Вун Ха, ^с Минхо Юн, ^б Нин Ян, ^и Хи Юнг Парк, ^д Сон Чхоль Юн, ^c Чанджин Ли, ^с До-Хун Хван * ^и а также Джиюль Ли * ^или

Принадлежности автора

* Соответствующие авторы

^и Кафедра химии, Пусанский национальный университет, Пусан, Республика Корея
Электронная почта: dohoonhwang@pusan. ac.kr

^б Кафедра разработки интеллектуальных зеленых технологий, Национальный университет Пукён, Пусан, Республика Корея
Электронная почта: [email protected]

^в Отдел перспективных материалов, Корейский научно-исследовательский институт химической технологии, 141 Гаджон-ро, Юсон-гу, Тэджон, Республика Корея

^д Кафедра биологии и химии, Чангвонский национальный университет, Чанвон, Республика Корея

^и Кафедра инженерии нанотехнологий, Национальный университет Пукионг, Пусан, Республика Корея

Аннотация

rsc.org/schema/rscart38″> Низкая плотность темнового тока ( Дж _d ) имеет решающее значение для улучшения характеристик органических фотодиодов (OPD) и оценивается с использованием таких параметров устройства, как отношение сигнал/шум, удельная обнаружительная способность ( D *) и линейный динамический диапазон. Однако правила проектирования сопряженных полимеров для снижения J _d в OPD редко доступны. В этом исследовании мы представляем стратегию получения низких J _d в ОПР с материальной точки зрения путем исследования оптоэлектрических свойств ОПР на основе сопряженных сополимеров донорно-акцепторного (ДА-А) типа. С этой целью были приготовлены два сополимера типа D–A с тиено[3,4- c ]пиррол-4,6(5 H )-дионом (TPD) в качестве общего электроноакцепторного звена и 4,8 -ди(тиофен-2-ил)бензо[1,2- b :4,5- b ‘]дитиофен (БДТ) или фторированный БДТ (ФБДТ) в качестве электронодонорного звена. Затем мы исследовали ОПД с активным слоем, образованным путем смешивания производного фуллерена [6,6]-фенил-С71 метилового эфира масляной кислоты (PC ₇₁ BM) и вновь синтезированные сополимеры типа D–A (PBDT-biTPD и PFBDT-biTPD). При обратном смещении -2 В для O,biTPD на основе PFBDT наблюдалось низкое значение Дж _d , равное 6,09 × 10 ^-10 А см ^-2 . максимальная чувствительность R = 0,30 А Вт ⁻¹ и D * = 2,13 × 10 ¹³ обладала относительно более высоким коэффициентом Джонса при 500–650 нм.0040 J _d (1,43 × 10 ⁻⁹ A см ⁻² ). Систематический анализ, основанный на структурной характеристике этих активных тонкопленочных слоев и плотности состояний подщели (DOS), измеренной с использованием OPD и органических полевых транзисторов, показал, что фторирование блока донора электронов в сопряженном полимере типа D-A является эффективным способом уменьшения J _d OPD путем подавления ловушки DOS в смешанном активном слое.

Эта статья является частью тематического сборника: Журнал химии материалов C HOT Papers

Варианты загрузки Пожалуйста, подождите…

Дополнительные файлы

Дополнительная информация PDF (367 КБ)

Информация о товаре

ДОИ: https://doi.org/10.1039/D2TC04116B
Тип изделия: Бумага
Отправлено: 29 сен 2022
Принято: 14 ноя 2022
Впервые опубликовано: 18 ноя 2022