Fotodioda - Photodiode

Fotodioda
Fotodio.jpg
Jedna Ge (nahoře) a tři Si (dole) fotodiody
Typ Pasivní
Pracovní princip Převádí světlo na proud
Konfigurace pinů anoda a katoda
Elektronický symbol
Symbol fotodiody. Svg

Fotodioda je polovodičové pn přechod zařízení, které převádí světlo do elektrického proudu . Proud je generován, když jsou fotony absorbovány ve fotodiodě. Fotodiody mohou obsahovat optické filtry , vestavěné čočky a mohou mít velký nebo malý povrch. Fotodiody mají obvykle pomalejší dobu odezvy, jak se jejich povrch zvětšuje. Běžným, tradičním solárním článkem používaným k výrobě elektrické sluneční energie je velkoplošná fotodioda.

Fotodiody jsou podobné běžným polovodičovým diodám s tím rozdílem, že mohou být buď exponované (pro detekci vakuových UV nebo rentgenových paprsků ), nebo zabalené s oknem nebo optickým vláknem, aby světlo dosáhlo citlivé části zařízení. Mnoho diod určených speciálně pro použití jako fotodioda používá ke zvýšení rychlosti odezvy spíše spojení PIN než přechod p – n . Fotodioda je navržena tak, aby fungovala v opačném předpětí .

Princip činnosti

Fotodioda je struktura PIN nebo spojení p – n . Když foton s dostatečnou energií zasáhne diodu, vytvoří pár elektron - díra . Tento mechanismus je také známý jako vnitřní fotoelektrický efekt . Pokud k absorpci dojde v oblasti vyčerpání křižovatky nebo o jednu difúzní vzdálenost od ní, jsou tyto nosiče smeteny z křižovatky vestavěným elektrickým polem oblasti vyčerpání. Díry se tedy pohybují směrem k anodě a elektrony ke katodě a vytváří se fotoproud . Celkový proud procházející fotodiodou je součtem temného proudu (proud generovaný za nepřítomnosti světla) a fotoproudu, takže tmavý proud musí být minimalizován, aby se maximalizovala citlivost zařízení.

K prvnímu řádu je při daném spektrálním rozložení fotoproud lineárně úměrný ozáření .

Fotovoltaický režim

IV charakteristika fotodiody. Lineární zatěžovací čáry představují odezvu externího obvodu: I = (napětí při předpětí-napětí diody)/celkový odpor. Body průniku s křivkami představují skutečný proud a napětí pro dané předpětí, odpor a osvětlení.

Ve fotovoltaickém režimu (nulové zkreslení ) fotovoltaický proud proudí z anody zkratem na katodu. Pokud je obvod rozpojen nebo má zatěžovací impedanci omezující fotoproud mimo zařízení, vytváří se napětí ve směru, který předpíná diodu, tj. Anoda kladná vzhledem ke katodě. Pokud je obvod zkratován nebo je impedance nízká, dopředný proud spotřebuje celý nebo část fotoproudu. Tento režim využívá fotovoltaický efekt , který je základem pro solární články - tradiční solární článek je pouze velkoplošná fotodioda. Pro optimální výkon bude fotovoltaický článek provozován na napětí, které ve srovnání s fotoproudem způsobuje pouze malý dopředný proud.

Fotoelektrický režim

Ve fotoelektrickém režimu je dioda reverzně předpjatá , tj. S katodou poháněnou kladně vzhledem k anodě. To snižuje dobu odezvy, protože přídavný reverzní předpětí zvyšuje šířku ochuzená vrstva, která snižuje v uzlu kapacitní a zvyšuje oblast s elektrickým polem, které způsobí, že elektrony, které mají být rychle shromážděny. Reverzní zkreslení také vytváří temný proud bez velké změny ve fotoproudu.

Přestože je tento režim rychlejší, fotovodivý režim může vykazovat více elektronického šumu v důsledku tmavých proudů nebo lavinových efektů. Svodový proud dobré PIN diody je tak nízký (<1 nA), že často dominuje Johnson -Nyquistův šum zatěžovacího odporu v typickém obvodu.

Související zařízení

Lavinové fotodiody jsou fotodiody se strukturou optimalizovanou pro provoz s vysokým reverzním předpětím, přibližující se zpětnému průraznému napětí. To umožňuje, aby byl každý fotogenerovaný nosič znásoben lavinovým rozpadem , což má za následek vnitřní zisk uvnitř fotodiody, což zvyšuje efektivní odezvu zařízení.

Elektronický symbol pro fototranzistor

Fototranzistor je citlivý na světlo tranzistor. Běžným typem fototranzistoru, bipolárním fototranzistorem , je v podstatě bipolární tranzistor uzavřený v průhledném pouzdře, aby se světlo dostalo na křižovatku báze a kolektoru . Vynalezl jej Dr. John N. Shive (známější díky svému vlnovému stroji ) v Bell Labs v roce 1948, ale byl oznámen až v roce 1950. Elektrony, které jsou generovány fotony v křižovatce báze a kolektoru, jsou vstříknuty do základny, a tento proud fotodiody je zesílen proudovým ziskem tranzistoru β (nebo h fe ). Pokud jsou použity základny a kolektorové vodiče a vysílač je ponechán nezapojený, stane se fototranzistor fotodiodou. Zatímco fototranzistory mají vyšší citlivost na světlo, nejsou schopny detekovat nízké hladiny světla o nic lépe než fotodiody. Fototranzistory mají také výrazně delší doby odezvy. Další typ fototranzistoru, fototranzistor s efektem pole (také známý jako fotoFET), je tranzistor s efektem pole s efektem pole. Na rozdíl od fotobipolárních tranzistorů řídí fotoFETy proud odtokového zdroje vytvářením hradlového napětí.

Solaristor je dva-terminál gate-méně fototranzistor. Výzkumníci ICN2 v roce 2018 předvedli kompaktní třídu dvou koncových fototranzistorů nebo solárních odporů . Nový koncept je zdroj energie dva v jednom plus tranzistorové zařízení, které běží na sluneční energii využíváním memresistivního efektu v toku fotogenerovaných nosičů.

Materiály

Použitý materiál, aby se fotodioda je rozhodující pro definování jeho vlastností, protože jen fotony s energií dostatečnou k excitaci elektronů přes materiál v bandgap bude mít významné fotoelektrických.

Materiály běžně používané k výrobě fotodiod jsou uvedeny v následující tabulce.

Materiál Rozsah
vlnových délek elektromagnetického spektra (nm)
Křemík 190–1100
Germanium 400–1700
Arzenid indium gallium 800–2600
Sulfid olova (II) <1000–3500
Telurid rtuti a kadmia 400–14 000

Kvůli většímu pásmu generují fotodiody na bázi křemíku menší šum než fotodiody na bázi germania.

Binární materiály, jako je MoS 2 , a grafen se staly novými materiály pro výrobu fotodiod.

Nechtěné a žádané efekty fotodiody

Jakýkoli přechod p – n, pokud je osvětlen, je potenciálně fotodiodou. Polovodičová zařízení, jako jsou diody, tranzistory a integrované obvody, obsahují spojení p – n a nebudou správně fungovat, pokud jsou osvětlena nežádoucím elektromagnetickým zářením (světlem) o vlnové délce vhodné k produkci fotoproudu. Tomu se zabrání zapouzdřením zařízení v neprůhledných pouzdrech. Pokud tato pouzdra nejsou zcela neprůhledná pro vysokoenergetické záření (ultrafialové, rentgenové, gama paprsky), diody, tranzistory a integrované obvody mohou v důsledku indukovaných fotoproudů selhat. Významné je také záření pozadí z obalu. Radiační kalení tyto efekty zmírňuje.

V některých případech je efekt skutečně požadovaný, například použít LED jako zařízení citlivá na světlo (viz LED jako světelný senzor ) nebo dokonce pro sběr energie , někdy se jim také říká diody vyzařující světlo a pohlcující světlo (LEAD).

Funkce

Reakce křemíkové fotodiody na vlnovou délku dopadajícího světla

Mezi kritické výkonnostní parametry fotodiody patří spektrální odezva, tmavý proud, doba odezvy a výkon ekvivalentní hluku.

Spektrální odezva
Spektrální citlivost je poměr generovaného fotoproudu k dopadajícímu světelnému výkonu vyjádřený v A / W při použití ve fotoelektrickém režimu. Závislost na vlnové délce může být také vyjádřena jako kvantová účinnost nebo poměr počtu fotogenerovaných nosičů k dopadajícím fotonům, což je veličina bez jednotek.
Temný proud
Tmavý proud je proud procházející fotodiodou za nepřítomnosti světla, když je provozován ve fotovodivém režimu. Tmavý proud zahrnuje fotoproud generovaný radiačním zářením a saturační proud polovodičového přechodu. Temný proud musí být vyřízen kalibraci pokud fotodioda se používá k výrobě přesného měření optického výkonu, a to je také zdrojem hluku , když je fotodioda používaný v optickém komunikačním systému.
Doba odezvy
Doba odezvy je doba potřebná k tomu, aby detektor reagoval na optický vstup. Foton absorbovaný polovodivým materiálem vytvoří pár elektron -díra, který se následně začne pohybovat v materiálu pod vlivem elektrického pole a tím generovat proud . Konečné trvání tohoto proudu je známé jako rozpětí tranzitního času a lze jej vyhodnotit pomocí Ramovy věty . Pomocí této věty lze také ukázat, že celkový náboj generovaný ve vnějším obvodu je e a ne 2e, jak by se dalo očekávat přítomností dvou nosných. Skutečně, integrál proudu v důsledku elektronu i díry v čase musí být roven e. Odpor a kapacita fotodiody a externích obvodů vedou k další době odezvy známé jako RC časová konstanta ( ). Tato kombinace R a C integruje v čase fotoreponsii a prodlužuje tak impulzní odezvu fotodiody. Při použití v optickém komunikačním systému doba odezvy určuje šířku pásma, která je k dispozici pro modulaci signálu a tím i pro přenos dat.
Síla ekvivalentní hluku
Šumově ekvivalentní výkon (NEP) je minimální vstupní optický výkon pro generování fotoproudu, který se rovná efektivní hodnotě šumového proudu v šířce pásma 1  hertz . NEP je v podstatě minimální zjistitelný výkon. Související charakteristická detektivita ( ) je inverzní k NEP (1/NEP) a specifická detektivita ( ) je detektivita vynásobená druhou odmocninou oblasti ( ) fotodetektoru ( ) pro šířku pásma 1 Hz. Specifická detektivita umožňuje porovnávat různé systémy nezávisle na oblasti senzoru a šířce pásma systému; vyšší hodnota detekce označuje zařízení nebo systém s nízkým šumem. Ačkoli je v mnoha katalozích tradiční dávat ( ) jako měřítko kvality diody, v praxi to stěží je klíčový parametr.

Když je v optickém komunikačním systému použita fotodioda, všechny tyto parametry přispívají k citlivosti optického přijímače, což je minimální vstupní výkon požadovaný pro přijímač k dosažení specifikované bitové chybovosti .

Aplikace

Fotodiody P – n se používají v podobných aplikacích jako jiné fotodetektory , jako jsou fotonosiče , zařízení s nábojovou vazbou (CCD) a fotonásobiče . Mohou být použity ke generování výstupu, který je závislý na osvětlení (analogové pro měření), nebo ke změně stavu obvodů (digitální, buď pro ovládání a spínání nebo pro zpracování digitálního signálu).

Fotodiody se používají v zařízeních spotřební elektroniky, jako jsou přehrávače kompaktních disků , detektory kouře , zdravotnická zařízení a přijímače infračervených zařízení pro dálkové ovládání používaných k ovládání zařízení od televizorů po klimatizační zařízení. Pro mnoho aplikací lze použít buď fotodiody nebo fotovodiče. K měření světla lze použít buďto typ fotosenzoru, jako u kamerových světelných měřičů, nebo k reakci na úrovně světla, jako při zapnutí pouličního osvětlení po setmění.

Fotosenzory všech typů lze použít k reakci na dopadající světlo nebo na zdroj světla, který je součástí stejného obvodu nebo systému. Fotodioda je často kombinována do jedné složky s emitorem světla, obvykle světelnou diodou (LED), buď pro detekci přítomnosti mechanické překážky paprsku ( štěrbinový optický spínač ) nebo pro spojení dvou digitálních nebo analogových obvodů při zachování extrémně vysoké elektrické izolace mezi nimi, často kvůli bezpečnosti ( optočlen ). Kombinace LED a fotodiody se také používá v mnoha senzorových systémech k charakterizaci různých typů produktů na základě jejich optické absorbance .

Fotodiody se často používají pro přesné měření intenzity světla ve vědě a průmyslu. Obecně mají lineárnější odezvu než fotovodiče.

Jsou také široce používány v různých lékařských aplikacích, jako jsou detektory pro počítačovou tomografii (ve spojení se scintilátory ), nástroje pro analýzu vzorků ( imunotest ) a pulzní oxymetry .

PIN diody jsou mnohem rychlejší a citlivější než propojovací diody p – n, a proto se často používají pro optickou komunikaci a při regulaci osvětlení.

Fotodiody P – n se nepoužívají k měření extrémně nízké intenzity světla. Místo toho, pokud je zapotřebí vysoká citlivost, se používají lavinové fotodiody , zesílená zařízení spojená s náboji nebo fotonásobiče pro aplikace, jako je astronomie , spektroskopie , zařízení pro noční vidění a laserové dálkoměry .

Srovnání s fotonásobiči

Výhody ve srovnání s fotonásobiči :

  1. Vynikající linearita výstupního proudu jako funkce dopadajícího světla
  2. Spektrální odezva od 190 nm do 1100 nm ( křemík ), delší vlnové délky s jinými polovodičovými materiály
  3. Nízká hlučnost
  4. Odolné vůči mechanickému namáhání
  5. Nízké náklady
  6. Kompaktní a nízká hmotnost
  7. Dlouhá životnost
  8. Vysoká kvantová účinnost , obvykle 60–80%
  9. Není vyžadováno žádné vysoké napětí

Nevýhody ve srovnání s fotonásobiči :

  1. Malá plocha
  2. Č vnitřní zesílení (kromě lavinové fotodiody , ale jejich zisk je typicky 10 2 -10 3 ve srovnání s 10 5 -10 8 pro fotonásobiče)
  3. Mnohem nižší celková citlivost
  4. Počítání fotonů je možné pouze se speciálně navrženými, obvykle chlazenými fotodiodami, se speciálními elektronickými obvody
  5. Doba odezvy u mnoha návrhů je pomalejší
  6. Latentní účinek

Připnutá fotodioda

Pinodovaná fotodioda (PPD) má mělký implantát P+ v difúzní vrstvě typu N přes epitaxní substrátovou vrstvu typu P. Nesmí být zaměňována s PIN fotodiodou. PPD se používá v CMOS senzorech s aktivními pixely .

Brzké zpoždění závěrky trpělo časnými obrazovými senzory zařízení připojených k nabíjení . To bylo do značné míry vyřešeno vynálezem pinodované fotodiody (PPD). Vynalezli ho Nobukazu Teranishi , Hiromitsu Shiraki a Yasuo Ishihara v NEC v roce 1980. Uvědomili si , že zpoždění lze eliminovat, pokud lze nosiče signálu přenést z fotodiody do CCD. To vedlo k jejich vynálezu připojené fotodiody, struktury fotodetektoru s nízkým zpožděním, nízkým šumem , vysokou kvantovou účinností a nízkým tmavým proudem . To bylo poprvé veřejně hlášeno Teranishi a Ishihara s A. Kohonem, E. Odou a K. Araiem v roce 1982, s přidáním protiblokovací struktury. Nová struktura fotodetektoru vynalezená v NEC dostala od BC Burkey v Kodaku v roce 1984. název „pinned photodiode“ (PPD). V roce 1987 začala být PPD začleněna do většiny CCD senzorů, stala se pevnou součástí spotřebních elektronických videokamer a poté digitální fotoaparáty .

V roce 1994, Eric Fossum , zatímco pracuje v NASA je laboratoř tryskového pohonu (JPL), navrhuje zlepšení na CMOS snímače : integraci ojehleného fotodiody. Snímač CMOS s technologií PPD byl poprvé vyroben v roce 1995 společným týmem JPL a Kodak, který zahrnoval společnost Fossum spolu s PPK Lee, RC Gee, RM Guidash a TH Lee. Od té doby se PPD používá téměř ve všech CMOS senzorech. Snímač CMOS s technologií PPD dále zdokonalili a zdokonalili RM Guidash v roce 1997, K. Yonemoto a H. Sumi v roce 2000 a I. Inoue v roce 2003. To vedlo k tomu, že snímače CMOS dosahovaly zobrazovacího výkonu na stejné úrovni jako snímače CCD a později přesahující CCD snímače.

Pole fotodiod

Čip pole 2 x 2 cm fotodiod s více než 200 diodami

Jednodimenzionální pole stovek nebo tisíc fotodiod lze použít jako snímač polohy , například jako součást snímače úhlu.

V posledních letech je jednou z výhod moderních fotodiodových polí (PDA) to, že mohou umožňovat vysokorychlostní paralelní odečet, protože hnací elektronika nemusí být zabudována jako zařízení s nábojovým spojením (CCD) nebo snímač CMOS .

Senzor pasivních pixelů

Snímač pasivní pixelů (PPS) je druh diodovým polem. Byl to předchůdce snímače aktivních pixelů (APS). Senzor pasivních pixelů se skládá z pasivních pixelů, které jsou čteny bez zesílení , přičemž každý pixel se skládá z fotodiody a přepínače MOSFET . V poli fotodiod obsahují pixely jako výběrové tranzistory pn křižovatku , integrovaný kondenzátor a MOSFETy . Pole fotodiod bylo navrženo G. Wecklerem v roce 1968, předcházejícím CCD. To byl základ pro PPS.

Raná pole fotodiod byla složitá a nepraktická a vyžadovala, aby byly v každém pixelu vyrobeny výběrové tranzistory spolu s obvody multiplexoru na čipu . Hluk z fotodiod poli byl také omezení na výkon, jako fotodioda odečet autobus kapacitní za následek zvýšenou hladinu hluku. Korelované dvojité vzorkování (CDS) také nebylo možné použít s polem fotodiod bez externí paměti . V sedmdesátých letech nebylo možné vyrábět aktivní pixelové senzory s praktickou velikostí pixelů kvůli omezené mikrolitografické technologii v té době.

Viz také

Reference

Veřejná doména Tento článek včlení  materiál public domain z dokumentu General Services Administration : "Federal Standard 1037C" .

externí odkazy