Фотодиод - Photodiode

Фотодиод
Fotodio.jpg
Один Ge (вверху) и три Si (внизу) фотодиода
ТипПассивный
Принцип работыКонвертирует свет в текущий
Конфигурация контактованод и катод
Электронный символ
Фотодиод symbol.svg

А фотодиод полупроводниковое устройство, преобразующее свет в электрический ток. Ток возникает, когда фотоны поглощаются фотодиодом. Фотодиоды могут содержать оптические фильтры, встроенные линзы и могут иметь большую или небольшую площадь поверхности. Фотодиоды обычно имеют более медленное время отклика из-за увеличения площади их поверхности. Обычный, традиционный солнечная батарея используется для выработки электрического солнечная энергия фотодиод большой площади.

Фотодиоды похожи на обычные полупроводник диоды за исключением того, что они могут быть подвергнуты воздействию (для обнаружения вакуумный УФ или Рентгеновские лучи ) или в упаковке с окном или оптоволокно соединение, позволяющее свету достигать чувствительной части устройства. Многие диоды, специально предназначенные для использования в качестве фотодиода, используют Контактный переход а не p – n переход, чтобы увеличить скорость ответа. Фотодиод предназначен для работы в обратное смещение.[1]

Принцип действия

Фотодиод - это ПИН-код или p – n переход. Когда фотон достаточной энергии попадает в диод, он создает электрондыра пара. Этот механизм также известен как внутренний фотоэлектрический эффект. Если поглощение происходит в переходе область истощения или на расстоянии одной диффузионной длины от нее, эти носители уносятся из перехода встроенным электрическим полем обедненной области. Таким образом, дыры движутся к анод, а электроны к катод, а фототок производится. Полный ток через фотодиод представляет собой сумму темнового тока (тока, который генерируется в отсутствие света) и фототока, поэтому темновой ток необходимо минимизировать, чтобы максимизировать чувствительность устройства.[2]

В первом порядке для данного спектрального распределения фототок линейно пропорционален величине сияние.[3]

Фотоэлектрический режим

ВАХ фотодиода. Линейный грузовые линии представляют собой реакцию внешней цепи: I = (приложенное напряжение смещения - напряжение диода) / общее сопротивление. Точки пересечения с кривыми представляют фактические ток и напряжение для данного смещения, сопротивления и освещенности.

В фотоэлектрическом режиме (ноль предвзятость ) фототок выходит из анода через короткое замыкание на катод. Если цепь разомкнута или имеет сопротивление нагрузки, ограничивающее выход фототока из устройства, напряжение нарастает в направлении, которое смещает диод в прямом направлении, то есть положительный анод относительно катода. Если цепь закорочена или сопротивление низкое, прямой ток потребляет весь или часть фототока. Этот режим использует фотоэлектрический эффект, что является основой солнечные батареи - традиционный фотоэлемент - это просто фотодиод большой площади. Для оптимальной выходной мощности фотоэлектрический элемент будет работать при напряжении, которое вызывает лишь небольшой прямой ток по сравнению с фототоком.[3]

Фотопроводящий режим

В фотопроводящем режиме диод обратный смещенный, то есть с катодом, положительным по отношению к аноду. Это уменьшает время отклика, поскольку дополнительное обратное смещение увеличивает ширину обедненного слоя, что уменьшает емкость и увеличивает область с помощью электрического поля, которое заставляет электроны быстро собираться. Обратное смещение также создает темное течение без особого изменения фототока.

Хотя этот режим более быстрый, в режиме фотопроводимости может быть больше электронного шума из-за темнового тока или лавинных эффектов.[4] Ток утечки хорошего PIN-диода настолько мал (<1 нА), что Шум Джонсона – Найквиста сопротивления нагрузки в типовой цепи часто преобладает.

Связанные устройства

Лавинные фотодиоды фотодиоды со структурой, оптимизированной для работы с высоким обратным смещением, приближающимся к обратному напряжению пробоя. Это позволяет каждому фото созданный перевозчик умножить на сход лавины, что приводит к внутреннему усилению фотодиода, что увеличивает эффективную отзывчивость устройства.

Электронный символ для фототранзистора

А фототранзистор представляет собой светочувствительный транзистор. Распространенный тип фототранзистора, биполярный фототранзистор, по сути биполярный транзистор заключен в прозрачный футляр так, чтобы свет может достичь база-коллектор соединение. Он был изобретен доктором. Джон Н. Шайв (более известен своим волновая машина ) в Bell Labs в 1948 г.[5]:205 но об этом не было объявлено до 1950 года.[6] Электроны, которые генерируются фотонами в переходе база-коллектор, инжектируются в базу, и этот ток фотодиода усиливается коэффициентом усиления транзистора по току β (или hfe). Если используются выводы базы и коллектора, а эмиттер остается неподключенным, фототранзистор становится фотодиодом. В то время как у фототранзисторов выше отзывчивость Что касается света, они не могут обнаруживать низкие уровни света лучше, чем фотодиоды.[нужна цитата ] Фототранзисторы также имеют значительно большее время отклика. Другой тип фототранзистора, полевой фототранзистор (также известный как photoFET) - это светочувствительный полевой транзистор. В отличие от фотобиполярных транзисторов, фотоэлектрические транзисторы управляют током сток-исток, создавая напряжение затвора.

А соляристор представляет собой двухконтактный фототранзистор без затвора. Компактный класс двухполюсных фототранзисторов или соляристоров продемонстрировала в 2018 г. ICN2 исследователи. Новая концепция представляет собой источник питания «два в одном» и транзистор, работающий от солнечной энергии за счет использования мемрезистивного эффекта в потоке фотогенерированных носителей.[7]

Материалы

Материал, используемый для изготовления фотодиода, имеет решающее значение для определения его свойств, потому что только фотоны с достаточной энергией, чтобы возбудить электроны через материал запрещенная зона будет производить значительные фототоки.

Материалы, которые обычно используются для изготовления фотодиодов, перечислены в таблице ниже.[8]

МатериалЭлектромагнитный спектр
длина волны диапазон (нм)
Кремний190–1100
Германий400–1700
Арсенид галлия индия800–2600
Сульфид свинца (II)<1000–3500
Теллурид кадмия ртути400–14000

Из-за большей ширины запрещенной зоны кремниевые фотодиоды генерируют меньше шума, чем фотодиоды на основе германия.

Бинарные материалы, такие как MoS2 и графен появился как новый материал для производства фотодиодов.[9]

Нежелательные и желаемые эффекты фотодиода

Любой p – n-переход, если он освещен, потенциально является фотодиодом. Полупроводниковые устройства, такие как диоды, транзисторы и ИС, содержат p – n-переходы и не будут правильно работать, если они будут освещены нежелательным электромагнитным излучением (светом) с длиной волны, подходящей для создания фототока.[10][11] Этого можно избежать, заключив устройства в непрозрачные корпуса. Если эти корпуса не полностью непрозрачны для излучения высокой энергии (ультрафиолета, рентгеновских лучей, гамма-лучей), диоды, транзисторы и ИС могут работать неправильно.[12] из-за индуцированных фототоков. Фоновое излучение от упаковки также является значительным.[13] Радиационное упрочнение смягчает эти эффекты.

В некоторых случаях эффект действительно нужен, например, чтобы использовать Светодиоды как светочувствительные устройства (см. Светодиод как датчик света ) или даже для сбор энергии, затем иногда называли светодиоды и светопоглощающие диоды (ВЕДЕТ).[14]

особенности

Отклик кремниевого фотодиода в зависимости от длины волны падающего света

Критические рабочие параметры фотодиода включают спектральную чувствительность, темновой ток, время отклика и мощность, эквивалентную шуму.

Спектральная чувствительность
Спектральная чувствительность - это отношение генерируемого фототока к мощности падающего света, выраженное в А /W при использовании в фотопроводящем режиме. Зависимость от длины волны также можно выразить как квантовая эффективность или отношение количества фотогенерированных носителей к падающим фотонам, которое является безразмерной величиной.
Темный ток
Темновой ток - это ток через фотодиод в отсутствие света, когда он работает в фотопроводящем режиме. Темновой ток включает фототок, создаваемый фоновым излучением, и ток насыщения полупроводникового перехода. Темновой ток необходимо учитывать калибровка если фотодиод используется для точного измерения оптической мощности, а также является источником шум когда фотодиод используется в системе оптической связи.
Время отклика
Время отклика - это время, необходимое детектору для ответа на оптический вход. Фотон, поглощенный полупроводниковым материалом, будет генерировать пару электрон-дырка, которая, в свою очередь, начнет перемещаться в материале под действием электрического поля и, таким образом, будет генерировать текущий. Конечная продолжительность этого тока известна как разброс времени прохождения и может быть оценена с помощью Теорема Рамо. С помощью этой теоремы также можно показать, что полный заряд, генерируемый во внешней цепи, равен е а не 2e, как можно было бы ожидать по наличию двух носителей. Действительно, интеграл тока, создаваемого как электроном, так и дыркой, с течением времени должно быть равно e. Сопротивление и емкость фотодиода и внешней схемы приводят к другому времени отклика, известному как Постоянная времени RC (). Эта комбинация R и C интегрирует фотоответ с течением времени и, таким образом, удлиняет импульсивный ответ фотодиода. При использовании в системе оптической связи время отклика определяет полосу пропускания, доступную для модуляции сигнала и, следовательно, передачи данных.
Мощность, эквивалентная шуму
Шумоэквивалентная мощность (NEP) - это минимальная входная оптическая мощность для генерации фототока, равная среднеквадратичному шумовому току в 1герц пропускная способность. NEP - это, по сути, минимальная обнаруживаемая мощность. Связанные характерная обнаруживающая способность () - это противоположность нэпа (1 / нэп) и специфическая обнаруживаемость () - это обнаружительная способность, умноженная на квадратный корень из площади () фотоприемника () для полосы пропускания 1 Гц. Удельная обнаруживающая способность позволяет сравнивать разные системы независимо от области датчика и полосы пропускания системы; более высокое значение обнаруживаемости указывает на устройство или систему с низким уровнем шума.[15] Хотя традиционно дарить () во многих каталогах как показатель качества диода, на практике он практически не является ключевым параметром.

Когда фотодиод используется в системе оптической связи, все эти параметры вносят вклад в чувствительность оптического приемника, что является минимальной входной мощностью, необходимой приемнику для достижения заданной частота ошибок по битам.

Приложения

Фотодиоды P – n используются в приложениях, аналогичных другим. фотоприемники, такие как фотопроводники, устройства с зарядовой связью (CCD и фотоумножитель трубки. Их можно использовать для генерации выходного сигнала, зависящего от освещенности (аналоговый для измерения), или для изменения состояния схемы (цифрового, либо для управления и переключения, либо для цифровой обработки сигналов).

Фотодиоды используются в бытовая электроника такие устройства как компакт-диск игроки, детекторы дыма, медицинское оборудование[16] и приемники инфракрасного устройства дистанционного управления используется для управления оборудованием от телевизоры к кондиционерам. Для многих приложений могут использоваться фотодиоды или фотопроводники. Для измерения освещенности можно использовать фотодатчики любого типа, как в камера люксметров, или реагировать на уровень освещенности, например, при включении уличного освещения после наступления темноты.

Фотодатчики всех типов могут использоваться для реагирования на падающий свет или на источник света, который является частью той же цепи или системы. Фотодиод часто объединяют в один компонент с излучателем света, обычно светодиод (Светодиод), либо для обнаружения механического препятствия на пути луча (щелевой оптический переключатель ) или в пара две цифровые или аналоговые цепи при сохранении чрезвычайно высокого электрическая изоляция между ними, часто в целях безопасности (оптопара ). Комбинация светодиода и фотодиода также используется во многих датчик системы для характеристики различных типов продуктов на основе их оптическое поглощение.

Фотодиоды часто используются для точного измерения силы света в науке и промышленности. Как правило, они имеют более линейный отклик, чем фотопроводники.

Они также широко используются в различных медицинских приложениях, таких как детекторы для компьютерная томография (в сочетании с сцинтилляторы ), инструменты для анализа проб (иммуноанализ ), и пульсоксиметры.

PIN диоды намного быстрее и чувствительнее, чем диоды с p – n переходом, и поэтому часто используются для оптическая связь и в регулировке освещения.

Фотодиоды P – n не используются для измерения очень низкой интенсивности света. Вместо этого, если требуется высокая чувствительность, лавинные фотодиоды, усиленные устройства с зарядовой связью или фотоумножитель трубки используются для таких приложений, как астрономия, спектроскопия, оборудование ночного видения и лазерный дальномер.

Сравнение с фотоумножителями

Преимущества по сравнению с фотоумножители:[17]

  1. Превосходная линейность выходного тока в зависимости от падающего света
  2. Спектральный отклик от 190 нм до 1100 нм (кремний ), дольше длины волн с прочими полупроводниковые материалы
  3. Тихий шум
  4. Устойчив к механическим воздействиям
  5. Бюджетный
  6. Компактный и легкий
  7. Долгий срок службы
  8. Высоко квантовая эффективность, обычно 60–80%[18]
  9. Не требуется высокое напряжение

Недостатки по сравнению с фотоумножители:

  1. Небольшая площадь
  2. Без внутреннего усиления (кроме лавинные фотодиоды, но их усиление обычно составляет 102–103 по сравнению с 105-108 для фотоумножителя)
  3. Намного более низкая общая чувствительность
  4. Подсчет фотонов возможен только с помощью специально разработанных, обычно охлаждаемых фотодиодов со специальными электронными схемами.
  5. Время отклика для многих дизайнов меньше
  6. Скрытый эффект

Прикрепленный фотодиод

На закрепленном фотодиоде (PPD) есть области p + / n / p. PPD имеет неглубокий имплантат P + в диффузионном слое N-типа поверх эпитаксиального слоя подложки P-типа. Не следует путать с ШТЫРЬ фотодиод. PPD используется в CMOS датчики с активным пикселем.[19]

Раннее устройство с зарядовой связью датчики изображения страдать от задержка затвора. Эта проблема была решена с изобретением закрепленного фотодиода (PPD).[20] Это было изобретено Нобуказу Тераниши, Хиромицу Сираки и Ясуо Исихара в NEC в 1980 г.[20][21] Они осознали, что запаздывание можно устранить, если переносить несущие сигнала с фотодиода на ПЗС. Это привело к их изобретению закрепленного фотодиода, структуры фотодетектора с малым запаздыванием, малым шум, высоко квантовая эффективность и низкий темное течение.[20] Впервые об этом публично сообщили Тераниши и Исихара с А. Кохоно, Э. Ода и К. Араи в 1982 году с добавлением структуры, препятствующей появлению цветения.[20][22] Новая структура фотодетектора, изобретенная в NEC, получила название «прикрепленный фотодиод» (PPD) от B.C. Burkey в Kodak в 1984 году. В 1987 году PPD начали встраивать в большинство CCD-сенсоров, став неотъемлемой частью бытовая электроника видеокамеры а потом цифровые фотоаппараты.[20]

В 1994 г. Эрик Фоссум, работая на НАСА с Лаборатория реактивного движения (JPL), предложили улучшение CMOS сенсор: интеграция закрепленного фотодиода. Датчик CMOS с технологией PPD был впервые изготовлен в 1995 году совместной JPL и Кодак команда, в которую входили Fossum вместе с P.P.K. Ли, Р. Ну и дела, Р. Гуидаш и Т. Ли. С тех пор PPD использовался почти во всех датчиках CMOS. CMOS-датчик с технологией PPD был усовершенствован и усовершенствован R.M. Гуидаш в 1997 году, К. Йонемото и Х. Суми в 2000 году и И. Иноуэ в 2003 году. Это привело к тому, что КМОП-сенсоры достигли производительности изображения на уровне сенсоров ПЗС, а позже превзошли ПЗС-сенсоры.[20]

Фотодиодная матрица

Чип фотодиодной матрицы 2 x 2 см с более чем 200 диодами

Одномерный массив из сотен или тысяч фотодиодов может использоваться в качестве позиции датчик, например, в составе датчика угла.[23]

В последние годы одним из преимуществ современных матриц фотодиодов (КПК) является то, что они могут обеспечивать высокоскоростное параллельное считывание, поскольку управляющая электроника не может быть встроена как устройство с зарядовой связью (CCD) или CMOS сенсор.

Пассивно-пиксельный сенсор

В пассивно-пиксельный датчик (PPS) - это тип матрицы фотодиодов. Это был предшественник датчик с активным пикселем (APS).[20] Пассивный пиксельный сенсор состоит из пассивных пикселей, которые считываются без усиление, где каждый пиксель состоит из фотодиода и МОП-транзистор переключатель.[24] В матрице фотодиодов пиксели содержат p-n переход, интегрированный конденсатор, и полевые МОП-транзисторы в качестве выбора транзисторы. Матрица фотодиодов была предложена Г. Веклером в 1968 г., предшествовавшей ПЗС-матрице.[25] Это было основой для PPS.[20]

Ранние фотодиодные матрицы были сложными и непрактичными, поэтому требовалось, чтобы в каждом пикселе производились селективные транзисторы, а также на кристалле. мультиплексор схемы. В шум фотодиодных матриц также было ограничением производительности, поскольку считывание фотодиодов автобус емкость привела к увеличению уровня шума. Коррелированная двойная выборка (CDS) также нельзя было использовать с матрицей фотодиодов без внешнего объем памяти. Не было возможности изготовить активные пиксельные датчики с практическим размером пикселя в 1970-х годах из-за ограниченного микролитография технологии в то время.[25]

Смотрите также

использованная литература

Эта статья включаетматериалы общественного достояния от Администрация общих служб документ: «Федеральный стандарт 1037С».

  1. ^ Кокс, Джеймс Ф. (2001). Основы линейной электроники: интегральная и дискретная. Cengage Learning. С. 91–. ISBN  978-0-7668-3018-9.
  2. ^ Тавернье, Филип и Steyaert, Мишель (2011) Высокоскоростные оптические приемники со встроенным фотодиодом в наноразмерной КМОП-матрице. Springer. ISBN  1-4419-9924-8. Глава 3 От света к электрическому току - фотодиод
  3. ^ а б Хеберлин, Генрих (2012). Фотогальваника: проектирование систем и практика. Джон Вили и сыновья. С. SA3 – PA11–14. ISBN  9781119978381. Получено 19 апреля 2019.
  4. ^ «Примечания по применению фотодиода - Excelitas - см. Примечание 4» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2014-11-13. Получено 2014-11-13.
  5. ^ Риордан, Майкл; Ходдесон, Лилиан (1998). Кристальный огонь: изобретение транзистора и рождение информационного века. ISBN  9780393318517.
  6. ^ «Фототранзистор». Bell Laboratories Record. Май 1950 г.
  7. ^ Перес-Томас, Амадор; Лима, Андерсон; Биллон, Квентин; Ширли, Ян; Каталонский, густау; Лира-Канту, Моника (2018). «Солнечный транзистор и фотосегнетоэлектрическая память». Современные функциональные материалы. 28 (17): 1707099. Дои:10.1002 / adfm.201707099. ISSN  1616-3028.
  8. ^ Проводится. G, Introduction to Light Emitting Diode Technology and Applications, CRC Press, (Worldwide, 2008). Гл. 5 шт. 116. ISBN  1-4200-7662-0
  9. ^ Инь, Цзунъю; Ли, Хай; Ли, Хун; Цзян, Линь; Ши, Юмэн; Сунь, Инхуэй; Лу, банда; Чжан, Цин; Чен, Сяодун; Чжан, Хуа (21 декабря 2011 г.). «Однослойные фототранзисторы MoS». САУ Нано. 6 (1): 74–80. arXiv:1310.8066. Дои:10.1021 / nn2024557. PMID  22165908. S2CID  27038582.
  10. ^ Шенфилд, З. и др. (1988) Исследование радиационного воздействия на полупроводниковые приборы и интегральные схемы., ДНК-TR-88-221
  11. ^ Иневский, Кшиштоф (ред.) (2010), Радиационные эффекты в полупроводниках, CRC Press, ISBN  978-1-4398-2694-2
  12. ^ Зеллер, Х.Р. (1995). «Отказы, вызванные космическими лучами в полупроводниковых устройствах большой мощности». Твердотельная электроника. 38 (12): 2041–2046. Bibcode:1995ССЭле..38.2041Z. Дои:10.1016/0038-1101(95)00082-5.
  13. ^ May, T.C .; Вудс, М. (1979). «Мягкие ошибки, вызванные альфа-частицами в динамической памяти». Транзакции IEEE на электронных устройствах. 26 (1): 2–9. Bibcode:1979ITED ... 26 .... 2M. Дои:10.1109 / T-ED.1979.19370. S2CID  43748644. Цитируется в Бауманн, Р. К. (2004). «Мягкие ошибки в коммерческих интегральных схемах». Международный журнал высокоскоростной электроники и систем. 14 (2): 299–309. Дои:10.1142 / S0129156404002363. Было обнаружено, что альфа-частицы, испускаемые в результате естественного радиоактивного распада урана, тория и дочерних изотопов, присутствующих в качестве примесей в упаковочных материалах, являются основной причиной [коэффициента мягких ошибок] в [динамической памяти с произвольным доступом].
  14. ^ Эрцбергер, Арно (21.06.2016). "Halbleitertechnik Der LED fehlt der Doppelpfeil". Электроник (на немецком). В архиве из оригинала на 2017-02-14. Получено 2017-02-14.
  15. ^ Брукер, Грэм (2009) Введение в датчики для измерения дальности и визуализации, ScitTech Publishing. п. 87. ISBN  9781891121746
  16. ^ Э. Агилар Пелаез и др., «Компромиссы снижения мощности светодиодов для амбулаторной пульсоксиметрии», 29-я Ежегодная международная конференция Общества инженеров в медицине и биологии IEEE, 2007 г., Лион, 2007 г., стр. 2296-2299.doi: 10.1109 / IEMBS.2007.4352784, URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4352784&isnumber=4352185
  17. ^ Техническое руководство по фотодиоду В архиве 2007-01-04 на Wayback Machine на сайте Хамамацу
  18. ^ Knoll, F.G. (2010). Обнаружение и измерение радиации, 4-е изд. Уайли, Хобокен, штат Нью-Джерси. п. 298. ISBN  978-0-470-13148-0
  19. ^ Разница между скрытым фотодиодом и закрепленным фотодиодом. stackexchange.com
  20. ^ а б c d е ж г час Фоссум, Эрик Р.; Хондонгва, Д. Б. (2014). "Обзор закрепленного фотодиода для датчиков изображения CCD и CMOS". Журнал IEEE Общества электронных устройств. 2 (3): 33–43. Дои:10.1109 / JEDS.2014.2306412.
  21. ^ Патент США 4484210: твердотельное устройство формирования изображения с уменьшенным запаздыванием изображения.
  22. ^ Тераниши, Нобузаку; Kohono, A .; Исихара, Ясуо; Oda, E .; Араи, К. (декабрь 1982 г.). «Фотодиодная структура без запаздывания изображения в матрице ПЗС с построчным изображением». 1982 Международное совещание по электронным устройствам: 324–327. Дои:10.1109 / IEDM.1982.190285. S2CID  44669969.
  23. ^ Гао, Вэй (2010). Прецизионная нанометрология: датчики и измерительные системы для нанопроизводства. Springer. С. 15–16. ISBN  978-1-84996-253-7.
  24. ^ Козловский, Л. Дж .; Luo, J .; Kleinhans, W. E .; Лю Т. (14 сентября 1998 г.). «Сравнение пассивных и активных схем пикселей для КМОП-формирователей видимого изображения». Инфракрасная считывающая электроника IV. Международное общество оптики и фотоники. 3360: 101–110. Bibcode:1998SPIE.3360..101K. Дои:10.1117/12.584474. S2CID  123351913.
  25. ^ а б Фоссум, Эрик Р. (12 июля 1993 г.). Блуке, Морли М. (ред.). «Активные пиксельные сенсоры: динозавры ли ПЗС?». Труды SPIE, том. 1900: Устройства с зарядовой связью и твердотельные оптические датчики III. Международное общество оптики и фотоники. 1900: 2–14. Bibcode:1993SPIE.1900 .... 2F. CiteSeerX  10.1.1.408.6558. Дои:10.1117/12.148585. S2CID  10556755.

внешние ссылки