Фотодиод — это полупроводниковый диод, чувствительный к фотонному излучению, такому как видимый свет, инфракрасное или ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи . [1] Он производит электрический ток, когда поглощает фотоны. Его можно использовать для обнаружения и измерения или для выработки электроэнергии в солнечных элементах . Фотодиоды используются в широком спектре применений во всем электромагнитном спектре: от фотоэлементов видимого света до спектрометров гамма-излучения.
Фотодиод представляет собой PIN-структуру или p-n-переход . Когда фотон достаточной энергии попадает на диод, он создает пару электрон - дырка . Этот механизм также известен как внутренний фотоэлектрический эффект . Если поглощение происходит в обедненной области перехода или на расстоянии одной диффузионной длины от нее, эти носители выметаются из перехода встроенным электрическим полем обедненной области. Таким образом, дырки движутся к аноду , а электроны — к катоду , и возникает фототок . Общий ток через фотодиод представляет собой сумму темнового тока (тока, который проходит 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 освещенности . [3]
В фотоэлектрическом режиме (нулевое смещение ) фототок течет на анод через короткое замыкание на катод. Если цепь разомкнута или имеет сопротивление нагрузки, ограничивающее выход фототока из устройства, напряжение возрастает в направлении, которое смещает диод вперед, то есть анод положителен по отношению к катоду. Если цепь закорочена или сопротивление низкое, прямой ток поглотит весь или часть фототока. В этом режиме используется фотоэлектрический эффект , который является основой солнечных элементов : традиционный солнечный элемент представляет собой 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]
В фотопроводящем режиме диод смещен в обратном направлении , то есть катод находится в положительном положении по отношению к аноду. Это уменьшает время отклика, поскольку дополнительное обратное смещение увеличивает ширину обедненного слоя, что уменьшает емкость перехода и увеличивает область с электрическим полем, которое приведет к быстрому сбору электронов. Обратное смещение также создает темновой ток без особых изменений фототока.
Хотя этот режим работает быстрее, в фотопроводящем режиме может наблюдаться больший электронный шум из-за темнового тока или лавинных эффектов. [4] Ток утечки хорошего PIN-диода настолько мал (<1 нА), что шум Джонсона-Найквиста сопротивления нагрузки в типичной схеме часто доминирует.
Лавинные фотодиоды — это фотодиоды со структурой, оптимизированной для работы с высоким обратным смещением, приближающимся к напряжению обратного пробоя. Это позволяетумножать каждую фотогенерированную несущую за счет лавинного пробоя , что приводит к внутреннему усилению внутри фотодиода, что увеличивает эффективную чувствительность устройства. [5]
Фототранзистор – это светочувствительный транзистор. Распространенный тип фототранзистора, биполярный фототранзистор , по сути представляет собой биполярный транзистор, заключенный в прозрачный корпус, чтобы свет мог достигать перехода база-коллектор . Он был изобретен Джоном Н. Шайвом (более известным своей волновой машиной ) в Bell Labs в 1948 году [6] : 205 , но о нем не было объявлено до 1950 года. [7] Электроны, генерируемые фотонами в переходе база-коллектор подаются в базу, и этот ток фотодиода усиливается за счет коэффициента усиления транзистора по току β (или h fe ). Если используются выводы базы и коллектора, а эмиттер не подключен, фототранзистор становится фотодиодом. Хотя фототранзисторы имеют более высокую чувствительность к свету, они не способны обнаруживать низкие уровни света лучше, чем фотодиоды. [ нужна цитация ] Фототранзисторы также имеют значительно более длительное время отклика. Другой тип фототранзистора, полевой фототранзистор (также известный как фототранзистор), представляет собой светочувствительный полевой транзистор. В отличие от фотобиполярных транзисторов, фотополевые транзисторы управляют током сток-исток, создавая напряжение на затворе.
Соляристор представляет собой двухвыводной беззатворный фототранзистор. Компактный класс двухполюсных фототранзисторов или соляристоров был продемонстрирован в 2018 году исследователями ICN2 . Новая концепция представляет собой источник питания «два в одном» и транзисторное устройство, работающее на солнечной энергии за счет использования мемрезистивного эффекта в потоке фотогенерированных носителей. [8]
Материал, используемый для изготовления фотодиода, имеет решающее значение для определения его свойств, поскольку только фотоны с достаточной энергией для возбуждения электронов в запрещенной зоне материала будут производить значительные фототоки.
Материалы, обычно используемые для производства фотодиодов, перечислены в таблице ниже. [9]
Из-за большей запрещенной зоны фотодиоды на основе кремния генерируют меньше шума, чем фотодиоды на основе германия.
Бинарные материалы, такие как MoS 2 и графен, появились как новые материалы для производства фотодиодов. [10]
Любой p–n-переход, если он освещен, потенциально является фотодиодом. Полупроводниковые устройства, такие как диоды, транзисторы и микросхемы, содержат p – n-переходы и не будут работать правильно, если они освещены нежелательным электромагнитным излучением (светом) с длиной волны, подходящей для создания фототока. [11] [12] Этого можно избежать, заключая устройства в непрозрачные корпуса. Если эти корпуса не полностью непрозрачны для излучения высокой энергии (ультрафиолетового, рентгеновского, гамма-лучей), диоды, транзисторы и микросхемы могут выйти из строя [13] из-за наведенных фототоков. Фоновое излучение от упаковки также имеет большое значение. [14] Радиационная закалка смягчает эти эффекты.
В некоторых случаях эффект действительно необходим, например, при использовании светодиодов в качестве светочувствительных устройств (см. Светодиод как датчик света ) или даже для сбора энергии , которые иногда называют светоизлучающими и светопоглощающими диодами (LEAD). [15]
Критические параметры работы фотодиода включают спектральную чувствительность, темновой ток, время отклика и эквивалентную шуму мощность.
Когда фотодиод используется в оптической системе связи, все эти параметры влияют на чувствительность оптического приемника, которая представляет собой минимальную входную мощность, необходимую приемнику для достижения заданного коэффициента ошибок по битам .
P – n-фотодиоды используются в приложениях, аналогичных другим фотодетекторам , таким как фотопроводники , устройства с зарядовой связью (CCD) и фотоумножители . Их можно использовать для генерации выходного сигнала, зависящего от освещенности (аналогового для измерения), или для изменения состояния схемы (цифрового, либо для управления и переключения, либо для цифровой обработки сигналов).
Фотодиоды используются в устройствах бытовой электроники, таких как проигрыватели компакт-дисков , детекторы дыма , медицинские устройства [17] и приемники для инфракрасных устройств дистанционного управления , используемых для управления оборудованием от телевизоров до кондиционеров. Во многих приложениях могут использоваться фотодиоды или фотопроводники. Любой тип фотодатчика может использоваться для измерения освещенности, как в фотометрах , или для реагирования на уровень освещенности, как при включении уличного освещения после наступления темноты.
Фотодатчики всех типов могут использоваться для реагирования на падающий свет или на источник света, который является частью одной и той же цепи или системы. Фотодиод часто объединяют в единый компонент с излучателем света, обычно светодиодом ( LED), либо для обнаружения наличия механического препятствия на пути луча ( щелевой оптический переключатель ), либо для соединения двух цифровых или аналоговых схем. сохраняя при этом чрезвычайно высокую электрическую изоляцию между ними, часто в целях безопасности ( оптопара ). Комбинация светодиода и фотодиода также используется во многих сенсорных системах для определения характеристик различных типов продуктов на основе их оптического поглощения .
Фотодиоды часто используются для точного измерения интенсивности света в науке и промышленности. Обычно они имеют более линейный отклик, чем фотопроводники.
Они также широко используются в различных медицинских приложениях, таких как детекторы для компьютерной томографии (в сочетании со сцинтилляторами ), инструменты для анализа проб ( иммунологический анализ ) и пульсоксиметры .
PIN-диоды намного быстрее и чувствительнее, чем диоды с p – n-переходом, и, следовательно, часто используются для оптической связи и регулирования освещения.
P – n-фотодиоды не используются для измерения чрезвычайно низкой интенсивности света. Вместо этого, если необходима высокая чувствительность, для таких приложений, как астрономия , спектроскопия , оборудование ночного видения и лазерная дальномерность, используются лавинные фотодиоды , устройства с усиленной зарядовой связью или фотоумножители .
Преимущества по сравнению с фотоумножителями : [18]
Недостатки по сравнению с фотоумножителями :
Штыревой фотодиод (PPD) имеет неглубокий имплантат (P+ или N+) в диффузионном слое N-типа или P-типа соответственно над слоем подложки P-типа или N-типа (соответственно), так что промежуточный диффузионный слой может быть полностью обеднено основными носителями, как базовая область биполярного транзистора . PPD (обычно PNP) используется в КМОП -датчиках с активными пикселями ; Вариант с тройным переходом-предшественником NPNP с буферным МОП-конденсатором и схемой подсветки с полной передачей заряда и отсутствием задержки изображения был изобретен Sony в 1975 году. Эта схема широко использовалась во многих приложениях устройств переноса заряда.
Первые датчики изображения устройств с зарядовой связью страдали от задержки срабатывания затвора . Во многом это было объяснено повторным изобретением закрепленного фотодиода. [20] Он был разработан Нобуказу Тераниши , Хиромицу Сираки и Ясуо Исихара в NEC в 1980 году. [20] [21] Sony в 1975 году признала, что задержку можно устранить, если носители сигнала можно будет перенести с фотодиода на ПЗС-матрицу. Это привело к изобретению штыревого фотодиода, структуры фотодетектора с малой задержкой, низким уровнем шума , высокой квантовой эффективностью и низким темновым током . [20] Впервые об этом публично сообщили Тераниши и Исихара вместе с А. Кохоно, Э. Одой и К. Араи в 1982 году с добавлением структуры, препятствующей цветению. [20] [22] Новая структура фотодетектора, изобретенная Sony в 1975 году, разработанная NEC в 1982 году компанией Kodak в 1984 году, получила название «штыревой фотодиод» (PPD) от BC Burkey из Kodak в 1984 году. В 1987 году началась разработка PPD. будет включен в большинство ПЗС-сенсоров и станет неотъемлемой частью бытовых электронных видеокамер , а затем и цифровых фотоаппаратов . [20]
В 1994 году Эрик Фоссум , работая в Лаборатории реактивного движения НАСА ( JPL ), публично объяснил улучшение КМОП -сенсора : интеграцию закрепленного фотодиода. Датчик CMOS с технологией PPD был впервые изготовлен в 1995 году совместной командой JPL и Kodak , в которую входили Fossum, а также PPK Lee, RC Gee, RM Guidash и TH Lee. С тех пор PPD используется почти во всех КМОП-сенсорах. КМОП-сенсор с технологией PPD был дополнительно усовершенствован и усовершенствован Р.М. Гуидашем 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 наравне с ПЗС-сенсорами, а позже превышает датчики CCD. [20]
Одномерная матрица из сотен или тысяч фотодиодов может использоваться в качестве датчика положения , например, как часть датчика угла. [23] Двумерная матрица используется в датчиках изображения и оптических мышах .
В некоторых приложениях фотодиодные матрицы обеспечивают высокоскоростное параллельное считывание в отличие от интеграции сканирующей электроники, как в устройствах с зарядовой связью (CCD) или CMOS-датчиках . Чип оптической мыши, показанный на фотографии, имеет параллельный (не мультиплексированный) доступ ко всем 16 фотодиодам в своей матрице 4×4.
Пассивно -пиксельный датчик (PPS) представляет собой тип матрицы фотодиодов. Это был предшественник датчика активных пикселей (APS). [20] Пассивно-пиксельный датчик состоит из пассивных пикселей, которые считываются без усиления , причем каждый пиксель состоит из фотодиода и МОП- транзистора. [24] В матрице фотодиодов пиксели содержат p–n-переход , встроенный конденсатор и МОП-транзисторы в качестве транзисторов выбора . Фотодиодная матрица была предложена Г. Веклером в 1968 году, до ПЗС-матрицы. [25] Это послужило основой для PPS. [20]
Шум фотодиодных матриц иногда ограничивает производительность. В 1970-х годах было невозможно изготовить активные пиксельные датчики с практическим размером пикселя из-за ограниченности технологии микролитографии в то время. [25]
Эта статья включает общедоступные материалы из Федерального стандарта 1037C. Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г.
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 [частоты мягких ошибок] в [динамической памяти с произвольным доступом].