stringtranslate.com

Фотодиод

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. Это может использоваться для обнаружения и измерения или для генерации электроэнергии в солнечных батареях . Фотодиоды используются в широком диапазоне приложений по всему электромагнитному спектру от фотоэлементов видимого света до гамма-спектрометров.

Принцип действия

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 фотоэффект . 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 . Полный ток через фотодиод представляет собой сумму темнового тока (тока, который проходит при отсутствии света) и фототока, поэтому темновой ток должен быть минимизирован, чтобы максимизировать чувствительность устройства. [2]

В первом приближении, для заданного спектрального распределения, фототок линейно пропорционален облученности . [ 3]

Фотоэлектрический режим

IV характеристика фотодиода. Линейные линии нагрузки отображают реакцию внешней цепи: I=(Приложенное напряжение смещения-Напряжение диода)/Общее сопротивление. Точки пересечения с кривыми отображают фактический ток и напряжение для заданного смещения, сопротивления и освещенности.

В фотоэлектрическом режиме (нулевое смещение ) фототок течет в анод через короткое замыкание на катод. Если цепь разомкнута или имеет сопротивление нагрузки, ограничивающее фототок из устройства, напряжение нарастает в направлении, которое смещает диод вперед, то есть анод положительный по отношению к катоду. Если цепь закорочена или сопротивление низкое, прямой ток будет потреблять весь или часть фототока. Этот режим использует фотоэлектрический эффект , который является основой для солнечных элементов — традиционный солнечный элемент представляет собой просто фотодиод большой площади. Для оптимальной выходной мощности фотоэлектрический элемент будет работать при напряжении, которое вызывает только небольшой прямой ток по сравнению с фототоком. [3]

Фотопроводящий режим

В фотопроводящем режиме диод смещен в обратном направлении , то есть катод находится в положительном положении по отношению к аноду. Это сокращает время отклика, поскольку дополнительное обратное смещение увеличивает ширину обедненного слоя, что уменьшает емкость перехода и увеличивает область с электрическим полем, которое будет вызывать быстрый сбор электронов. Обратное смещение также создает темновой ток без значительного изменения фототока.

Хотя этот режим быстрее, фотопроводящий режим может демонстрировать 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 типичной схеме часто доминирует.

Связанные устройства

Лавинные фотодиоды — это фотодиоды со структурой, оптимизированной для работы с высоким обратным смещением, приближающимся к обратному напряжению пробоя. Это позволяет каждому фотогенерированному носителю умножаться на лавинный пробой , что приводит к внутреннему усилению внутри фотодиода, что увеличивает эффективную чувствительность устройства. [5]

Электронный символ фототранзистора

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 было объявлено только в 1950 году. [7] Электроны, которые генерируются фотонами в переходе база-коллектор, инжектируются в базу, и этот ток фотодиода усиливается коэффициентом усиления тока транзистора β (или h fe ). Если используются выводы базы и коллектора, а эмиттер остается неподключенным, фототранзистор становится фотодиодом. Хотя фототранзисторы обладают более высокой чувствительностью к свету, они не способны обнаруживать низкие уровни света лучше, чем фотодиоды. [ необходима цитата ] Фототранзисторы также имеют значительно большее время отклика. Другой тип фототранзистора, полевой фототранзистор (также известный как photoFET), представляет собой светочувствительный полевой транзистор. В отличие от фотобиполярных транзисторов, photoFET ​​контролируют сток-исток ток, создавая напряжение затвора.

Соларистор — это двухтерминальный фототранзистор без затвора. Компактный класс двухтерминальных фототранзисторов или соларисторов был продемонстрирован в 2018 году исследователями ICN2 . Новая концепция представляет собой устройство «два в одном» — источник питания плюс транзистор, работающее на солнечной энергии за счет использования мемрезистивного эффекта в потоке фотогенерированных носителей. [8]

Материалы

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 создавать значительные фототоки.

Материалы, обычно используемые для производства фотодиодов, перечислены в таблице ниже. [9]

Благодаря большей ширине запрещенной зоны фотодиоды на основе кремния генерируют меньше шума, чем фотодиоды на основе германия.

Бинарные материалы, такие как MoS2 и графен, появились в качестве новых материалов для производства фотодиодов. [10]

Нежелательные и желаемые эффекты фотодиода

Любой p–n-переход, если он освещен, потенциально является фотодиодом. Полупроводниковые приборы, такие как диоды, транзисторы и ИС, содержат p–n-переходы и не будут работать правильно, если они освещены нежелательным светом. [11] [12] Этого можно избежать, помещая приборы в непрозрачные корпуса. Если эти корпуса не полностью непрозрачны для высокоэнергетического излучения (ультрафиолетового, рентгеновского, гамма-излучения), диоды, транзисторы и ИС могут работать со сбоями [13] из-за индуцированных фототоков. Фоновое излучение от упаковки также имеет значение. [14] Радиационное упрочнение смягчает эти эффекты.

В некоторых случаях этот эффект действительно необходим, например, для использования светодиодов в качестве светочувствительных устройств (см. Светодиод как датчик света ) или даже для сбора энергии , тогда их иногда называют светоизлучающими и светопоглощающими диодами (LEAD). [15]

Функции

Реакция кремниевого фотодиода на длину волны падающего света

К критическим параметрам производительности фотодиода относятся спектральная чувствительность, темновой ток, время отклика и эквивалентная шуму мощность.

Спектральная чувствительность
Спектральная чувствительность представляет собой отношение генерируемого фототока к мощности падающего света, выраженное в А / Вт при использовании в фотопроводящем режиме. Зависимость от длины волны может также быть выражена как квантовая эффективность или отношение числа фотогенерированных носителей к падающим фотонам, что является безразмерной величиной.
Темновой ток
Темновой ток — это ток через фотодиод при отсутствии света, когда он работает в фотопроводящем режиме. Темновой ток включает фототок, генерируемый фоновым излучением, и ток насыщения полупроводникового перехода. Темновой ток должен учитываться при калибровке, если фотодиод используется для точного измерения оптической мощности, а также является источником шума , когда фотодиод используется в оптической системе связи.
Время отклика
Время отклика — это время, необходимое детектору для реагирования на оптический входной сигнал. Фотон, поглощенный полупроводниковым материалом, генерирует пару электрон-дырка, которая, в свою очередь, начинает двигаться в материале под действием электрического поля и, таким образом, генерирует ток . Конечная длительность этого тока известна как время распространения и может быть оценена с помощью теоремы Рамо . С помощью этой теоремы можно также показать, что общий заряд, генерируемый во внешней цепи, равен e , а не 2e, как можно было бы ожидать из-за наличия двух носителей. Действительно, интеграл тока, обусловленного как электроном, так и дыркой, с течением времени должен быть равен e. Сопротивление и емкость фотодиода и внешней цепи приводят к другому времени отклика, известному как постоянная времени RC ( ). Эта комбинация R и C интегрирует фотоответ с течением времени и, таким образом, удлиняет импульсный отклик фотодиода. При использовании в оптической системе связи время отклика определяет полосу пропускания, доступную для модуляции сигнала и, следовательно, передачи данных.
Мощность, эквивалентная шуму
Эквивалентная шуму мощность (NEP) — ​​это минимальная входная оптическая мощность для генерации фототока, равная среднеквадратичному шумовому току в полосе пропускания 1  Гц . NEP по сути является минимальной обнаруживаемой мощностью. Соответствующая характеристическая обнаружительная способность ( ) является обратной величиной NEP (1/NEP), а удельная обнаружительная способность ( ) — это обнаружительная способность, умноженная на квадратный корень площади ( ) фотодетектора ( ) для полосы пропускания 1 Гц. Удельная обнаружительная способность позволяет сравнивать различные системы независимо от площади датчика и полосы пропускания системы; более высокое значение обнаружительной способности указывает на малошумящее устройство или систему. [16] Хотя во многих каталогах принято указывать ( ) в качестве меры качества диода, на практике это едва ли когда-либо является ключевым параметром.

При использовании фотодиода в оптической системе связи все эти параметры влияют на чувствительность оптического приемника, которая представляет собой минимальную входную мощность, необходимую приемнику для достижения заданного коэффициента битовых ошибок .

Приложения

Фотодиоды P–n используются в приложениях, аналогичных другим фотодетекторам , таким как фотопроводники , приборы с зарядовой связью (ПЗС) и фотоумножители . Они могут использоваться для генерации выходного сигнала, зависящего от освещенности (аналоговый для измерения), или для изменения состояния схемы (цифровой, либо для управления и переключения, либо для цифровой обработки сигнала).

Фотодиоды используются в потребительских электронных устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков , детекторы дыма , медицинские приборы [17] и приемники для инфракрасных устройств дистанционного управления, используемых для управления оборудованием от телевизоров до кондиционеров. Для многих приложений могут использоваться как фотодиоды, так и фотопроводники. Любой тип фотодатчика может использоваться для измерения освещенности, как в экспонометрах камер , 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 той же схемы или системы. Фотодиод часто объединяется в один компонент с излучателем света, обычно светодиодом ( LED), либо для обнаружения наличия механического препятствия лучу ( щелевой оптический переключатель ), либо для соединения двух цифровых или аналоговых схем с сохранением чрезвычайно высокой электрической изоляции между ними, часто для безопасности ( оптопара ). Сочетание светодиода и фотодиода также используется во многих сенсорных системах для характеристики различных типов продуктов на основе их оптического поглощения .

Фотодиоды часто используются для точного измерения интенсивности света в науке и промышленности. Они, как правило, имеют более линейный отклик, чем фотопроводники.

Они также широко используются в различных медицинских приложениях, таких как детекторы для компьютерной томографии (в сочетании со сцинтилляторами ), приборы для анализа образцов ( иммуноанализ ) и пульсоксиметры .

PIN-диоды намного быстрее и чувствительнее, чем диоды с p–n-переходом, поэтому их часто используют для оптической связи и регулирования освещения.

Фотодиоды P–n не используются для измерения чрезвычайно низкой интенсивности света. Вместо этого, если требуется высокая чувствительность, лавинные фотодиоды , усиленные приборы с зарядовой связью или фотоумножители используются для таких приложений, как астрономия , спектроскопия , приборы ночного видения и лазерные дальномеры .

Сравнение с фотоумножителями

Преимущества по сравнению с фотоумножителями : [18]

  1. Отличная линейность выходного тока в зависимости от падающего света
  2. Спектральный диапазон от 190 нм до 1100 нм ( кремний ), более длинные волны с другими полупроводниковыми материалами
  3. Низкий уровень шума
  4. Устойчив к механическим нагрузкам
  5. Бюджетный
  6. Компактный и легкий
  7. Длительный срок службы
  8. Высокая квантовая эффективность , обычно 60–80% [19]
  9. Высокое напряжение не требуется

Недостатки по сравнению с фотоумножителями :

  1. Небольшая площадь
  2. Нет внутреннего усиления (за исключением лавинных фотодиодов , но их усиление обычно составляет 10 2 –10 3 по сравнению с 10 5 -10 8 для фотоумножителя)
  3. Гораздо 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 конструкций больше
  6. Скрытый эффект

Закрепленный фотодиод

Прикрепленный фотодиод (PPD) имеет неглубокую имплантацию (P+ или N+) в диффузионном слое N-типа или P-типа, соответственно, поверх слоя подложки P-типа или N-типа (соответственно), так что промежуточный диффузионный слой может быть полностью обеднен основными носителями, как базовая область биполярного транзистора . PPD (обычно PNP) используется в КМОП- датчиках с активными пикселями ; предшествующий вариант тройного перехода NPNP с буферным конденсатором MOS и схемой подсветки с полной передачей заряда и без задержки изображения был изобретен Sony в 1975 году. Эта схема широко использовалась во многих приложениях устройств с передачей заряда.

Ранние датчики изображения на основе зарядовой связи страдали от задержки затвора . Это во многом объяснялось повторным изобретением закрепленного фотодиода. [20] Он был разработан Нобуказу Тераниши , Хиромицу Шираки и Ясуо Исихарой ​​в NEC в 1980 году . [20] [21] В 1975 году компания Sony поняла, что задержку можно устранить, если переносить носители сигнала с фотодиода на ПЗС. Это привело к изобретению закрепленного 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 совместно с А. Кохоно, Э. Одой и К. Араи в 1982 году с добавлением антиблюминговой структуры. [20] [22] Новая структура фотодетектора, изобретенная Sony в 1975 году, разработанная NEC в 1982 году и Kodak в 1984 году, получила название «прикрепленный фотодиод» (PPD) от BC Burkey в Kodak в 1984 году. В 1987 году PPD начали включать в большинство ПЗС-датчиков, став неотъемлемой частью потребительских электронных видеокамер , а затем и цифровых фотокамер . [20]

Датчик изображения CMOS с технологией PPD низкого напряжения был впервые изготовлен в 1995 году совместной командой JPL и Kodak . Датчик CMOS с технологией PPD был далее улучшен и усовершенствован RM Guidash в 1997 году, K. Yonemoto и H. Sumi в 2000 году и I. Inoue в 2003 году. Это привело к тому, что датчики CMOS достигли производительности изображения на уровне датчиков CCD, а позднее и превзошли датчики CCD.

Фотодиодная матрица

Одномерный фотодиодный матричный чип с более чем 200 диодами в линии по центру
Двумерная матрица фотодиодов размером всего 4 × 4 пикселя занимает левую сторону чипа первого оптического сенсора мыши, ок. 1982 г.

Одномерный массив из сотен или тысяч фотодиодов может использоваться в качестве датчика положения , например, как часть датчика угла. [23] Двумерный массив используется в датчиках изображения и оптических мышах .

В некоторых приложениях фотодиодные матрицы позволяют осуществлять высокоскоростное параллельное считывание, в отличие от интеграции сканирующей электроники, как в приборах с зарядовой связью (ПЗС) или КМОП-датчиках . Чип оптической мыши, показанный на фотографии, имеет параллельный (не мультиплексированный) доступ ко всем 16 фотодиодам в своей матрице 4 × 4.

Датчик изображения с пассивным пикселем

Пассивно -пиксельный датчик (PPS) — это тип фотодиодной матрицы. Он был предшественником активно-пиксельного датчика (APS). [20] Пассивно-пиксельный датчик состоит из пассивных пикселей, которые считываются без усиления , причем каждый пиксель состоит из фотодиода и переключателя MOSFET . [24] В фотодиодной матрице пиксели содержат p–n-переход , встроенный конденсатор и MOSFET в качестве транзисторов выбора . Фотодиодная матрица была предложена Г. Веклером в 1968 году, до появления ПЗС. [25] Это стало основой для PPS. [20]

Шум фотодиодных матриц иногда является ограничением производительности. В 1970-х годах не было возможности изготовить активные пиксельные датчики с практичным размером пикселя из-за ограниченной технологии микролитографии того времени. [25]

Смотрите также

Ссылки

Общественное достояние В этой статье использованы материалы из общедоступного федерального стандарта 1037C. Администрация общих служб . Архивировано из оригинала 2022-01-22.

  1. ^ Пирсолл, Томас (2010). Основы фотоники, 2-е издание. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-162935-5. Архивировано из оригинала 2021-08-17 . Получено 2021-02-25 .
  2. ^ Тавернье, Филипп и Стейерт, Мишель (2011) Высокоскоростные оптические приемники со встроенным фотодиодом в наномасштабном КМОП . Springer. ISBN 1-4419-9924-8 . Глава 3 От света к электрическому току – Фотодиод 
  3. ^ ab Häberlin, Heinrich (2012). Фотоэлектричество: системное проектирование и практика. John Wiley & Sons. стр. SA3–PA11–14. ISBN 9781119978381. Получено 19 апреля 2019 г. .
  4. ^ "Photodiode Application Notes – Excelitas – see note 4" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2014-11-13 . Получено 2014-11-13 .
  5. ^ Пирсолл, Томас; Поллак, Мартин (1985). Компаундные полупроводниковые фотодиоды, полупроводники и полуметаллы, т. 22D. Elsevier. стр. 173–245. doi :10.1016/S0080-8784(08)62953-1.
  6. ^ Риордан, Майкл ; Ходдесон, Лиллиан (1998). Crystal Fire: изобретение транзистора и рождение информационной эпохи . WW Norton & Company. ISBN 9780393318517.
  7. ^ "Фототранзистор". Bell Laboratories Record . Май 1950. Архивировано из оригинала 2015-07-04 . Получено 2012-04-09 .
  8. ^ Перес-Томас, Амадор; Лима, Андерсон; Биллон, Квентин; Ширли, Ян; каталанский, Густав; Лира-Канту, Моника (2018). «Солнечный транзистор и фотосегнетоэлектрическая память». Передовые функциональные материалы . 28 (17): 1707099. doi :10.1002/adfm.201707099. hdl : 10261/199048 . ISSN  1616-3028. S2CID  102819292.
  9. ^ Held. G, Введение в технологию светодиодов и их применение, CRC Press, (Worldwide, 2008). Гл. 5 стр. 116. ISBN 1-4200-7662-0 
  10. ^ 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 MoS-фототранзисторы». АСУ Нано . 6 (1): 74–80. arXiv : 1310.8066 . дои : 10.1021/nn2024557. PMID  22165908. S2CID  27038582.
  11. ^ Шэнфилд, З. и др. (1988) Исследование воздействия радиации на полупроводниковые приборы и интегральные схемы [ мертвая ссылка ] , DNA-TR-88-221
  12. ^ Иневски, Кшиштоф (ред.) (2010), Эффекты излучения в полупроводниках , CRC Press, ISBN 978-1-4398-2694-2 
  13. ^ Целлер, ХР (1995). «Отказы в мощных полупроводниковых приборах, вызванные космическими лучами». Твердотельная электроника . 38 (12): 2041–2046. Bibcode : 1995SSEle..38.2041Z. doi : 10.1016/0038-1101(95)00082-5.
  14. ^ May, TC; Woods, MH (1979). «Мягкие ошибки, вызванные альфа-частицами в динамических запоминающих устройствах». IEEE Transactions on Electron Devices . 26 (1): 2–9. Bibcode : 1979ITED...26....2M. doi : 10.1109/T-ED.1979.19370. S2CID  43748644.Цитируется в Baumann, RC (2004). «Мягкие ошибки в коммерческих интегральных схемах». International Journal of High Speed ​​Electronics and Systems . 14 (2): 299–309. doi :10.1142/S0129156404002363. Было обнаружено, что альфа-частицы, испускаемые при естественном радиоактивном распаде урана, тория и дочерних изотопов, присутствующих в качестве примесей в упаковочных материалах, являются основной причиной [частоты мягких ошибок] в [динамических запоминающих устройствах с произвольным доступом].
  15. ^ Эрцбергер, Арно (21 июня 2016 г.). «Halbleitertechnik Der LED fehlt der Doppelpfeil». Электроник (на немецком языке). Архивировано из оригинала 14 февраля 2017 г. Проверено 14 февраля 2017 г.
  16. ^ Брукер, Грэм (2009) Введение в датчики для измерения дальности и получения изображений , ScitTech Publishing. стр. 87. ISBN 9781891121746 
  17. ^ Э. Агилар Пелаес и др., «Компромиссы снижения мощности светодиодов для амбулаторной пульсоксиметрии», 2007 г. 29-я ежегодная международная конференция Общества инженеров в области медицины и биологии IEEE, Лион, 2007 г., стр. 2296–2299. doi: 10.1109/IEMBS.2007.4352784, URL: https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4352784&isnumber=4352185
  18. ^ Техническое руководство по фотодиодам. Архивировано 04.01.2007 на сайте Wayback Machine в Хамамацу.
  19. ^ Knoll, FG (2010). Обнаружение и измерение радиации , 4-е изд. Wiley, Hoboken, NJ. стр. 298. ISBN 978-0-470-13148-0 
  20. ^ abcdefg Фоссум, Эрик Р .; Хондонгва, ДБ (2014). «Обзор закрепленного фотодиода для датчиков изображения ПЗС и КМОП». Журнал IEEE Общества электронных приборов . 2 (3): 33–43. doi : 10.1109/JEDS.2014.2306412 .
  21. ^ Патент США 4,484,210, который представлял собой плавающий тип поверхностного скрытого фотодиода с аналогичной структурой изобретения Philips 1975 года. Твердотельное устройство формирования изображения с уменьшенной задержкой изображения
  22. ^ Teranishi, Nobuzaku ; Kohono, A.; Ishihara, Yasuo; Oda, E.; Arai, K. (декабрь 1982 г.). «Структура фотодиода без задержки изображения в датчике изображения на ПЗС-матрице с построчным матрицей». Международная конференция по электронным приборам 1982 г. , стр. 324–327. doi :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. ^ Kozlowski, LJ; Luo, J.; Kleinhans, WE; Liu, T. (14 сентября 1998 г.). Pain, Bedabrata; Lomheim, Terrence S. (ред.). "Сравнение пассивных и активных пиксельных схем для КМОП-визуализаторов". Infrared Readout Electronics IV . 3360. International Society for Optics and Photonics: 101–110. Bibcode : 1998SPIE.3360..101K. doi : 10.1117/12.584474. S2CID  123351913.
  25. ^ ab Fossum, Eric R. (12 июля 1993 г.). «Активные пиксельные датчики: динозавры ли CCDS?». В Blouke, Morley M. (ред.). Charge-Coupled Devices and Solid State Optical Sensors III . Vol. 1900. International Society for Optics and Photonics. pp. 2–14. Bibcode :1993SPIE.1900....2F. CiteSeerX 10.1.1.408.6558 . doi :10.1117/12.148585. S2CID  10556755.  {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Фотодиоды .