Фотодиоды, виды, принцип работы

Что такое фотодиоды? 

"Фотодиоды - это полупроводниковые устройства, которые содержат p–n переход и часто собственный (нелегированный) слой между n и p слоями..."

---

Полезные статьи:

Фототранзисторы, виды, принцип работы

Фотокатоды, виды, принцип работы

Все статьи

 

Устройства со встроенным слоем называются p–i–n или PIN-фотодиодами. Свет, поглощенный в области обеднения или собственной области, генерирует электронно–дырочные пары, большинство из которых вносят вклад в фототок. Он может быть довольно точно пропорционален интенсивности поглощенного (или падающего) света в широком диапазоне оптических мощностей.

Открытие фотодиода

Фотодиод был открыт в 1907 году русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым.

Ученый проводил эксперименты по изучению явления фотоэффекта – процесса, при котором свет вызывает электрический ток в проводнике. Он заметил, что ток, возникающий в проводнике при освещении, зависит от интенсивности света и длины волны света.

Для изучения этого явления был разработан специальный прибор – фотоэлемент, который состоял из двух электродов – катода и анода. Катод был сделан из металла, а анод – из полупроводника. При освещении катода светом, электроны начинали двигаться к аноду, создавая электрический ток.

Открыв явление фотоэффекта, Столетов также обнаружил, что ток может быть увеличен, если увеличить интенсивность света или уменьшить длину волны света. Это открытие стало основой для создания фотодиода – полупроводникового прибора, который преобразует свет в электрический ток.

Виды фотодиодов

Быстрые фотодиоды

Для особенно высокой полосы пропускания в области гигагерц используются усовершенствованные конструкции фотодиодов. Например, некоторые устройства содержат оптический резонатор вокруг тонкой поглощающей секции. 

Таким образом, можно достичь эффективного поглощения и, следовательно, высокой квантовой эффективности. Несмотря на довольно малую толщину внутренней области, выбранную для уменьшения времени дрейфа.

Так называемые волноводные фотодиоды содержат оптический волновод, который ограничивает свет вдоль его пути через область поглощения. В этом случае эта область снова может быть очень тонкой, и, тем не менее, можно получить эффективное поглощение на короткой длине. Минимизируя длину активной области, можно также минимизировать электрическую емкость и достичь очень высокой полосы пропускания.

В некоторых случаях структура электрода выполнена таким образом, что он образует электрический волновод, где электрическая волна может распространяться параллельно с оптической волной в оптическом волноводе. Такие фотодиоды с бегущей волной могут достигать полосы пропускания значительно выше 100 ГГц.

Некоторые полупроводниковые материалы по своей сути лучше других подходят для быстродействующих фотодиодов. Например, арсенид индия-галлия (InGaAs) особенно подходит, поскольку этот материал с прямой запрещенной зоной (в отличие, например, от кремния) обладает довольно короткой длиной поглощения. 

Это позволяет создавать очень тонкие поглощающие слои, в которых можно быстро собирать фотоносители. Для быстрых лавинных фотодиодов также важно иметь низкое соотношение коэффициентов ударной ионизации для дырок и электронов.

Сэндвич-детекторы

Существуют так называемые сэндвич-детекторы или двухцветные фотодиоды, состоящие из двух (или более) последовательно расположенных фотодиодов. Верхний фотодиод изготовлен из материалов с наибольшей энергией запрещенной зоны и поглощает коротковолновый свет, в то же время передавая большую часть света с более длинными волнами, который не может быть поглощен. Затем прошедший свет попадает на другой фотодиод. Соотношение мощностей, обнаруживаемых фотодиодами, зависит от длины волны.

Тот же принцип может также применяться с фотодиодами, изготовленными из того же материала, потому что на более длинных волнах (ближе к запрещенной зоне) верхний фотодиод не будет поглощать весь свет. Снова получается зависящее от длины волны соотношение сигналов от двух фотодиодов.

Сэндвич-детекторы могут использоваться для дистанционного измерения температуры, например, когда используется соотношение сигналов от двух фотодиодов: чем выше температура, тем выше относительное количество излучения на более коротких длинах волн.

Многосегментные фотодиоды и матрицы фотодиодов

Фотодиоды доступны не только в виде односегментных детекторов. Существуют двух- и квадрантные фотодиоды, которые могут использоваться для точного измерения, а также одномерные и двумерные матрицы фотодиодов. Более подробную информацию смотрите в статье о позиционно-чувствительных детекторах.

Фотодиод иногда встроен в корпус лазерного диода. Он может обнаруживать некоторое количество света, проходящего через сильно отражающую заднюю грань, мощность которой пропорциональна выходной мощности. Полученный сигнал может быть использован, например, для стабилизации выходной мощности или для обнаружения деградации устройства. 

Устройство фотодиода

На рисунке 1 схематично показана типичная конструкция фотодиода типа p–i–n. Здесь имеется внутренняя область между областью, легированной n, и областью, легированной p, где генерируется большая часть электрических носителей. Через электрические контакты (анод и катод) может быть получен генерируемый фототок. 

Анод может иметь кольцевую форму, чтобы свет можно было пропускать через отверстие. Большая активная область может быть получена с помощью соответственно большого кольца, но это приводит к увеличению емкости, тем самым уменьшая полосу пропускания детектирования, и увеличивает темновой ток. Кроме того, эффективность может снизиться, если несущие генерируются слишком далеко от электродов.

Для высокой чувствительности фотодиода необходимо использовать материал с сильным поглощением для интересующей оптической длины волны. При использовании более толстого слоя для получения эффективного поглощения можно потерять много генерируемых носителей и, следовательно, все еще существенно не улучшить чувствительность.

Некоторые фотодиоды выпускаются в виде фотодиодных матриц одномерного или двумерного вида. Двумерные матрицы детекторов, например, для использования в качестве датчиков изображения, могут быть реализованы с фотодиодами или с фотоприемниками других типов.

Для существенного повышения чувствительности можно использовать лавинные фотодиоды или фототранзисторы. Они основаны на совершенно разных принципах работы.

Режимы работы фотодиодов

Фотодиоды могут работать в двух совершенно разных режимах.

Фотоэлектрический режим

Подобно солнечному элементу, освещенный фотодиод генерирует напряжение, которое можно измерить. Однако зависимость этого напряжения от мощности света нелинейна, а динамический диапазон довольно мал. Также не достигается максимальная скорость.

В фотоэлектрическом режиме отклик нелинейный. В фотопроводящем режиме, показанном здесь для простой схемы с обратным смещением, подаваемым через нагрузочный резистор, достигается очень линейный отклик. То же самое справедливо для постоянного обратного смещения.

Фотопроводящий режим

Здесь на диод подается обратное напряжение (т. е. напряжение в направлении, в котором диод не проводит без падающего света) и измеряется результирующий фототок. Простейшее решение для этого режима с обратным смещением основано на источнике напряжения и нагрузочном резисторе. 

Зависимость фототока от мощности света может быть очень линейной в пределах шести или более порядков величины мощности света, например, в диапазоне от нескольких нановатт до десятков милливатт для кремниевого p–i–n фотодиода с активной площадью в несколько мм². 

Величина обратного напряжения почти не влияет на фототок и оказывает некоторое влияние на (обычно небольшой) темновой ток (полученный без освещения). Более высокое обратное напряжение, как правило, ускоряет отклик, но также увеличивает нагрев устройства, что может быть проблемой при высоких фототоках. 

Даже при использовании в фотопроводящем режиме фотодиоды обычно не считаются фотопроводящими детекторами, которые имеют существенно иной принцип действия. Простые схемы фотодиодов приводят к ограниченной по RC полосе пропускания, что приводит к компромиссу между полосой пропускания и чувствительностью.

В простой схеме величина напряжения смещения падает с увеличением фототока из-за падения напряжения на нагрузочном резисторе. Хотя это мало влияет на линейность, это приводит к зарядке или разрядке емкости фотодиода всякий раз, когда изменяется интенсивность падающего света, так что полоса обнаружения уменьшается; она может стать RC-ограниченной. 

Это приводит к компромиссу между полосой пропускания обнаружения и чувствительностью: для высокой полосы пропускания требуется небольшое нагрузочное сопротивление, что приводит к низкой чувствительности, а также к более высокой мощности, эквивалентной шуму, которая часто ограничивается тепловым шумом (шумом Джонсона) нагрузочного сопротивления.

Усилители тока

Чтобы избежать этого компромисса, часто используется усилитель тока. Он обычно реализуется с операционным усилителем, поддерживает напряжение на диоде почти постоянным, так что емкость фотодиода теряет большую часть своей значимости. Изменения остаточного напряжения на фотодиоде обратно пропорциональны коэффициенту усиления используемого операционного усилителя. 

Тем не менее, полезно минимизировать входную емкость, когда требуется высокая полоса пропускания обнаружения; например, лучше напрямую подключить фотодиод к усилителю тока вместо использования длинного кабельного соединения.

Усилители тока, которые также доступны в качестве устройств OEM, также могут обладать очень хорошими шумовыми свойствами. Соответствующий показатель - эквивалентный шуму входной ток, который может быть значительно ниже 1 пА / Гц ^1/2.

Имеющиеся в продаже лабораторные усилители тока помогают сделать измерения мощности очень гибкими, предоставляя множество различных настроек чувствительности и, следовательно, огромный динамический диапазон с низким уровнем шума, а также, возможно, встроенный дисплей, регулируемое напряжение смещения и смещение сигнала, регулируемые фильтры и т.д.

Материалы фотодиодов

Полупроводниковые материалы фотодиодов и их типичные характеристики являются:

• кремний (Si): низкий темновой ток, высокая скорость, хорошая чувствительность примерно от 400 до 1000 нм (лучше всего около 800-900 нм)
• арсенид галлия (GaAs): подходит для видимого света, например, от 400 до 700 нм. Может быть изготовлен очень быстро (но менее чувствителен) при низкой температуре роста, облучении нейтронами или ионной имплантации с продолжительностью жизни носителей значительно ниже 1 пс.
• германий (Ge): высокий темновой ток, низкая скорость из-за большой паразитной емкости, хорошая чувствительность примерно от 900 до 1600 нм (лучше всего около 1400-1500 нм)
• фосфид арсенида индия-галлия (InGaAsP): дорогой, с низким темновым током, высокой скоростью, хорошей чувствительностью примерно от 1000 до 1350 нм (лучше всего около 1100-1300 нм).
• арсенид индия-галлия (InGaAs): дорогой (особенно для больших активных областей), низкий темновой ток, высокая скорость, хорошая чувствительность примерно от 900 до 1700 нм (лучше всего около 1300-1600 нм)

Указанные диапазоны длин волн иногда могут быть существенно превышены моделями с расширенным спектральным откликом.

Свойства фотодиодов

Наиболее важными свойствами фотодиодов являются:

• чувствительность, то есть фототок на единицу оптической мощности, связанный с квантовой эффективностью, зависящей от длины волны;
• активная область, то есть светочувствительная область;
• напряжение пробоя, устанавливающее предел применимого напряжения смещения;
• максимально допустимый фототок (обычно ограничен насыщением, возможно, ниже при высоких напряжениях смещения);
• темновой ток (в фотопроводящем режиме, зависит от напряжения смещения, важен для обнаружения низких уровней освещенности);
• скорость (полоса пропускания), связанная со временем нарастания и спада, часто зависит от электрической емкости;
• довольно высокое сопротивление шунта создает небольшой ток при подаче напряжения смещения. Это также вносит некоторый ток теплового шума, который в некоторых случаях ограничивает чувствительность;
• малое последовательное сопротивление вызывает дополнительное падение напряжения, пропорциональное фототоку, а также может в некоторой степени вносить вклад в шум обнаружения.

Пропускная способность

Скорость фотодиода обычно ограничена либо электрическими параметрами (емкость и внешний резистор), либо внутренними эффектами, такими как время прохождения носителя в области истощения. В некоторых случаях относительно медленная диффузия носителей, генерируемых за пределами области обеднения, ограничивает полосу пропускания. 

Наибольшая ширина полосы в десятки гигагерц обычно достигается при небольших активных областях (диаметры значительно ниже 1 мм) и малых объемах поглощения. Такие небольшие активные области по-прежнему практичны, особенно для устройств с волоконной связью, но они ограничивают достижимые фототоки величиной порядка 1 мА или менее, что соответствует оптической мощности ≈ 2 МВт или менее. 

Более высокие фототоки на самом деле желательны для подавления шума выстрела и теплового шума. Более высокие фототоки увеличивают шум выстрела в абсолютном выражении, но уменьшают его относительно сигнала. Большие активные области (диаметром порядка 1 см) позволяют обрабатывать большие пучки и гораздо более высокие фототоки, но за счет более низкой скорости.

Сочетание высокой полосы пропускания и высоких фототоков достигается в фотоприемниках с согласованной скоростью, содержащих несколько фотоприемников малой площади, которые слабо связаны с оптическим волноводом и передают свои фототоки в общую структуру ВЧ-волновода.

Квантовая эффективность

Квантовая эффективность фотодиода - это доля падающих (или поглощенных) фотонов, которые вносят вклад в фототок. Для фотодиодов без лавинного эффекта это напрямую связано с чувствительностью.

Более высокая чувствительность (хотя иногда и ценой более низкой квантовой эффективности) может быть достигнута с помощью лавинных фотодиодов. Они работают при относительно высоком напряжении обратного смещения, так что могут генерироваться вторичные электроны (как в фотоумножителях). 

Лавинный процесс повышает чувствительность, так что шумовые воздействия последующих электронных усилителей минимизируются, тогда как квантовый шум становится более важным, и также появляется шум умножения.

Дополнительные свойства

В некоторых случаях необходимо соблюдать дополнительные свойства фотодиодов, такие как линейность отклика в широком динамическом диапазоне, пространственная однородность отклика или форма динамического отклика. Например, оптимизированная для временной или частотной области или шумовые характеристики.

Шумовые характеристики фотодиодов могут быть очень хорошими. Для высоких фототоков она может быть ограничена шумом дроби, хотя тепловой шум в электронике часто сильнее этого. Для обнаружения очень низких уровней освещенности темновой ток также может играть определенную роль.

Электроника, используемая в фотоприемнике на основе фотодиода, может сильно влиять на производительность с точки зрения скорости, линейности и шума. Как упоминалось выше, усилители тока (трансимпедансные усилители) часто являются хорошим выбором.

Применение фотодиодов

Фотодиоды используются в различных областях, таких как:

1. Фотоэлектрические системы. Фотодиоды могут использоваться для преобразования света в электрический сигнал, что позволяет использовать их в качестве датчиков для измерения уровня освещенности или для создания фотоэлектрических систем, которые преобразуют солнечную энергию в электрическую.
2. Оптоэлектроника. Фотодиоды широко используются в оптоэлектронике для передачи и приема световых сигналов, таких как сигналы управления и данных, в телекоммуникационных системах, компьютерах, оптических сетях и других устройствах.
3. Медицина и биотехнология. Фотодиоды имеют широкий спектр применения в медицине и биотехнологии, включая создание датчиков для обнаружения биологических маркеров, таких как гемоглобин, и для мониторинга состояния тканей и органов.
4. Оптические системы связи. Фотодиоды также используются в оптических системах связи для приема и генерации оптических сигналов.
5. Гаджеты. Фотодиоды являются важным компонентом многих электронных устройств, таких как смарт-устройства, камеры, фотокамеры и другие гаджеты, где они используются для преобразования световых сигналов в электрические сигналы.