Кіріспе
Жарықты токқа айналдырады. Фотодиод – фотон сәулесіне, мысалы, көрінетін жарыққа, инфрақызыл немесе ультракүлгін сәулесіне, рентген сәулелеріне және гамма сәулелеріне сезімтал жартылай өткізгіш диод. Ол фотондарды сіңіріп алғанда электр тогын тудырады. Бұл анықтау және өлшеу қолданбаларында немесе күн жасушаларында электр қуатын өндіру үшін пайдаланылуы мүмкін. Фотодиодтар электромагниттік спектрдің барлық диапазонында қолданылады – көрінетін жарық фотоэлементтерінен бастап гамма сәуле спектрометрлеріне дейін.
A photodiode is a semiconductor diode sensitive to photon radiation, such as visible light, infrared or ultraviolet radiation, X rays and gamma rays. It produces an electrical current when it absorbs photons. This can be used for detection and measurement applications, or for the generation of electrical power in solar cells. Photodiodes are used in a wide range of applications throughout the electromagnetic spectrum from visible light photocells to gamma ray spectrometers.
Жұмыс істеу принципі
Фотодиод – ПИН құрылымы немесе p–n торабы. Егер жеткілікті энергиясы бар фотон диодқа түскенде, электрон-тесік жұбы пайда болады. Бұл механизм ішкі фотоэлектрлік эффект деп те аталады. Егер сіңіру тораптың ажырау аймағында немесе одан бір диффузиялық ұзындық қашықтықта болса, осы заряд тасымалдаушылар ажырау аймағының ішкі электр өрісімен тораптан сыртқа шығарылады. Осылайша тесіктер анодқа, ал электрондар катодқа қарай жылжиды, нәтижесінде фототок туындайды. Фотодиод арқылы өтетін жалпы ток – қараңғы токтан (жарық болмағанда өтетін ток) және фототоктан тұрады, сондықтан құрылғының сезімталдығын арттыру үшін қараңғы токты азайту қажет. Бірінші дәрежеде, белгілі бір спектральдік таралу үшін фототок сәулелену интенсивтігіне тура пропорционал.
Фотоэлектрлік режим
Фотоэлектрлік режимде (нөлдік қиылыс) фототок катодқа қысқаша тұйықтама арқылы анодқа ағып түседі. Егер тізбек ашық болса немесе жүктеме кедергісі болса, құрылғыдан фототоктың шығуын шектейтін болса, диодты тікелей бағытта қоздыратын бағытта кернеу пайда болады, яғни катодқа қатысты анод оң болады. Егер тізбек қысқа тұйықталса немесе кедергісі төмен болса, тікелей ток фототоктың барлығын немесе бір бөлігін жұтып қояды. Бұл режим фотоэлектрлік эффектті пайдаланады, ол күн жасушаларының негізі болып табылады – дәстүрлі күн жасушасы тек үлкен ауданы бар фотодиод. Ең жоғары қуатты алу үшін фотоэлектрлік жасуша фототокпен салыстырғанда аз ғана тікелей ток тудыратын кернеуде жұмыс істеуі керек. Жақсы PIN диодтың ағыны өте төмен (<1 нА) болғандықтан, әдеттегі тізбектегі жүктеме кедергісінің Джонсон-Найквист шуы көбінесе басым болады.
Қатынасты құрылғылар
Аваланшалық фотодиодтар – кері бұрылыс кернеуіне жақындаған жоғары кері бұрылыспен жұмыс істеуге бейімделген құрылымы бар фотодиодтар. Бұл, әрбір фотожасалынған заряд тасымалдаушысының авалншалық құлау арқылы күшейтілуіне мүмкіндік береді, нәтижесінде фотодиодтың ішкі күшейтілуі пайда болады, бұл құрылғының тиімді жауап беру қабілетін арттырады. Фототранзистор – жарыққа сезімтал транзистор. Фототранзистордың кең таралған түрі – биполярлы фототранзистор, ол негізінен база-коллекторлық байланысқа жарық түсуі үшін мөлдір корпуста орналасқан биполярлы транзистор. Оны 1948 жылы Bell Labs-те Джон Н. Шив (оның толқын машинасымен әйгілі) ойлап тапты, бірақ ол 1950 жылға дейін жарияланбады. База-коллекторлық байланыста фотондардың әсерінен туындаған электрондар базаға жіберіледі, ал бұл фотодиод тогы транзистордың β (немесе hfe) тоқ күшейту коэффициентімен күшейтіледі. Егер база мен коллектор қосылымдары қолданылса, ал эмитер қосылмаса, фототранзистор фотодиодқа айналады. Фототранзисторлар жарыққа жоғары сезімтал болғанымен, фотодиодтарға қарағанда жарықтың төмен деңгейін анықтауда артықшылығы жоқ. Фототранзисторлардың реакция уақыты да айтарлықтай ұзақ. Фототранзистордың тағы бір түрі – өрістік эффект фототранзисторы (фотоФЭТ деп те аталады) – жарыққа сезімтал өрістік эффект транзисторы. Фотобиполярлы транзисторлардан ерекшелігі, фотоФЭТ-тер ағын көзінің тогын шлюз кернеуін жасау арқылы басқарады. Соляристор – екі қосқышы бар, шлюзі жоқ фототранзистор. ICN2 зерттеушілері 2018 жылы екі қосқышты фототранзисторлардың немесе соляристорлардың ықшам класын көрсетті. Жаңа концепция – фотожасалынған заряд тасымалдаушыларының ағынындағы мемрезистивті эффектті пайдаланып, күн энергиясымен жұмыс істейтін екі бірге біріктірілген қуат көзі және транзистор құрылғысы.
Қажетті емес және қажетті фотодиодтық әсерлер
Кез келген p–n торабы жарықтандырылса, потенциалды фотодиод бола алады. Диодтар, транзисторлар және интегралдық схемалар сияқты жартылай өткізгіш құрылғыларда p–n тораптары болады, және егер оларға қажетсіз жарық түсірілсе, дұрыс жұмыс істемейді. Бұл құрылғыларды мөлдір емес қаптамаларға орналастыру арқылы болдырмайды. Егер осы қаптамалар жоғары энергиялы сәулеленуге (күлдіреуік, рентген сәулелері, гамма сәулелері) толығымен өткізбесе, диодтар, транзисторлар және интегралдық схемалар туындаған фототоктардан бұзылуы мүмкін. Қаптамадан келетін фондық сәулелену де маңызды. Сәулеленуге төзімділік осы әсерлерді азайтады. Кейбір жағдайларда бұл әсер қажет болуы мүмкін, мысалы, жарыққа сезімтал құрылғы ретінде светодиодтарды пайдалану (светодиодты жарық сенсоры ретінде қараңыз) немесе тіпті энергия жинау үшін, онда оларды жарық шығаратын және жарық сіңіретін диодтар (LEAD) деп атайды.
Ерекшеліктері
Фотодиодтың маңызды параметрлері спектрлік жауап, қараңғы ток, жауап уақыты және шуға тең қуатты қамтиды. Спектрлік жауап Спектрлік жауап – фотодиодтың фототок пен түсетін жарық қуатының арақатынасы, фотоөткізгіш режимде қолданылғанда А/В бірлігімен көрсетіледі. Толқын ұзындығына тәуелділік кванттық тиімділік ретінде де берілуі мүмкін, ол фотожасалатын тасымалдаушылардың саны мен түсетін фотондардың арақатынасы болып табылады және өлшемсіз шама. Қараңғы ток Қараңғы ток – фотодиодтың жарық болмағанда, фотоөткізгіш режимде жұмыс істеген кездегі тогы. Қараңғы токқа фондық сәулеленуден туындаған фототок және жартылай өткізгіштің тоғысу тогы кіреді. Фотодиодты оптикалық қуатты дәл өлшеу үшін пайдаланғанда, қараңғы ток калибрлеу арқылы ескерілуі керек, сондай-ақ фотодиодты оптикалық байланыс жүйесінде қолданғанда шу көзі болып табылады. Жауап уақыты Жауап уақыты – детектордың оптикалық сигналға жауап беруіне қажетті уақыт. Жартылай өткізгіш материал сіңірген фотон электрон-тесік жұбын жасайды, ол электр өрісінің әсерінен материалда қозғалып, ток тудырады. Осы токқа кеткен уақыттың шекті ұзақтығы транзит уақытының таралуы деп аталады және Рамо теоремасын қолдану арқылы есептелуі мүмкін. Бұл теорема бойынша сыртқы тізбекте пайда болған жалпы заряд екі тасымалдаушының болуына байланысты күтілетін 2e емес, e тең болады. Шындығында, электрон мен тесіктің тогының уақыт бойынша интегралы e-ге тең болуы керек. Фотодиодтың кедергісі мен сыйымдылығы және сыртқы тізбек RC уақыт тұрақтысын тудырады, ол жауап уақытының бір түрі. R және C комбинациясы фотожауапты уақыт бойынша интегралдайды, соның салдарынан фотодиодтың импульстік жауабы ұзарады. Оптикалық байланыс жүйесінде қолданылғанда, жауап уақыты сигналды модуляциялауға және деректерді беруге қол жетімді жолақтың енін анықтайды. Шуға тең қуат Шуға тең қуат (NEP) – 1 герц жолақтағы тиімді шу тогына тең фототокты тудыру үшін қажетті ең төменгі кіретін оптикалық қуат. NEP – ең төменгі анықталатын қуат. Детективтілік сипаттамасы NEP-тің кері шамасы (1/NEP) болып табылады, ал нақты детективити – детективитидің 1 Гц жолақтығы үшін фотодетектордың ауданының квадрат түбіріне көбейтілген шамасы. Нақты детективити түрлі жүйелерді сенсор ауданы мен жүйе жолақтығына қарамастан салыстыруға мүмкіндік береді; жоғары детективити мәні төмен шулы құрылғыны немесе жүйені көрсетеді. Диодтың сапасын бағалау үшін көптеген каталогтарда көрсетілгенімен, іс жүзінде бұл параметр көбінесе маңызды емес. Фотодиодты оптикалық байланыс жүйесінде қолданғанда, осы барлық параметрлер оптикалық қабылдағыштың сезімталдығына әсер етеді, ол қабылдағыштың белгіленген бит қателік деңгейіне жетуі үшін қажетті ең төменгі кіріс қуаты болып табылады.
Қолданбалар
P–n фотодиодтары фотожетекшілер, зарядталған құрылғылар (CCD) және фотокөбейтуші түтіктер сияқты басқа фотодетекторлармен салыстырылатын қолданыстарда қолданылады. Олар жарық интенсивтігіне байланысты шығыс сигналын (өлшеу үшін аналогтық) жасауға немесе схемалардың күйін өзгертуге (басқару және коммутациялау немесе цифрлық сигналды өңдеу үшін цифрлық) қолданылуы мүмкін. Фотодиодтар тұтынушы электроника құрылымдарында, мысалы, компакт-диск ойнатқыштарында, түтін детекторларында, медициналық құрылғыларда және телевизорлардан ауа кондиционерлеріне дейінгі жабдықтарды басқаруға арналған инфрақызыл қашықтан басқару құрылғыларының қабылдағыштарында қолданылады. Көптеген қолданыстарда фотодиодтар немесе фотоөткізгіштер қолданылуы мүмкін. Кез келген фотосенсор жарықты өлшеу үшін (мысалы, камерадағы жарық өлшегішінде) немесе жарық деңгейіне жауап беру үшін (мысалы, қараңғыда көше жарығын қосу үшін) пайдаланылуы мүмкін. Барлық фотосенсорлар түсетін жарыққа немесе бір схеманың немесе жүйенің бөлігі болып табылатын жарық көзіне жауап беру үшін қолданылуы мүмкін. Фотодиод көбінесе жарық шығаратын диодпен (LED) бірге біріктіріледі, әдетте, сәулеге механикалық кедергінің болуын анықтау үшін (ұялы оптикалық коммутатор) немесе екі цифрлық немесе аналогтық схеманы өте жоғары электрлік оқшаулауды сақтай отырып қосу үшін (оптоқосқыш), көбінесе қауіпсіздік мақсатында. LED және фотодиодтың комбинациясы көптеген сенсорлық жүйелерде әртүрлі өнімдерді олардың оптикалық сіңіру қабілетіне сәйкес сипаттау үшін қолданылады. Фотодиодтар ғылым мен өнеркәсіпте жарық интенсивтілігін дәл өлшеу үшін жиі қолданылады. Олардың жауабы фотоөткізгіштерге қарағанда көбірек сызықтық. Олар сондай-ақ, компьютерлік томографияға арналған детекторлар (сцинтилляторлармен бірге), үлгілерді талдау құралдары (иммуноталдау) және пульсоксиметрлер сияқты әртүрлі медициналық қолданыстарда кеңінен қолданылады. PIN диодтары p–n торапты диодтарға қарағанда әлдеқайда жылдам және сезімтал, сондықтан олар оптикалық байланыс және жарықтандыруды реттеуде жиі қолданылады. P–n фотодиодтары өте төмен жарық интенсивтілігін өлшеу үшін қолданылмайды. Керісінше, жоғары сезімталдық қажет болса, лавиналық фотодиодтар, күшейтілген зарядталған құрылғылар немесе фотокөбейтуші түтіктер астрономия, спектроскопия, түнгі көру құралдары және лазерлік қашықтық өлшегіштер сияқты қолданыстар үшін қолданылады.
Кесу фотодиодтары
Пинді фотодиод (PPD) N типі немесе P типі диффузиялық қабатында, P немесе N типі (сәйкесінше) субстрат қабатының үстінде, аралық диффузиялық қабаты биполярлы тораптық транзистордың базалық аймағы сияқты басым тасымалдаушылардан толығымен босатылуы мүмкін. PPD (әдетте PNP) CMOS белсенді пикселдік сенсорларында қолданылады; 1975 жылы Sony компаниясы MOS буферлік конденсаторы және толық заряд берумен және кескіннің созылуы жоқ артқы жарықтандыру схемасы бар үштік NPNP құрылымын ойлап тапты. Бұл схема зарядты беру құрылғыларының көптеген қолданбаларында кеңінен қолданылды. Алғашқы зарядталған құрылғы бейне сенсорлары жапсырманың созылуынан зардап шекті. Бұл, негізінен, пинді фотодиодты қайта ойлап табумен түсіндірілді. 1975 жылы Sony компаниясы сигнал тасымалдаушыларын фотодиодтан CCD-ге беру арқылы созылуды жоюға болатындығын анықтады. Бұл олардың пинді фотодиодты, төмен созылумен, төмен шумен, жоғары кванттық тиімділікпен және төмен қараңғы токпен фотодетектор құрылымын ойлап табуына әкелді. 1975 жылы Sony компаниясы ойлап тапқан жаңа фотодетектор құрылымын 1982 жылы NEC, ал 1984 жылы Kodak компаниясы дамытты. 1984 жылы Kodak компаниясында Б.К. Берки бұл құрылымды "пинді фотодиод" (PPD) деп атады. 1987 жылы PPD көптеген CCD сенсорларына енгізіле бастады, тұтынушылық электрондық бейнекамераларда, содан кейін цифрлық фотокамераларда қалыпты жағдайға айналды. Екі өлшемді массивтер бейне сенсорларында және оптикалық тышқандарда қолданылады. Кейбір қолданбаларда фотодиодтық массивтер жоғары жылдамдықты параллельді оқуға мүмкіндік береді, зарядталған құрылғыда (CCD) немесе CMOS сенсорындағы сканерлеу электроникасын біріктіруге қарамастан. Суретте көрсетілген оптикалық тышқан чипі 4 × 4 массивіндегі барлық 16 фотодиодқа қатар (мультиплекстеусіз) қол жеткізе алады.
Пассивті пикселді бейне сенсоры
Пассивті пикселдік сенсор (PPS) – фотодиод массивінің бір түрі. Ол белсенді пикселдік сенсордың (APS) алға құрылғысы болды. Пассивті пикселдік сенсор күшейткішсіз оқылған пассивті пиксельдерден тұрады, әр пиксель фотодиодтан және MOSFET қосқыштан құралған. Фотодиод массивінде пиксельдер p-n торабы, интеграцияланған конденсатор және таңдау транзисторлары ретінде MOSFET-тер болады. 1968 жылы Г. Веклер фотодиод массивін ұсынды, бұл CCD-ден ертерек болды. Осыған арқасында PPS пайда болды. Фотодиод массивінің шуы кейде өнімділіктің шектеуіне әкелуі мүмкін. 1970 жылдары қолдағы микролитография технологиясының шектеулілігіне байланысты, практикалық пиксел өлшемімен белсенді пикселдік сенсорларды жасау мүмкін болмады.