Фотодиоды: Преобразование света в электрический ток.

Введение

Преобразует свет в электрический ток.

Фотодиод — это полупроводниковый диод, чувствительный к фотонному излучению, такому как видимый свет, инфракрасное или ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Он генерирует электрический ток при поглощении фотонов. Это свойство используется в приложениях для обнаружения и измерения, а также для генерации электроэнергии в солнечных элементах. Фотодиоды применяются в широком диапазоне устройств, охватывающем весь электромагнитный спектр – от фотоэлементов, чувствительных к видимому свету, до спектрометров гамма-излучения.

Принцип действия

Фотодиод – это PIN-структура или p–n-переход. Когда фотон достаточной энергии попадает на диод, он создает электронно-дырочную пару. Этот механизм также известен как внутренний фотоэффект. Если поглощение происходит в обедненной области перехода или на расстоянии одной длины диффузии от нее, эти носители уносятся от перехода встроенным электрическим полем обедненной области. Таким образом, дырки движутся к аноду, а электроны – к катоду, и возникает фототок. Общий ток через фотодиод является суммой темнового тока (тока, протекающего в отсутствие света) и фототока, поэтому темновый ток необходимо минимизировать для максимального увеличения чувствительности прибора. В первом приближении, для заданного спектрального распределения, фототок линейно пропорционален облученности.

Фотоэлектрический режим

В фотоэлектрическом режиме (без смещения) фототок течет в анод через короткое замыкание к катоду. Если цепь разомкнута или имеет сопротивление нагрузки, ограничивающее фототок, выходящий из устройства, напряжение нарастает в направлении прямого смещения диода, то есть анод становится положительным относительно катода. Если цепь замкнута на короткое замыкание или сопротивление низкое, прямой ток потребляет весь или часть фототока. Этот режим использует фотоэлектрический эффект, который лежит в основе солнечных элементов – традиционный солнечный элемент представляет собой просто фотодиод большой площади. Для достижения максимальной выходной мощности фотоэлектрический элемент должен работать при напряжении, при котором прямой ток невелик по сравнению с фототоком. Ток утечки хорошего PIN-диода настолько мал (<1 нА), что шум Джонсона-Найквиста сопротивления нагрузки в типичной схеме часто преобладает.

Связанные устройства

Лавинные фотодиоды – это фотодиоды с оптимизированной структурой для работы с высоким обратным смещением, приближающимся к напряжению обратного пробоя. Это позволяет каждому фотогенерируемому носителю заряда умножаться за счет лавинного пробоя, что приводит к внутреннему усилению внутри фотодиода и увеличению эффективной чувствительности устройства. Фототранзистор – это светочувствительный транзистор. Распространенный тип фототранзистора, биполярный фототранзистор, по сути, представляет собой биполярный транзистор, помещенный в прозрачный корпус, чтобы свет мог достигать p-n перехода база-коллектор. Он был изобретен Джоном Н. Шивом (более известным своей волновой машиной) в лабораториях Bell в 1948 году, но был представлен публике только в 1950 году. Электроны, генерируемые фотонами в p-n переходе база-коллектор, инжектируются в базу, и этот фотодиодный ток усиливается коэффициентом усиления транзистора β (или hfe). Если используются выводы базы и коллектора, а эмиттер остается неподключенным, фототранзистор функционирует как фотодиод. Хотя фототранзисторы обладают более высокой чувствительностью к свету, они не способны обнаруживать низкие уровни освещенности лучше, чем фотодиоды. Фототранзисторы также имеют значительно большее время отклика. Другой тип фототранзистора, полевой фототранзистор (также известный как фотоФЭТ), является светочувствительным полевым транзистором. В отличие от фотобиполярных транзисторов, фотоФЭТ управляют током сток-исток, создавая напряжение на затворе. Соляристор – это двухвыводный фототранзистор без затвора. Компактный класс двухвыводных фототранзисторов или соляристов был продемонстрирован в 2018 году исследователями ICN2. Новая концепция представляет собой устройство "два в одном" – источник питания и транзистор, работающий на солнечной энергии за счет использования мемрезистивного эффекта в потоке фотогенерируемых носителей заряда.

Нежелательные и желаемые эффекты фотодиода

Любой p–n переход, при освещении, потенциально является фотодиодом. Полупроводниковые приборы, такие как диоды, транзисторы и интегральные схемы, содержат p–n переходы и не будут функционировать должным образом при воздействии нежелательного света. Это предотвращается путем герметизации приборов в непрозрачных корпусах. Если эти корпуса недостаточно непрозрачны для высокоэнергетического излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-лучей), диоды, транзисторы и интегральные схемы могут давать сбои из-за наведенных фототоков. Значительное влияние оказывает также фоновое излучение от материалов корпуса. Радиационная стойкость снижает эти эффекты. В некоторых случаях эффект является намеренным, например, при использовании светодиодов в качестве светочувствительных устройств (см. светодиод как датчик света) или даже для сбора энергии, в этом случае их иногда называют светоизлучающими и светопоглощающими диодами (LEAD).

Особенности

Критические параметры производительности фотодиода включают в себя спектральную чувствительность, темный ток, время отклика и мощность, эквивалентную шуму. Спектральная чувствительность Спектральная чувствительность — это отношение генерируемого фототока к мощности падающего света, выраженное в А/Вт при использовании в фотопроводящем режиме. Зависимость от длины волны также может быть выражена как квантовая эффективность или отношение числа фотогенерируемых носителей заряда к числу падающих фотонов, которое является безразмерной величиной. Темный ток Темный ток — это ток, протекающий через фотодиод в отсутствие света при работе в фотопроводящем режиме. Темный ток включает в себя фототок, генерируемый фоновым излучением, и ток насыщения полупроводникового перехода. Темный ток необходимо учитывать при калибровке, если фотодиод используется для точного измерения оптической мощности, а также является источником шума при использовании фотодиода в системе оптической связи. Время отклика Время отклика — это время, необходимое детектору для реагирования на оптический входной сигнал. Фотоны, поглощенные полупроводниковым материалом, генерируют электронно-дырочную пару, которая, в свою очередь, начинает двигаться в материале под действием электрического поля, тем самым генерируя ток. Конечная длительность этого тока известна как разброс времени пролета и может быть оценена с использованием теоремы Рамо. С помощью этой теоремы также можно показать, что общий заряд, генерируемый во внешней цепи, равен e, а не 2e, как можно было бы ожидать из-за наличия двух носителей заряда. Действительно, интеграл тока, создаваемого как электроном, так и дыркой, по времени должен быть равен e. Сопротивление и емкость фотодиода и внешней схемы приводят к другому времени отклика, известному как RC-постоянная времени. Эта комбинация R и C интегрирует фотоотклик во времени и, таким образом, увеличивает импульсную характеристику фотодиода. При использовании в системе оптической связи время отклика определяет полосу пропускания, доступную для модуляции сигнала и, следовательно, для передачи данных. Мощность, эквивалентная шуму Мощность, эквивалентная шуму (МЭШ) — это минимальная входная оптическая мощность, необходимая для генерации фототока, равного среднеквадратичному (RMS) шуму тока в полосе частот 1 Гц. МЭШ по сути является минимальной обнаруживаемой мощностью. Связанная характеристика — детективность, является обратной величиной МЭШ (1/МЭШ), а удельная детективность — это детективность, умноженная на квадратный корень из площади фотодетектора для полосы частот 1 Гц. Удельная детективность позволяет сравнивать различные системы независимо от площади датчика и полосы пропускания системы; более высокое значение детективности указывает на устройство или систему с низким уровнем шума. Хотя в многих каталогах традиционно указывают детективность как меру качества диода, на практике она редко является ключевым параметром. При использовании фотодиода в системе оптической связи все эти параметры влияют на чувствительность оптического приемника, которая является минимальной входной мощностью, необходимой для достижения приемником заданной битовой ошибки.

Critical performance parameters of a photodiode include spectral responsivity, dark current, response time and noise equivalent power. Spectral responsivity The spectral responsivity is a ratio of the generated photocurrent to incident light power, expressed in A/W when used in photoconductive mode. The wavelength dependence may also be expressed as a quantum efficiency or the ratio of the number of photogenerated carriers to incident photons which is a unitless quantity. Dark current The dark current is the current through the photodiode in the absence of light, when it is operated in photoconductive mode. The dark current includes photocurrent generated by background radiation and the saturation current of the semiconductor junction. Dark current must be accounted for by calibration if a photodiode is used to make an accurate optical power measurement, and it is also a source of noise when a photodiode is used in an optical communication system. Response time The response time is the time required for the detector to respond to an optical input. A photon absorbed by the semiconducting material will generate an electron–hole pair which will in turn start moving in the material under the effect of the electric field and thus generate a current. The finite duration of this current is known as the transit time spread and can be evaluated by using Ramo's theorem. One can also show with this theorem that the total charge generated in the external circuit is e and not 2e as one might expect by the presence of the two carriers. Indeed, the integral of the current due to both electron and hole over time must be equal to e. The resistance and capacitance of the photodiode and the external circuitry give rise to another response time known as RC time constant This combination of R and C integrates the photoresponse over time and thus lengthens the impulse response of the photodiode. When used in an optical communication system, the response time determines the bandwidth available for signal modulation and thus data transmission. Noise equivalent power Noise equivalent power (NEP) is the minimum input optical power to generate photocurrent, equal to the rms noise current in a 1 hertz bandwidth. NEP is essentially the minimum detectable power. The related characteristic detectivity is the inverse of NEP (1/NEP) and the specific detectivity is the detectivity multiplied by the square root of the area of the photodetector for a 1 Hz bandwidth. The specific detectivity allows different systems to be compared independent of sensor area and system bandwidth; a higher detectivity value indicates a low noise device or system. Although it is traditional to give in many catalogues as a measure of the diode's quality, in practice, it is hardly ever the key parameter. When a photodiode is used in an optical communication system, all these parameters contribute to the sensitivity of the optical receiver which is the minimum input power required for the receiver to achieve a specified bit error rate.

Приложения

П–н фотодиоды используются в тех же областях, что и другие фотодетекторы, такие как фотопроводники, приборы с зарядовой связью (ПЗС) и фотоумножители. Они могут применяться для генерации выходного сигнала, зависящего от освещенности (аналогового для измерений), или для изменения состояния схемы (цифрового, для управления и переключения или для цифровой обработки сигналов). Фотодиоды используются в потребительской электронике, например, в проигрывателях компакт-дисков, датчиках дыма, медицинских приборах и приемниках инфракрасных пультов дистанционного управления для управления оборудованием – от телевизоров до кондиционеров. Для многих задач можно использовать как фотодиоды, так и фотопроводники. Любой тип фотосенсора может применяться для измерения света, как в экспонометрах камер, или для реагирования на уровень освещенности, например, для включения уличного освещения в темное время суток. Фотосенсоры всех типов могут реагировать на падающий свет или на источник света, являющийся частью той же схемы или системы. Фотодиод часто объединяют в один компонент с излучателем света, обычно со светодиодом (СИД), для обнаружения механического препятствия на пути луча (щелевой оптический переключатель) или для гальванической развязки двух цифровых или аналоговых схем, обеспечивая при этом высокую степень электрической изоляции, часто в целях безопасности (оптопара). Комбинация СИД и фотодиода также используется во многих сенсорных системах для определения характеристик различных продуктов на основе их оптической поглощающей способности. Фотодиоды часто применяются для точного измерения интенсивности света в науке и промышленности. Как правило, они демонстрируют более линейную характеристику, 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 значительно быстрее и чувствительнее, чем p–n диоды, поэтому их часто используют в оптической связи и для регулирования освещения. П–н фотодиоды не предназначены для измерения чрезвычайно низких интенсивностей света. Вместо этого, когда требуется высокая чувствительность, применяются лавинные фотодиоды, приборы с усилением заряда или фотоумножители для таких областей, как астрономия, спектроскопия, приборы ночного видения и лазерная дальнометрия.

P–n photodiodes are used in similar applications to other photodetectors, such as photoconductors, charge coupled devices (CCD), and photomultiplier tubes. They may be used to generate an output which is dependent upon the illumination (analog for measurement), or to change the state of circuitry (digital, either for control and switching or for digital signal processing). Photodiodes are used in consumer electronics devices such as compact disc players, smoke detectors, medical devices and the receivers for infrared remote control devices used to control equipment from televisions to air conditioners. For many applications either photodiodes or photoconductors may be used. Either type of photosensor may be used for light measurement, as in camera light meters, or to respond to light levels, as in switching on street lighting after dark. Photosensors of all types may be used to respond to incident light or to a source of light which is part of the same circuit or system. A photodiode is often combined into a single component with an emitter of light, usually a light emitting diode (LED), either to detect the presence of a mechanical obstruction to the beam (slotted optical switch) or to couple two digital or analog circuits while maintaining extremely high electrical isolation between them, often for safety (optocoupler). The combination of LED and photodiode is also used in many sensor systems to characterize different types of products based on their optical absorbance. Photodiodes are often used for accurate measurement of light intensity in science and industry. They generally have a more linear response than photoconductors. They are also widely used in various medical applications, such as detectors for computed tomography (coupled with scintillators), instruments to analyze samples (immunoassay), and pulse oximeters. PIN diodes are much faster and more sensitive than p–n junction diodes, and hence are often used for optical communications and in lighting regulation. P–n photodiodes are not used to measure extremely low light intensities. Instead, if high sensitivity is needed, avalanche photodiodes, intensified charge coupled devices or photomultiplier tubes are used for applications such as astronomy, spectroscopy, night vision equipment and laser rangefinding.

Фотодиод с прицепом

Прикрепленный фотодиод (PPD) содержит мелкий имплантат (P+ или N+) в диффузионном слое типа N или P, соответственно, над подложкой типа P или N (соответственно), таким образом, что промежуточный диффузионный слой может быть полностью обеднен основными носителями заряда, подобно базовому региону биполярного транзистора. PPD (обычно PNP) используется в CMOS активных пиксельных сенсорах; предшественник – трехслойный вариант NPNP с буферным МОП-конденсатором и схемой задней подсветки с полной передачей заряда и отсутствием шлейфа изображения – был изобретен компанией Sony в 1975 году. Эта схема широко применялась во многих устройствах передачи заряда. Ранние датчики изображения на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) страдали от шлейфа изображения. Это в значительной степени было объяснено с повторным изобретением прикрепленного фотодиода. Компания Sony в 1975 году осознала, что шлейф можно устранить, если носители сигнала можно передать из фотодиода в ПЗС. Это привело к изобретению прикрепленного фотодиода – структуры фотодетектора с низким шлейфом, низким уровнем шума, высокой квантовой эффективностью и низким темным током. Новая структура фотодетектора, изобретенная Sony в 1975 году, разработанная NEC в 1982 году и Kodak в 1984 году, получила название "прикрепленный фотодиод" (PPD) благодаря Б. К. Берки из Kodak в 1984 году. В 1987 году PPD начал внедряться в большинство сенсоров ПЗС, став стандартным элементом в потребительских видеокамерах и затем в цифровых фотоаппаратах. Двумерные массивы используются в датчиках изображения и оптических мышах. В некоторых приложениях фотодиодные массивы обеспечивают высокоскоростное параллельное считывание, в отличие от интеграции сканирующей электроники, как в ПЗС или CMOS сенсорах. Чип оптической мыши, изображенный на фотографии, имеет параллельный (не мультиплексный) доступ ко всем 16 фотодиодам в его массиве 4 × 4.

Пассивный датчик изображения

Пассивный датчик пикселей (PPS) — это тип фотодиодного массива. Он был предшественником датчика активных пикселей (APS). Пассивный датчик пикселей состоит из пассивных пикселей, которые считываются без усиления, при этом каждый пиксель содержит фотодиод и MOSFET-ключ. В фотодиодном массиве пиксели включают в себя p–n-переход, встроенный конденсатор и MOSFET-транзисторы в качестве селекторов. Фотодиодный массив был предложен Г. Веклером в 1968 году, до появления ПЗС (CCD). Он послужил основой для PPS. Шум фотодиодных массивов иногда ограничивает производительность. В 1970-х годах из-за ограниченных возможностей микролитографии того времени, создание активных пиксельных датчиков с практическими размерами пикселей было невозможно.