Фотодиод

Обозначение на схемах

Фотодио́д или пиксел — приёмник оптического излучения, который преобразует свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе в его фоточувствительной области.

Фотодиоды, формируемые, напрмер, в матрицах (фото), связанные электроной схемой в самих матрицах или вне матриц и выполняющие свои функции фотодатчиков называются пикселами. Изготавливаемые матрицы по периферии пластины содержат неработающие фотодиоды, выполняя технологические функции в пластинах матриц при дальнейшей операции изготовлении основного продукта фотодатчика — фотосенсора.

Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд (ЭДС)) называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой изолятора i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов. В конечном итоге получаем электрический сигнал.

Принцип работы фотодиода

Структурная схема фотодиода. 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Ф — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; Rн — нагрузка.

кремниевый фотодиод 10x10mm

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей - дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и емкостью p-n-перехода C_p-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

• фотогальванический - без внешнего напряжения
• фотодиодный - с внешним обратным напряжением

Особенности:

• простота технологии изготовления и структур
• сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия
• малое сопротивление базы
• малая инерционность

Параметры и характеристики фотодиодов

Параметры:

• чувствительность

  отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприемника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.

  $S_{i,{\Phi_v}}=\frac {I_\Phi}{\Phi_v}$; $S_{i,{E_v}}=\frac {I_\Phi}{E_v}$ - токовая чувствительность по световому потоку

  $S_{u,{\Phi_e}}=\frac {U_\Phi}{\Phi_e}$; $S_{i,{E_e}}=\frac {U_\Phi}{E_e}$ - вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку

• шумы

  помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром - шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Характеристики:

• вольт-амперная характеристика (ВАХ)

  зависимость выходного напряжения от входного тока. $U_\Phi=f(I_\Phi)$

• спектральные характеристики

  зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещенной зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.

• световые характеристики

  зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.

• постоянная времени

  это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63%) по отношению к установившемуся значению.

• темновое сопротивление

  сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

• инерционность

Классификация

• p-i-n фотодиод

  В p-i-n структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при U_обр≈0.1В p-i-n фотодиод имеет преимущество в быстродействии.

Достоинства:

1) есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области.

2) высокая чувствительность и быстродействие

3) малое рабочее напряжение U_раб

Недостатки:

сложность почучения высокой чистоты i-области

• Фотодиод Шоттки (фотодиод с барьером Шоттки)

  Структура металл-полупроводник. При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа.

• Лавинный фотодиод

  В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Очень чувствительны. Для оценки существует коффициент лавинного умножения:
  

  $M=\frac {I_\Phi}{I_{\Phi_0}}$
  

  $M=\frac {1}{1-\left(\frac {U}{U_{pr}}\right)^m}$

  Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:
  

  1) Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещенной зоны:

  $q\lambda=\frac {3I_g}{2}$
  

  2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега:
  

  $W >> \lambda$
  

  Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M=10-100 в зависимости от типа фотодиодов.

• Фотодиод с гетероструктурой

  Гетеропереходом называют слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. Один слой р+ играет роль "приемного окна". Заряды генерируются в центральной области. За счет подбора полупровоников с различной шириной запрещенной зоны можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток - сложность изготовления.

Применение фотодиодов в оптоэлектронике

Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах, поэтому он находит широкое применение во многих областях.

В оптоэлектронных интегральных микросхемах фотодиод может обладать большим быстродействием, но его коэффициент усиления фототока не превышает единицы. Благодаря наличию оптической связи оптоэлектронные интегральные микросхемы обладают рядом существенных достоинств. Почти идеальная гальваническая развязка управляющих цепей при сохранении между ними сильной функциональной связи.

Многоэлементные фотоприемники - это приборы сканистор, мишень кремникона, фотодиодная матрица с управлением на МОП-транзисторе, фоточувствительные приборы с зарядовой связью и другие. Они относятся к числу наиболее быстро развивающихся и прогрессирующих изделий электронной техники. Сочетая в себе успехи физики дискретных фотоприемников и новейшие технологические достижения больших интегральных схем, многоэлементные фотоприемники вооружают оптоэлектронику твердотельным «глазом», способным реагировать не только на яркостно-временные, но и на пространственные характеристики объекта, то есть воспринимать его полный зрительный образ. Для успешного выполнения этих функций необходимо, чтобы число элементарных фоточувствительных ячеек в приборе было достаточно большим, поэтому кроме всех проблем дискретного фотоприемника (чувствительность, быстродействие, спектральная область) приходится решать и проблему считывания информации. Все многоэлементные фотоприемники представляют собой сканирующие системы, то есть устройства, позволяющие производить анализ исследуемого пространства путем последовательного его просмотра (поэлементного разложения). Принцип восприятия образов этими системами сводится к следующему. Распределение яркости объекта наблюдения превращается в оптическое изображение и фокусируется на фоточувствительную поверхность. Здесь световая энергия переходит в электрическую, причем отклик (ток, заряд, напряжение) пропорционален освещенности. Яркостная картина преобразуется в электрический рельеф. Схема сканирования производит периодический последовательный опрос каждого элемента и считывание содержащейся в нем информации. В конечном счете, на выходе устройства мы получаем последовательность видеоимпульсов, в которой закодирован воспринимаемый образ. При создании многоэлементных фотоприемников стремятся обеспечить наилучшее выполнение ими функций преобразования и сканирования.

Фотодиоды активно используются в оптронах, оптоэлектронныых приборах, в которых имеются источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус. В электронной схеме оптрон выполняет функцию элемента связи, в одно из звеньев которого информация передается оптически. Это основное назначение оптрона. Если между компонентами оптрона создать электрически обратную связь, то оптрон может стать активным прибором, пригодным для усиления и генерации электрических и оптических сигналов. Принципиальное отличие оптронов как элементов связи заключается в использовании для переноса информации электрически нейтральных фотонов, что обуславливает ряд достоинств оптронов, которые присущи и всем остальным оптоэлектронным приборам в целом. Хотя у оптронов есть, разумеется, и свои недостатки.

В повседневной жизни фотодиоды используются в таких приборах, как устройства чтения компакт-дисков, пультах дистанцианного управления, фотокамерах, различных сенсорных устройствах, использующих данную технологию. Одно из важных применений - в медицинских приборах, в частности - в устройствах для проведения компьютерной томографии.

См. также

• Фототранзистор
• Фототиристор
• Фоторезистор
• Оптрон
• Пиксель
• Матрица (фото)
• Фотосенсор