Fotodioda pn

FOTODETEKTORY
Fotodetektory
Fotodetektor to przyrząd, który mierzy strumień fotonów bądź moc
optyczną przetwarzając energię fotonów na inny użyteczny sygnał
- detektory termiczne,
wykorzystują zmiany temperatury ośrodka, a następnie:
- efekt termoelektryczny
- efekt piroelektryczny
- termorezystancję
- efekt pneumatyczny
ich czułość jest mało zależna od długości fali, tzw. detektory szare.
- detektory fotochemiczne
podczas absorpcji światła zachodzą reakcje chemiczne w materiale detektora, w
wyniku których następuje zmiana właściwości materiału. Przykładem fotodetektorów chemicznych są:
klisza fotograficzna, emulsje światłoczułe, fotorezysty
-detektory kwantowe (fotonowe) inaczej: fotoelektryczne
oddziaływanie kwantów światła z elektronami materiału detektora czemu towarzysza zmiany prądu
płynącego w detektorze (lub oporu materiału detektora)
- efekt fotoelektryczny zewnętrzny
- efekt fotoelektryczny wewnętrzny
ograniczony zakres spektralny, granica długofalowa
Fotodetektory
Cechy detektorów kwantowych i termicznych
Kwantowe: (fotopowielacz, fotokomórka, fotorezystor, dioda PIN, dioda lawinowa (APD)): duża szybkość
działania, lepsza detekcyjność niż w termicznych, zależność sygnału detektora od częstotliwości
promieniowania
Termiczne: brak zależności zdolności detekcyjnych od długości fali – neutralne spektralnie, mała szybkość
działania 10-3 - 10-1 sek., pozwalają uzyskać bardzo wysoką jakość obrazu termalnego
Efekt fotoelektryczny zewnętrzny
Efekt fotoelektryczny zewnętrzny: uwalnianie elektronów z powierzchni materiału
(metalu, półprzewodnika ... ) pod wpływem padającego światła = fotemisja
Efekt fotoelektryczny zewnętrzny
Emax  h  W
Emax  h  ( E g   )
W: praca wyjścia, różnica energii między poziomem próżni a poziomem Fermiego,
χ: powinowactwo elektronowe, różnica energii między dnem pasma przewodzenia
a poziomem próżni,
Detektory wykorzystujące efekt fotoelektryczny zewnętrzny
Fotokomórka
Fotopowielacz
Detektory wykorzystujące efekt fotoelektryczny zewnętrzny
Efekt fotoelektryczny wewnętrzny
1.24
 g [ m ] 
E g [ eV ]
Generacja par elektron dziura w obszarze materiału = fotoprzewodnictwo.
Pole elektryczne - zewnętrzne bądź wewnętrzne → transport nośników → prąd
elektryczny.
• generacja
• transport
• wzmocnienie
(fotony - elektrony)
(ruch nośników w polu elektrycznym)
(wewnętrzne ?)
Absorpcja
 Różne materiały absorbują fotony o
różnej długości fali
 Jeżeli absorpcja zachodzi wzdłuż
osi x to moc zaabsorbowana
opisana jest wzorem:
P  Pin  1  exp    x 
 Współczynnik absorpcji opisany
jest równaniem:
 cm 1   2 x104 hf  Eg eV 
WSPÓŁCZYNNIK ABSORPCJI [1/cm]
 To czy foton zostanie
zaabsorbowany zależy od przerwy
energetycznej materiału
Ge
In0,53Ga0,47As
GaAs
Si
DŁUGOŚĆ FALI [m]
Wydajność kwantowa
Wydajnośd kwantowa (0<η<1) – prawdopodobieostwo, że padający foton
wygeneruje parę elektron dziura, która stanie się składnikiem prądu
fotodetektora.
Opisywana jest funkcją:
  1    1  ed 
gdzie:
1   

reprezentuje odbicie
OBSZAR ABSORBCJI
ilośd nośników które zrekombinują
1  e  efekt absorpcji na drodze d
d
FOTONÓW
hf
d
MOC
MOC
MOC
ODBITA
TRANSMITOWANA
PADAJĄCA
0
1/
d
x
Czułość detektora
Funkcja odpowiedzi fotodetektora (Responsivity R) wiąże ze sobą wartość prądu
płynącego przez detektor z mocą optyczną padającą na niego
iFD
R 
POPT
Szum fotodetektorów
• Szum fotonowy
– przypadkowe przybycie fotonów, statystyczny charakter światła
• Szum fotoelektronowy
– sprawność kwantowa η <1, przetwarzanie foton-elektron
• Szum wzmocnieniowy
– przypadkowość procesu wzmacniania
• Szum obwodu odbiornika
• Stosunek sygnału do szumu - Signal-to-noise ratio (SNR)
• Najmniejszy detekowalny sygnał
– średni sygnał skutkujący SNR = 1
• Czułość odbiornika
– sygnał odpowiadający SNR0, np., 10 - 103
Fotorezystor
PASMO PRZEWODZENIA
ELEKTRON
hf
DZIURA
POZIOM FERMIEGO
Eg
PASMO WALENCYJNE
• Fotorezystor wykonywany jest z materiału półprzewodnikowego
• Podłączony jest do zewnętrznego źródła napięcia
• Fotony powodują generację par elektron dziura co zwiększa prąd płynący w
obwodzie
Fotodioda p-n
Fotodioda złącze p-n spolaryzowane zaporowo
Najprostszym fotodetektorem jest fotodioda p-n. Połączenie półprzewodnika typu
p z półprzewodnikiem typu n prowadzi do pozbawionej swobodnych nośników
warstwy zubożonej. Na skutek przyłożonego napięcia, silne pole elektryczne
szybko wymiata generowane w złączu nośniki. Powoduje to przepływ prądu w
obwodzie zewnętrznym.
Szybkość działania fotodiody jest
rzędu ~100 ps.
Pary elektron-dziura są generowane
również w sąsiadującej z warstwą
zubożoną warstwie dyfuzyjnej, która
jest pozbawiona pola elektrycznego.
Wygenerowane nośniki muszą dotrzeć
do warstwy zubożonej w sposób
dyfuzyjny, co jest procesem znacznie
wolniejszym od dryftu.
Fotodioda p-n
Fotodioda złącze p-n spolaryzowane zaporowo
1. obszar ładunku przestrzennego, wolny od swobodnych nośników silne pole i
usuwanie nośników
2. obszar dyfuzji, nośniki mogą ruchem dyfuzyjnym znaleźć się w obszarze 1 i ulec
transportowi
3. obszar dryfu, brak pola elektrycznego, ruch przypadkowy i anihilacja na
drodze rekombinacji
Fotodioda p-n
• Prąd diody opisany jest równaniem: iFD  e 
e
hf
POPT ;
• Wydajność kwantowa jest niedużą – znaczna część nośników zdąży
zrekombinować zanim weźmie udział w tworzeniu prądu
• Czas odpowiedzi diody PN jest długi – nośniki z obszaru złącza usuwane są
szybko ale czas ich dyfuzji w obszarach sąsiadujących wydłuża czas trwania
impulsu prądowego
UB
RL
i
i
U
iS UB

UB/RL
Fotodioda p-i-n
Złącze p-n z wewnętrznym, pośrednim obszarem słabo
domieszkowanym, zalety:
• poszerzenie obszaru ładunku przestrzennego - zwiększenie obszaru fotoczułego
• poszerzenie obszaru ładunku przestrzennego - mniejsze RC
• zmniejszenie stosunku: drogi dyfuzji/drogi dryftu zwiększa prędkość
Szybkość działania
fotodiody krzemowej;
czasy odpowiedzi ok. 10 ps
Fotodioda p-i-n
• W fotodiodzie PiN między obszarami
P-N
wbudowany
jest
słabo
domieszkowany obszar i. Przy
polaryzacji zaporowej obszar ten jest
silnie zubożony
OBSZAR ZUBOŻONY
Z POLEM
ELEKTRYCZNYM
p
• Wbudowane
pole
elektryczne
znajduje się w całym obszarze i który
stanowi większą część diody
U
iFD
n
i
W
E
• Więcej nośników jest rozdzielanych –
więcej nośników bierze udział w
tworzeniu prądu – rośnie η
• Długość W jest kompromisem między
rosnącym η, a wydłużającym się
czasem
przelotu
nośników
co
ogranicza pasmo
DYFUZJA
OBSZAR
DYFUZJA
ELEKTRONÓW
DRYFTU
DZIUR
Fotodioda lawinowa
Działa przetwarzając każdy detekowany foton na kaskadę par nośników. Tak więc
nawet słaby strumień światła wytwarza prąd dostatecznie silny by go
zarejestrowały urządzenia elektroniczne.
Silna polaryzacja zaporowa złącza → silne pole w obszarze złącza → szybki ruch
nośników → duża energia nośników → jonizacja zderzeniowa
Fotodioda lawinowa
geometrie zwiększające absorpcję światła tak jak np. p-i-n
przeciwstawne wymagania
obszar powielania nośników musi być wąski aby praca była stabilna
oddzielić obszar absorpcji i powielania
• absorpcja w obszarze p
• dryf do obszaru o silnym polu
• powielanie lawinowe w złączu p-n+
Fotodioda lawinowa
• W fotodiodzie lawinowej do
struktury diody PiN wprowadza się
dodatkowy obszar p
• Przy polaryzacji zaporowej w
obszarze tym występuje silne pole
elektryczne
• Przepływające elektrony e nabierają
dużej energii i w wyniku jonizacji
zderzeniowej generują kolejne pary
elektron dziura
• Prąd diody rośnie M krotnie:
iFD  M U , f , T R0 POPT
Typowe wartości M to ok. 1000
A BSORPCJA
p+
i
U
P OWIEL.
p
n+
E
x
Fotodetektory