Fotodiode

Eine Fotodiode ist eine Halbleiterkomponente , die Kapazität zur Erfassung mit Strahlung von der optischen Domäne und wandelt sie in ein elektrisches Signal um .

Allgemeines

Wie viele Dioden in der Elektronik besteht es aus einem PN-Übergang . Diese Grundkonfiguration wurde durch die Einführung einer intrinsischen Zone (I) zur Bildung der PIN-Fotodiode verbessert . Ohne Polarisation (Photovoltaik-Modus) wird eine Spannung erzeugt. In umgekehrter Vorspannung durch ein externes Netzteil (photoamperischer Modus) wird ein Strom erzeugt. Es gibt 3 verschiedene Regionen:

1. eine Raumladungszone (ZCE), die üblicherweise als Verarmungs- und Diffusionszone bezeichnet wird
2. eine neutrale Region vom N-Typ
3. ein neutraler Bereich vom P-Typ .

Diese Komponente ist optoelektronisch .

Operation

Wenn ein Halbleiter mit einem ausgesetzt ist Lichtfluss , die Photon vorgesehen sind vertieft , dass die Energie des Photons ( ) größer als die Breite des verbotenen Bandes (E g ). Dies entspricht der notwendigen Energie, die das Elektron absorbieren muss, damit es das Valenzband (wo es dazu dient, die Kohäsion der Struktur sicherzustellen) zum Leitungsband hin verlassen kann, wodurch es mobil wird und elektrischen Strom erzeugen kann . Die Existenz des verbotenen Bandes führt zur Existenz einer Absorptionsschwelle wie z . Während der Absorption eines Photons können zwei Phänomene auftreten: E.ph=hν{\ displaystyle E_ {ph} = h \ nu}hν0=E.G{\ displaystyle h \ nu _ {0} = E_ {g}}

• Die Photoemission  : die Ausgabe des Elektrons aus dem lichtempfindlichen Material. Das Elektron kann nur ausgehen, wenn es in der Nähe der Oberfläche angeregt wird.
• Die Photoleitfähigkeit  : Das Elektron wird im Material freigesetzt. Die so freigesetzten Elektronen tragen zur elektrischen Leitfähigkeit des Materials bei.

Wenn Photonen den Halbleiter mit ausreichender Energie geben, können sie überschüssige Fototräger (erzeugen Elektronen und Elektronenlöcher ) in dem Material. Dann wird ein Anstieg des Stroms beobachtet. Zwei Mechanismen greifen gleichzeitig ein:

• Es entstehen Minoritätsträger, dh Elektronen in der P-Region und Löcher in der N-Region. Diese erreichen wahrscheinlich die ZCE durch Diffusion und werden dann in Gebiete getrieben, in denen sie die Mehrheit bilden. In der Tat wird in der ZCE, wenn die Polarisierung umgekehrt ist, der Übergang der Minderheiten in Richtung ihrer Vorliebezone bevorzugt. Diese Träger tragen somit zur Erzeugung des Diffusionsstroms bei.
• Im ZCE entstehen Elektronenlochpaare, die unter Einwirkung des elektrischen Feldes dissoziieren. Das Elektron verbindet die Zone N, das Loch die Zone P. Dieser Strom wird als Transitstrom oder Photostrom der Erzeugung bezeichnet.

Diese beiden Beiträge werden addiert, um den Photostrom I ph zu erzeugen, der zum Rückstrom des Übergangs addiert wird. Der Ausdruck des Stroms, der die Kreuzung überquert, lautet dann: ichd=ichs((eE.GnichtU.t- -1)- -ichph{\ displaystyle I_ {d} = I_ {s} (e ^ {E_ {g} \ über nU_ {t}} - 1) -I_ {ph}}

Elektronische Spezifikationen

Eine Fotodiode kann durch eine Stromquelle I ph (abhängig von der Beleuchtung) parallel zum Kapazitätsübergang C j und einem Widerstand des Nebenschlusses R sh von einem hohen Wert (der den Leckstrom charakterisiert) dargestellt werden, wobei die 'zusammen mit einem in Reihe geschaltet sind Innenwiderstand R s  :

• Shunt-Widerstand: Der Shunt-Widerstand einer idealen Fotodiode ist unendlich. In der Realität liegt dieser Widerstand je nach Qualität der Fotodiode zwischen 100 kΩ und 1 GΩ. Dieser Widerstand wird verwendet, um den Leckstrom (oder das Rauschen) im Photovoltaikmodus zu berechnen, dh ohne Polarisation der Photodiode.
• Verbindungskapazität: Diese Kapazität ist auf die Lastzone zurückzuführen. es ist umgekehrt proportional zur Breite der Raumladung (W) . Wobei A die Schnittfläche der Fotodiode ist. W ist proportional zur Sperrvorspannung und die Kapazität nimmt mit zunehmender Vorspannung ab. Diese Kapazität schwingt bei schwachen Polarisationen um 100 pF bis zu einigen zehn pF bei hohen Polarisationen.VSj=δS.VSW.BEIM{\ displaystyle C_ {j} = {\ delta _ {SC} \ über W} A}
• Innenwiderstand: Dieser Widerstand ist hauptsächlich auf den Widerstand des Substrats und auf die Kontaktwiderstände zurückzuführen. R s kann je nach Oberfläche der Fotodiode zwischen 10 und 500 Ω variieren.

Andere Eigenschaften:

• Reaktionszeit: Sie wird normalerweise als die Zeit definiert, die erforderlich ist, um 90% des Endstroms in der Fotodiode zu erreichen. Diese Zeit hängt von 3 Faktoren ab:
  • t Transit  : Reisezeit der Beförderer in der Raumladungszone.
  • t Diffusion  : Reisezeit von Transportunternehmen in neutralen Regionen.
  • die Zeitkonstante t τ  : Zeitkonstante des Ersatzschaltbildes (Widerstand R S + R C und Kapazität C j + C γ ) . Somit ist die Zeitkonstante gleich : . Aber jedes Mal ist schwer zu bestimmen; es wird nur die Gesamtzeit berücksichtigt. Im Allgemeinen ist die Sendezeit langsamer als die Laufzeit.tτ=((R.S.+R.VS)((VSj+VSγ){\ displaystyle t _ {\ tau} = (R_ {S} + R_ {C}) (C_ {j} + C _ {\ gamma})}ttrbeimnichtsicht2+tdichffusichÖnicht2+tτ2{\ displaystyle {\ sqrt {{t_ {transit}} ^ {2} + {t_ {diffusion}} ^ {2} + {t _ {\ tau}} ^ {2}}}
• Lichtempfindlichkeit  : Sie wird durch die Verwendungsbedingungen definiert und bestimmt diese (200 nA / Lux für Germanium (Ge) -Photodioden, 10 nA / Lux für Silizium (Si) -Photodioden). Ge-Fotodioden zeigen eine größere Lichtempfindlichkeit, aber ihr Dunkelstrom ist bemerkenswert. I 0 = 10 uA. Es ist daher bevorzugt, Si-Fotodioden (I 0 = 10 pA) zum Nachweis einer geringen Beleuchtung zu verwenden.S.ph=ΔichphΔE.{\ displaystyle S_ {ph} = {\ Delta I_ {ph} \ over \ Delta E}}
• Einfangeffizienz: Dies ist das Verhältnis der Anzahl der Elementarladungen, die den Übergang kreuzen, zur Anzahl der einfallenden Photonen. Dieser Wirkungsgrad hängt von der Wellenlänge der Strahlung und den Konstruktionsparametern des Bauteils ab. Es definiert den spektralen Verwendungsbereich des Detektors.

Optimierung

Um eine bessere Quanteneffizienz zu erzielen, muss der Großteil der Fototräger im ZCE erzeugt werden, wo die Rekombinationsrate niedrig ist. Dies spart die Reaktionszeit der Fotodiode. Um diesen Zustand zu erreichen, sollte die Fotodiode einen möglichst dünnen Frontbereich haben. Dieser Zustand begrenzt jedoch die absorbierte Strahlungsmenge. Es ist daher eine Frage des Kompromisses zwischen der absorbierten Strahlungsmenge und der Reaktionszeit der Fotodiode: im Allgemeinen . W ist die Breite des ZCE und α der Absorptionskoeffizient. W.≥1α{\ displaystyle W \ geq {1 \ over \ alpha}}

Wir haben gerade den Vorteil gesehen, eine Raumladungszone zu haben, die groß genug ist, um den Photostrom im Wesentlichen in dieser Zone zu erzeugen, und dünn genug, damit die Laufzeit nicht zu groß ist. Es ist jedoch möglich, künstlich zu erhöhen, indem ein intrinsischer Bereich I zwischen den Bereichen vom N-Typ und P-Typ eingefügt wird. Dies führt zu einem anderen Typ von Fotodioden: PIN-Fotodioden .

Wenn die umgekehrte Polarisation der Struktur ausreichend ist, besteht ein starkes elektrisches Feld in der gesamten intrinsischen Zone und die Fototräger erreichen sehr schnell ihre Grenzgeschwindigkeit. So werden sehr schnelle Fotodioden erhalten. Zusätzlich verhindert das elektrische Feld im Verarmungsbereich (ZCE) die Rekombination von Ladungsträgern, was die Fotodiode sehr empfindlich macht.

Fall von Fototransistoren

Operation

Ein Fototransistor ist ein lichtempfindlicher Transistor. Es wurde 1948 von John Shive , einem Forscher an den Bell Laboratories, erfunden , aber die Entdeckung wurde erst 1950 veröffentlicht. Ein üblicher Typ eines Fototransistors ist ein sogenannter Bipolartransistor, der in eine transparente Hülle eingewickelt ist, die es ermöglicht, das Licht zu erreichen Verbindung des Basiskollektors. Die Basis soll dann schweben, da sie keine Verbindung hat. Wenn die Basis nicht beleuchtet ist, wird der Transistor vom Leckstrom I CE0 durchlaufen . Die Beleuchtung der Basis führt zu einem Photostrom I ph, der als Steuerstrom des Transistors bezeichnet werden kann.

Dies erscheint in der Collector-Base in der Form : . ichVS=βichph+ichVSE.0{\ displaystyle I_ {C} = \ beta I_ {ph} + I_ {CE0}}

Wenn die Basis beleuchtet ist, entspricht der Fototransistor vereinfacht einem geschlossenen Schalter zwischen Emitter und Kollektor, und wenn die Basis nicht beleuchtet ist, entspricht er einem offenen Schalter.

Der Beleuchtungsstrom des Fototransistors ist der Fotostrom der Kollektor- Basis- Fotodiode multipliziert mit der Verstärkung β des Transistors. Die lichtempfindliche Reaktion ist daher deutlich höher als die einer Fotodiode (100- bis 400-mal höher). Andererseits ist der Dunkelstrom wichtiger.

Ein weiterer Unterschied wird zwischen Fototransistor und Fotodiode beobachtet: Die Basis des Fototransistors ist dicker, was zu einer größeren Zeitkonstante und damit zu einer niedrigeren Grenzfrequenz als die der Fotodioden führt. Optional kann die Grenzfrequenz durch Verringern der Lichtempfindlichkeit durch Verbinden der Basis mit dem Sender erhöht werden .

Anwendung

In Verbindung mit einer Infrarot- LED werden in der Robotik am häufigsten der Linienfolger (schwarze Linie auf weißem Hintergrund) oder die Erkennung von Hindernissen über kurze Entfernungen verwendet.

Anmerkungen und Referenzen

1. (in) Michael Riordan und Lillian Hoddeson, Kristallfeuer: Die Erfindung des Transistors und die Geburt des Informationszeitalters ,1998352  p. ( ISBN  978-0-393-31851-7 )
2. (in) "  Fototransistor  " auf smecc.org

Anhänge

In Verbindung stehender Artikel

• Fotozelle

Externe Links

• Datei über Fotodioden auf der ABC Electronics- Website
• Datei über optische Sensoren auf der Website der Wikiversité

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