Характеристики различных фотодиодных технологий

Узнайте о различиях между кремниевыми фотодиодами и фотодиодами, изготовленными из других полупроводниковых материалов.

В этой статье мы обсудим различные типы фотодиодных технологий, а также преимущества и недостатки полупроводников, используемых для их создания, а именно кремния

Это четвертая часть нашей серии о фотодиодах, которая подготовит вас к тому, чтобы узнать больше об использовании фотодиодов в светочувствительных схемах и их применениях. Если вы хотите прочитать остальное, воспользуйтесь ссылками ниже.

• Если вы хотите узнать об основах, начните с первой статьи, в которой обсуждается физика света и то, как pn-переходы используются для формирования диодов.
• Вторая часть посвящена pn-переходам, чувствительным к свету.
• Третья часть касается фотопроводящих и фотоэлектрических диодов.
• В последней части обсуждается эквивалентная схема фотодиода.

Кремниевый фотодиод

Кремний определенно не является экзотическим полупроводниковым материалом, но из него можно сделать прекрасный фотодиод. Кремниевые фотодиоды - отличный выбор для многих приложений, работающих в видимом свете.

Это основное ограничение, о котором следует помнить при работе с кремнием:он чувствителен в первую очередь к длинам волн видимого света. Во многих системах, таких как диммер, который реагирует на уровни окружающего освещения, это именно то, что вам нужно. Кремниевый фотодиод с ИК-подсветкой повысит чувствительность к длинам волн в ближнем инфракрасном диапазоне, если это важно для вашего приложения.

Этот график из Руководства Hamamatsu по кремниевым фотодиодам показывает спектральный отклик для различных кремниевых фотоприемников. QE означает квантовую эффективность.

Кремниевые фотодиоды - отличные детекторы света общего назначения. Они надежны и широко доступны, их электрическая реакция на освещенность очень линейна, они обладают хорошими характеристиками темнового тока и пропускной способности. Фактически, фотодиоды с самым низким темновым током и самой высокой скоростью, продаваемые Thorlabs, являются кремниевыми устройствами.

Инфракрасные детекторы

Антимонид индия (InSb)

Когда я думаю о фотодиодах, первое, что приходит на ум, - это InSb. Он гораздо менее распространен, чем кремний, но он запечатлелся в моем инженерном сознании, потому что один из самых важных корпоративных проектов, над которыми я когда-либо работал, был основан на массиве фотодиодов InSb.

InSb чувствителен к коротковолновому и средневолновому инфракрасному излучению и предлагает отличную производительность для приложений, которые должны обнаруживать тепловые сигнатуры вместо видимого света. Однако, чтобы максимально использовать InSb, вам нужно приложить некоторые дополнительные усилия, а именно охладить фотодиод до криогенных температур. Они делают штуки, называемые Дьюарами, в которых находится диод и жидкий азот. Вы заполняете дьюар LN2, и тогда ваш детектор InSb готов к максимальной чувствительности.

Арсенид индия-галлия (InGaAs) и германий (Ge)

InGaAs широко используется в качестве материала для быстрого и высокочувствительного инфракрасного детектора. В отличие от InSb, он обычно используется при комнатной температуре и имеет небольшую дополнительную чувствительность на более коротких длинах волн:InSb простирается примерно до 1 мкм, тогда как диапазон InGaAs уменьшается примерно до 0,7 мкм.

Германий похож на InGaAs в отношении спектрального отклика и работает при комнатной температуре. InGaAs позволяет добиться значительно более высокого отношения сигнал / шум.

Теллурид кадмия ртути (HgCdTe)

Теллурид кадмия играет важную роль в качестве детектора для длинноволновых инфракрасных приложений. Спектральный отклик InGaAs и InSb сужается при 2–3 мкм и 5–6 мкм соответственно, тогда как HgCdTe простирается до 16 мкм. Длинноволновый ИК-диапазон (LWIR) используется для пассивного теплового обнаружения и визуализации.

Как и детекторы InSb, детекторы HgCdTe охлаждаются до криогенных температур. Это серьезное неудобство, и многие устройства используют неохлаждаемые микроболометры для получения изображений LWIR; микроболометры реагируют непосредственно на тепловую энергию, в отличие от фотодиодов, которые реагируют на падающие фотоны в электромагнитном излучении. Микроболометры дешевле, меньше по размеру и более энергоэффективны; HgCdTe позволяет получать изображения более высокого качества.

Детекторы ультрафиолета

Хотя кремний в первую очередь чувствителен к видимым длинам волн, кремниевый фотодиод можно оптимизировать для улучшения отклика в УФ-диапазоне. Эти устройства называются кремниевыми фотодиодами с УФ-облучением. Это один из подходов к измерению УФ-излучения.

Вы, наверное, знакомы с карбидом кремния (SiC). Это все более популярный полупроводниковый материал, который в первую очередь ассоциируется с мощными полевыми МОП-транзисторами, но оказывается, что диоды SiC превосходны в качестве УФ-детекторов.

Фотодиоды из карбида кремния - это прочные устройства, которые по своей природе чувствительны только к УФ-свету в диапазоне от 200 до 400 нм.

Это нормализованный спектральный отклик фотодиода из карбида кремния, производимого Electro Optical Components.

Этот ограниченный спектральный отклик означает, что SiC-фотодиоды не требуют оптической фильтрации в системах, которые должны предотвращать влияние видимого или инфракрасного света на измерения в УФ-диапазоне. Кремниевые фотодиоды с УФ-усилением - это именно то, что вам нужно - с повышенной чувствительностью к УФ-излучению. Они сохраняют свою чувствительность к видимому свету, и на самом деле они гораздо более чувствительны к видимому свету, чем к УФ.

Математическая зависимость между мощностью падающего света и генерируемым фототоком называется чувствительностью. Пиковая чувствительность SiC довольно низкая по сравнению с пиковой чувствительностью кремния, но пиковая чувствительность кремния не имеет отношения к УФ-приложениям, поскольку она возникает вдали от длин волн УФ. Чувствительность SiC аналогична чувствительности кремния, если мы посмотрим только на участок спектра 200–400 нм.

Резюме

Кремниевые фотодиоды обеспечивают удобное и эффективное измерение освещенности в видимой области спектра. Стандартными материалами для инфракрасного обнаружения являются антимонид индия (InSb), арсенид индия-галлия (InGaAs), германий (Ge) и теллурид кадмия (HgCdTe). Для УФ-применений можно использовать кремний, усиленный УФ-излучением, а карбид кремния заслуживает рассмотрения, если вам нужна надежная работа при высоких температурах или если ваш детектор должен игнорировать видимый и инфракрасный свет.

Следующая статья в серии «Введение в фотодиоды:Принципы эквивалентной схемы фотодиода»