Кремний против передовых материалов фотодиодов: производительность, применение и ключевые компромиссы

Изучите, как кремниевые фотодиоды соотносятся с инфракрасными и ультрафиолетовыми полупроводниковыми технологиями в современных системах светочувствительности

В этой четвертой части нашей серии о фотодиодах мы рассматриваем сильные и слабые стороны распространенных полупроводниковых материалов — в основном кремния, а также сурьмы индия, арсенида галлия индия, германия, 텔лурида кадмия ртути и карбида кремния. Понимание этих различий поможет выбрать правильный детектор для приложений видимого света, ближнего ИК или УФ.

Эта статья является частью комплексного руководства, охватывающего основы светодиодов, физику p-n перехода, фотопроводительную и фотовольтаическую работу и эквивалентное схемное моделирование. Если вы еще не читали предыдущие разделы, они предоставляют необходимый фон и доступны по ссылкам ниже.

• Начните с первой статьи, чтобы понять физику света и p-n переходов.
• Далее, вторая часть фокусируется на светочувствительных p-n переходах.
• Третья статья охватывает фотопроводительные и фотовольтаические диоды.
• Наконец, четвертая статья (эта) обсуждает компромиссы материалов.

Кремниевый фотодиод

Кремний остается рабочей лошадкой технологии фотодиодов. Он предлагает зрелое, экономичное решение для детектирования видимого света с отличной линейностью, низким темновым током и высокой полосой пропускания. Кремниевые приборы широко доступны, и отраслевые лидеры вроде Thorlabs и Hamamatsu предоставляют фотодиоды, достигающие наименьшего темнового тока и самых быстрых времен отклика на рынке.

Спектральная чувствительность кремния пикует в диапазоне 400–700 нм, делая его идеальным для датчиков окружающего света, управления освещением и цветовых систем визуализации. Для приложений, требующих улучшенного отклика в ближнем ИК (НИК), производители предлагают кремниевые фотодиоды с антирефлексными покрытиями или тонкопленочными стеками, расширяющими чувствительность до ~1,2 мкм.

Этот график из Справочника по кремниевым фотодиодам Hamamatsu показывает квантовую эффективность (QE) различных кремниевых детекторов по видимому и НИК спектру.

ИК-детекторы

Сурьма индия (InSb)

Фотодиоды InSb превосходят в коротковолновом (SWIR) и средневолновом (MWIR) инфракрасном диапазонах (0,9–5 мкм). Их высокая чувствительность и низкий шум делают их подходящими для тепловизионных систем, наведения ракет и спектроскопии. Однако для достижения пиковой производительности детекторы InSb должны быть криогенно охлаждены — обычно азотным дуаром — потому что их темновый ток резко возрастает при комнатной температуре.

Арсенид галлия индия (InGaAs) и германий (Ge)

InGaAs — самый распространенный детектор НИК при комнатной температуре, покрывающий 0,7–1,7 мкм с высокой квантовой эффективностью и благоприятным соотношением сигнал/шум. Германий также работает при комнатной температуре и имеет схожий спектральный диапазон, но InGaAs обычно обеспечивает превосходную производительность в плане чувствительности и динамического диапазона.

Теллурид кадмия ртути (HgCdTe)

Фотодиоды HgCdTe расширяют возможность детектирования в дальний ИК (LWIR) до 16 мкм, что необходимо для пассивной тепловизии и экологического мониторинга. Как и InSb, HgCdTe требует криогенного охлаждения (часто жидким азотом или закрытыми криохладоустановками) для подавления темнового тока и поддержания высокой чувствительности. Хотя неохлаждаемые микроболометры все популярнее для LWIR-визуализации из-за низкой стоимости и потребления, HgCdTe остается эталоном для высокоразрешающего, низкошумового теплового детектирования.

УФ-детекторы

Кремниевые фотодиоды могут быть спроектированы для УФ-чувствительности за счет настройки зоны обедненности и применения селективной фильтрации. Эти УФ-усиленные кремниевые приборы сохраняют сильный отклик видимого света, но показывают повышенную чувствительность в диапазоне 200–400 нм, полезную для УФ-сенсирования в научных приборах и экологическом мониторинге.

Фотодиоды из карбида кремния (SiC) предлагают надежную альтернативу, интрузивно ограниченную полосой 200–400 нм. Широкий запрещенный зазор SiC обеспечивает низкий темновый ток и отличную термостабильность, делая его идеальным для сурового УФ-детектирования без необходимости оптической фильтрации для блокировки видимого или ИК света.

Резюме

• Кремниевые фотодиоды — выбор №1 для чувствительности к видимому свету, предлагая высокую линейность, низкий темновый ток и быстрый отклик.

• Для инфракрасного детектирования стандартными материалами являются:
– InSb (SWIR/MWIR, криогенные)
– InGaAs (0,7–1,7 мкм, комнатная температура)
– Ge (аналогично InGaAs, комнатная температура)
– HgCdTe (LWIR до 16 мкм, криогенные)

• УФ-приложения могут использовать УФ-усиленные кремниевые фотодиоды для широкополосного детектирования или SiC-фотодиоды для строго УФ-решения, устойчивого к высоким температурам.

Далее в серии: Понимание эквивалентной схемы фотодиода.