Kenmerken van verschillende fotodiodetechnologieën

Meer informatie over de verschillen tussen siliciumfotodiodes en fotodiodes gemaakt van andere halfgeleidermaterialen.

In dit artikel bespreken we enkele verschillende soorten fotodiodetechnologieën en de sterke en zwakke punten van de halfgeleiders die worden gebruikt om ze te maken, namelijk silicium

Dit is het vierde deel van onze serie fotodiodes, die u zal voorbereiden om meer te leren over het gebruik van fotodiodes in lichtgevoelige circuits en hun toepassingen. Als je de rest wilt lezen, bekijk dan de onderstaande links.

• Als je meer wilt weten over de basis, begin dan met het eerste artikel, waarin de fysica van licht wordt besproken en hoe pn-overgangen worden gebruikt om diodes te vormen.
• Het tweede stuk richt zich op pn-overgangen die gevoelig zijn voor licht.
• Het derde stuk behandelt fotogeleidende en fotovoltaïsche diodes.
• Het laatste stuk bespreekt het fotodiode-equivalentcircuit.

De Silicium Fotodiode

Silicium is zeker geen exotisch halfgeleidermateriaal, maar het is een prima fotodiode. Silicium-fotodiodes zijn een uitstekende keuze voor veel toepassingen met zichtbaar licht.

Dit is de belangrijkste beperking om rekening mee te houden bij silicium:het is voornamelijk gevoelig voor de golflengten van zichtbaar licht. In veel systemen, zoals een lichtdimmer die reageert op het omgevingslicht, is dit precies wat je wilt. Een met IR versterkte siliciumfotodiode geeft u meer gevoeligheid voor golflengten in het nabij-infraroodgebied, als dat belangrijk is in uw toepassing.

Deze plot uit Hamamatsu's Silicon Photodiodes Handbook toont de spectrale respons voor een verscheidenheid van hun silicium fotodetectorproducten. QE staat voor kwantumefficiëntie.

Silicium-fotodiodes zijn geweldige lichtdetectoren voor algemeen gebruik. Ze zijn betrouwbaar en overal verkrijgbaar, hun elektrische respons op verlichtingssterkte is zeer lineair en ze hebben goede donkerstroom- en bandbreedteprestaties. In feite zijn de fotodiodes met de laagste donkerstroom en de hoogste snelheid die door Thorlabs worden verkocht, beide siliciumapparaten.

Infrarooddetectoren

Indiumantimonide (InSb)

Als ik aan fotodiodes denk, is het eerste materiaal dat in me opkomt InSb. Het komt veel minder vaak voor dan silicium, maar het werd in mijn technische bewustzijn gebrand omdat een van de belangrijkste bedrijfsprojecten waaraan ik ooit heb gewerkt, was gebouwd rond een reeks InSb-fotodiodes.

InSb is gevoelig voor kortegolf- en middengolflengte-infrarood en biedt uitstekende prestaties voor toepassingen die warmtekenmerken moeten detecteren in plaats van zichtbaar licht. Om het meeste uit InSb te halen, moet u echter wat extra moeite doen, namelijk de fotodiode afkoelen tot cryogene temperaturen. Ze maken dingen die dewars worden genoemd en die de diode bevatten en vloeibare stikstof bevatten. Je vult de dewar met LN2 en dan is je InSb detector klaar voor maximale gevoeligheid.

Indium Gallium Arsenide (InGaAs) en Germanium (Ge)

InGaAs wordt veel gebruikt als een snel, zeer gevoelig infrarood detectormateriaal. In tegenstelling tot InSb wordt het vaak gebruikt bij kamertemperatuur en heeft het een beetje extra responsiviteit bij kortere golflengten:InSb strekt zich uit tot ongeveer 1 µm, terwijl het InGaAs-bereik daalt tot ongeveer 0,7 µm.

Germanium is vergelijkbaar met InGaAs met betrekking tot spectrale respons, en het werkt bij kamertemperatuur. InGaAs kan een aanzienlijk hogere signaal-ruisverhouding bereiken.

Kwik Cadmium Telluride (HgCdTe)

Kwik-cadmiumtelluride speelt een belangrijke rol als detector voor IR-toepassingen met lange golflengte. De spectrale respons van InGaAs en InSb neemt af bij respectievelijk 2-3 m en 5-6 m, terwijl HgCdTe zich uitstrekt tot 16 m. Lange-golflengte IR (LWIR) wordt gebruikt voor passieve thermische detectie en beeldvorming.

Net als InSb-detectoren worden HgCdTe-detectoren gekoeld tot cryogene temperaturen. Dit is een groot ongemak en veel apparaten gebruiken ongekoelde microbolometers voor LWIR-beeldvorming; microbolometers reageren direct op thermische energie, in tegenstelling tot fotodiodes, die reageren op de invallende fotonen in elektromagnetische straling. Microbolometers zijn goedkoper, kleiner en energiezuiniger; HgCdTe produceert beelden van hogere kwaliteit.

Ultraviolette detectoren

Hoewel silicium voornamelijk gevoelig is voor zichtbare golflengten, kan een siliciumfotodiode worden geoptimaliseerd voor een verbeterde UV-respons. Deze apparaten worden UV-versterkte siliciumfotodiodes genoemd. Dat is een manier om UV-licht te meten.

U bent waarschijnlijk bekend met siliciumcarbide (SiC). Het is een steeds prominenter wordend halfgeleidermateriaal dat voornamelijk wordt geassocieerd met krachtige MOSFET's, maar het blijkt dat SiC-diodes uitstekend geschikt zijn als UV-detectoren.

Siliciumcarbide-fotodiodes zijn robuuste apparaten die van nature alleen gevoelig zijn voor UV-licht in de band van 200 nm tot 400 nm.

Dit is de genormaliseerde spectrale respons van een siliciumcarbide fotodiode vervaardigd door Electro Optical Components.

Deze beperkte spectrale respons betekent dat SiC-fotodiodes geen optische filtering nodig hebben in systemen die moeten voorkomen dat zichtbaar of infrarood licht de UV-metingen verstoort. UV-versterkte siliciumfotodiodes zijn precies dat:verbeterd voor UV-gevoeligheid. Ze behouden hun gevoeligheid voor zichtbaar licht en zijn in feite veel gevoeliger voor zichtbaar licht dan voor UV.

De wiskundige relatie tussen het vermogen van invallend licht en de gegenereerde fotostroom wordt responsiviteit genoemd. De piekresponsiviteit van SiC is vrij laag in vergelijking met de piekresponsiviteit van silicium, maar de piekresponsiviteit van silicium is niet relevant voor UV-toepassingen omdat deze ver van UV-golflengten voorkomt. De responsiviteit van SiC is vergelijkbaar met de responsiviteit van silicium als we alleen naar het 200-400 nm-gedeelte van het spectrum kijken.

Samenvatting

Silicium-fotodiodes bieden een gemakkelijke, hoogwaardige meting van de verlichtingssterkte in het zichtbare spectrum. Standaardmaterialen voor infrarooddetectie zijn indiumantimonide (InSb), indium galliumarsenide (InGaAs), germanium (Ge) en kwik-cadmiumtelluride (HgCdTe). Voor UV-toepassingen is met UV versterkt silicium een ​​optie, en siliciumcarbide is het overwegen waard als u een betrouwbare werking bij hoge temperaturen nodig heeft of als uw detector zichtbaar en infrarood licht moet negeren.

Volgend artikel in de serie Inleiding tot fotodiodes:het fotodiode-equivalente circuit begrijpen