Введение в фотодиоды: природа света и PN-переходы
Рассмотрим, как полупроводниковые устройства взаимодействуют с электромагнитным излучением, чтобы обеспечить электронное обнаружение видимого света, ультрафиолетового и инфракрасного излучения.
Фотодиоды – это измерительные устройства, которые генерируют электрические сигналы в ответ на различные типы высокочастотного электромагнитного излучения (видимый свет, свет, сфокусированный линзой камеры, сигналы лазеров, используемые в системах связи, тепловое излучение и так далее).
Данное введение в фотодиоды послужит подготовкой к дальнейшему изучению светочувствительных схем, приложений и технологий и состоит из пяти отдельных статей:
- Природа света и PN-переходы
- Физика работы светочувствительных PN-переходов
- Понятие фотоэлектрического и фотопроводящего режимов работы фотодиода
- Характеристики различных фотодиодных технологий
- Понятие эквивалентной схемы фотодиода
Что такое свет?
Если вы изучали квантовую механику, то знаете, что этот вопрос не так прост, как кажется. К счастью, нам не нужно разгадывать тайны Вселенной, чтобы успешно интегрировать фотодиоды в наши электронные системы. Однако нам необходимо иметь базовое научное представление о свете.
Электромагнитное излучение и длины волн
Электромагнитное излучение (ЭМИ, EMR, electromagnetic radiation) распространяется как волна, а также состоит из безмассовых частиц, называемых фотонами. Мы классифицируем электромагнитные волны по их длине волны. Свет – это просто ЭМИ, которое попадает в определенный диапазон длин волн.
Если мы примем строгую интерпретацию слова «свет», мы будем связывать это слово только с длинами волн видимого диапазона, то есть с длинами волн света, к которым чувствителен человеческий глаз. Длины волн оптического диапазона находятся в диапазоне от 400 нм до 700 нм, причем разные длины волн соответствуют разным цветам.
Как вы можете видеть на диаграмме ниже, цвета начинаются с фиолетового (у которого самая короткая длина волны) и движутся через радугу к красному (у которого самые длинные волны).
Мы также можем применить слово «свет» к электромагнитному излучению, которое находится близко, но не в пределах оптического диапазона. Инфракрасный свет простирается в диапазоне от 700 нм до 1 мм, а ультрафиолетовый свет находится в диапазоне от 400 до 10 нм. Когда термин «свет» интерпретируется в этом более широком смысле, мы можем использовать термин «видимый свет», чтобы отличать оптическое ЭМИ от инфракрасного и ультрафиолетового излучений.
Электромагнитное излучение и фотоны
Инженеры-электронщики часто подчеркивают квантовую природу света, потому что во взаимодействии между светом и электронными схемами важную роль играют фотоны. Фотоны передают энергию, и эта энергия, связанная с отдельным фотоном, определяется длиной волны.
ЭМИ с более высокой частотой (или более короткой длиной волны) имеет фотоны с более высокой энергией, а ЭМИ с более низкой частотой (или большей длиной волны) имеет фотоны с более низкой энергией.
PN-переход и диод
Возьмите кремний полупроводникового качества (действительно чистый материал). В одну его часть добавьте пятивалентный элемент, чтобы получить кремний N-типа, а соседнюю его часть легируйте трехвалентным элементом, чтобы получить кремний P-типа. Теперь у вас есть PN-переход – один из столпов постмодернистской цивилизации.
Когда кремниевый PN-переход помещен в корпус и используется в цепи, мы называем его диодом (или кремниевым диодом, если быть более точным). Когда мы создаем обычные диоды, мы обычно думаем о работе с прямым смещением: диод блокирует ток, когда его напряжение прямого смещения меньше примерно 0,6 В, и он свободно проводит ток, когда его напряжение прямого смещения больше 0,6 В. (Это серьезное, но полезное упрощение. Для более глубокого обсуждения этой темы посмотрите статью об упрощенных методах анализа схем для диодных схем с прямым смещением.)
Что касается фотодиодов, нам интересна работа с нулевым или обратным смещением. Этот принцип реализации фотодиода имеет решающее значение, поэтому, прежде чем закончить, давайте обсудим его еще немного.
PN-переход как оптический детектор
Назначение фотодиода – генерировать ток, который пропорционален интенсивности видимого, инфракрасного или ультрафиолетового света. Технический термин, обозначающий интенсивность света, измеряемую фотодиодом, – это освещенность.
Фотодиод имеет прозрачный корпус, который позволяет свету достигать PN-перехода, а в правильно спроектированной схеме с фотодиодом падающий свет будет создавать точные изменения в величине тока, протекающего через фотодиод.
Если мы направим смещение фотодиода в точку проводимости, у нас больше не будет оптического детектора. Детектирование света происходит, когда энергия, передаваемая падающими фотонами, существенно влияет на общий ток диода. Через проводящий диод при прямом смещении ток свободно протекает независимо от падающего света. Таким образом, схемы с фотодиодами проектируются так, чтобы фотодиод имел нулевое или обратное смещение.
Фотодиод с нулевым смещением работает в фотоэлектрическом режиме, а фотодиод с обратным смещением работает в фотопроводящем режиме. Эти два режима будут рассмотрены подробнее позже.
Измерение видимого света, инфракрасного и ультрафиолетового излучения
Фотодиоды – это полупроводниковые устройства, которые можно использовать для измерения видимого света, инфракрасного или ультрафиолетового излучения. Кремниевый фотодиод принципиально не отличается от типового кремниевого выпрямительного диода, но фотодиоды используют преимущества нулевого или обратного смещения PN-перехода.
В следующей статье мы обсудим физику работы светочувствительных PN-переходов.