Характеристики различных фотодиодных технологий
Рассмотрим различия между кремниевыми фотодиодами и фотодиодами, изготовленными из других полупроводниковых материалов.
В данной статье мы обсудим различные типы фотодиодных технологий, а также сильные и слабые стороны полупроводников, используемых для их создания, и подробнее 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 или содержанием выше.
- 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 охватывает фотопроводящий и фотоэлектрический режимы работы фотодиодов.
- В заключительной 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.
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 расширенным диапазоном в сторону инфракрасной области даст вам большую чувствительность к длинам волн в ближней инфракрасной области, если это важно для вашего приложения.
Кремниевые фотодиоды – отличные детекторы света общего назначения. Они надежны и широко доступны, их электрический отклик на освещенность очень линеен, они обладают хорошими характеристиками темнового тока и пропускной способности. Фактически, фотодиоды с наименьшим темновым током и высокоскоростные фотодиоды, 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 из InSb.
InSb чувствителен к коротковолновому и средневолновому инфракрасному излучению и предлагает отличную производительность для приложений, которые вместо видимого света должны обнаруживать тепловые сигнатуры. Однако чтобы максимально использовать InSb, вам нужно приложить дополнительные усилия, а именно охладить фотодиод до криогенных температур. Это делается с помощью сосудов Дьюара, в которых находится диод и жидкий азот. Вы заполняете сосуд Дьюара жидким азотом, и тогда ваш детектор из InSb будет готов к обеспечению максимальной чувствительности.
Арсенид галлия-индия (InGaAs) и германий (Ge)
InGaAs широко используется в качестве материала для быстродействующих и высокочувствительных детекторов инфракрасного излучения. В отличие от InSb, он обычно используется при комнатной температуре и имеет небольшое увеличение чувствительности на более коротких длинах волн: InSb работает примерно до 1 мкм, тогда как диапазон InGaAs снижен примерно до 0,7 мкм.
Германий похож на InGaAs в отношении спектрального отклика и работает при комнатной температуре. Но InGaAs может достичь значительно более высокого отношения сигнал/шум.
Теллурид кадмия-ртути (HgCdTe)
Теллурид кадмия-ртути играет важную роль в детекторах для длинноволновых инфракрасных приложений. Спектральный отклик InGaAs и InSb сужен до 2–3 мкм и 5–6 мкм соответственно, тогда как диапазон HgCdTe простирается до 16 мкм. Длинноволновый инфракрасный диапазон (LWIR, long-wavelength IR) используется для пассивного теплового обнаружения и визуализации.
Как и детекторы из InSb, детекторы из HgCdTe охлаждаются до криогенных температур. Это серьезное неудобство, и многие устройства для получения изображений LWIR используют неохлаждаемые микроболометры; микроболометры реагируют непосредственно на тепловую энергию, в отличие от фотодиодов, которые реагируют на падающие фотоны электромагнитного излучения. Микроболометры дешевле, меньше по размеру и более энергоэффективны; но детекторы из HgCdTe создают изображения более высокого качества.
Ультрафиолетовые детекторы
Хотя кремний чувствителен в первую очередь к видимым длинам волн, кремниевый фотодиод можно оптимизировать для улучшения отклика и в ультрафиолетовом диапазоне. Эти устройства называются кремниевыми ультрафиолетовыми фотодиодами.
Вы, наверное, знакомы с карбидом кремния (SiC). Это набирающий популярный полупроводниковый материал, который в первую очередь ассоциируется с мощными полевыми MOSFET транзисторами, но оказывается, что диоды из SiC отлично подходят для использования в качестве детекторов ультрафиолетового излучения.
Фотодиоды из карбида кремния – это прочные устройства, которые по своей природе чувствительны только к ультрафиолетовому свету в диапазоне от 200 до 400 нм.
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 ультрафиолетовом диапазоне.
Если вам необходимо только расширить чувствительность до ультрафиолетового излучения, кремниевые ультрафиолетовые фотодиоды – это именно то, что вам нужно. Они сохраняют свою чувствительность в видимом диапазоне; на самом деле их чувствительность к видимому свету намного выше, чем к инфракрасному излучению.
Математическая зависимость между силой падающего света и генерируемым фототоком называется чувствительностью. Пиковая чувствительность SiC-фотодиодов довольно низкая по сравнению с пиковой чувствительностью кремниевых фотодиодов, но пиковая чувствительность кремния не имеет отношения к ультрафиолетовым приложениям, потому что она возникает далеко от длин волн ультрафиолетового излучения. Чувствительность SiC аналогична чувствительности кремния, если мы говорим только про участок спектра 200–400 нм.
Резюме
Кремниевые фотодиоды обеспечивают удобное и эффективное измерение освещенности в видимой области спектра. Стандартными материалами для детектирования инфракрасного излучения являются антимонид индия (InSb), арсенид индия-галлия (InGaAs), германий (Ge) и теллурид кадмия-ртути (HgCdTe). Для ультрафиолетовых приложений можно использовать кремний, а также стоит рассмотреть карбид кремния, 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»: эквивалентная схема фотодиода.