Fotodiode
En fotodiode er en halvlederkomponent , der har kapacitet til at fange stråling fra det optiske domæne og omdanne det til et elektrisk signal .
Generel
Som mange dioder inden for elektronik består den af en PN-forbindelse . Denne grundlæggende konfiguration blev forbedret ved indførelsen af en indre zone (I) til at udgøre PIN-fotodioden . I fravær af polarisering (kaldet solcelleanlæg) skaber det en spænding. Omvendt forspændt af en ekstern strømforsyning (fotoampotilstand) skaber det en strøm. Der er 3 forskellige regioner:
- en rumladningszone (ZCE), der almindeligvis kaldes en udtømnings- og diffusionszone
- et neutralt område af N-typen
- en neutral P-type .
Denne komponent er optoelektronisk .
Operation
Når en halvleder er udsat for en lysende flux , de fotoner absorberes forudsat at energien af fotonen ( ) er større end bredden af den forbudne bånd (E g ). Dette svarer til den nødvendige energi, som elektronen skal absorbere, så den kan forlade valensbåndet (hvor det tjener til at sikre sammenhængen i strukturen) mod ledningsbåndet, hvilket gør det mobilt og i stand til at generere en elektrisk strøm . Eksistensen af det forbudte bånd fører til eksistensen af en absorptionstærskel som f.eks . Under optagelsen af en foton kan der opstå to fænomener:
- Den photoemission : outputtet af elektron ud af det lysfølsomme materiale. Elektronen kan kun gå ud, hvis den er ophidset nær overfladen.
- Den photoconductivity : elektronen frigøres inde i materialet. De således frigivne elektroner bidrager til materialets elektriske ledningsevne.
Når fotoner ind i halvleder med tilstrækkelig energi, kan de skabe overskydende tilgængeligt bærere ( elektroner og elektron huller ) i materialet. En stigning i strøm observeres derefter. To mekanismer griber ind samtidigt:
- Der er oprettelse af mindretalsbærere, det vil sige elektroner i P-regionen og huller i N-regionen. Disse vil sandsynligvis nå ZCE ved diffusion og derefter blive drevet mod områder, hvor de er flertallet. Faktisk, en gang i ZCE, hvor polarisationen vendes, favoriseres mindretalens passage mod deres zone af forkærlighed. Disse bærere hjælper således med at skabe diffusionsstrømmen.
- Der er dannelse af elektronhulpar i ZCE, der adskiller sig under påvirkning af det elektriske felt; elektronen, der forbinder zone N, hullet zone P. Denne strøm kaldes transitstrøm eller fotostrøm fra generation.
Disse to bidrag tilføjes for at oprette fotostrømmen I ph, der føjes til krydsets omvendte strøm. Udtrykket af den nuværende krydsning af krydset er så:
Elektriske specifikationer
En fotodiode kan repræsenteres ved en strømkilde I ph (afhængig af belysning) parallelt med kapacitet junction C j og en modstand af shunt R sh fra en høj værdi (karakterisering af lækstrøm), den 'sammen er i serie med en intern modstand R s :
- shuntmodstand: Shuntmodstanden for en ideel fotodiode er uendelig. I virkeligheden er denne modstand mellem 100 kΩ og 1 GΩ afhængig af fotodiodeens kvalitet. Denne modstand bruges til at beregne lækstrømmen (eller støj) i solcellemodus, det vil sige uden polarisering af fotodioden.
- krydset kapacitet: denne kapacitet skyldes belastningszonen; den er omvendt proportional med bredden på pladsladningen (W) . Hvor A er den skårne overflade af fotodioden. W er proportional med den omvendte forspænding, og kapacitansen falder, når forspændingen øges. Denne kapacitans svinger omkring 100 pF for svage polarisationer til et par snesevis af pF for høje polarisationer.
- intern modstand: denne modstand skyldes hovedsageligt substratets modstand og kontaktmodstandene. R s kan variere mellem 10 og 500Ω afhængigt af overfladen af fotodioden.
Andre egenskaber:
- responstid: det defineres normalt som den tid, det tager at nå 90% af den endelige strøm i fotodioden. Denne tid afhænger af 3 faktorer:
- t transit : transportører i rumafgiftszonen.
- t diffusion : transportørers rejsetid i neutrale regioner.
- tidskonstanten t τ : tidskonstant for det ækvivalente kredsløb (modstand R S + R C og kapacitans C j + C γ ) . Således tidskonstanten er lig med: . Men hver gang er det vanskeligt at bestemme; kun den samlede tid tages i betragtning. Generelt er transmissionstiden langsommere end transittiden.
- lysfølsomhed : den defineres af og bestemmer anvendelsesbetingelserne (200 nA / Lux for germanium (Ge) fotodioder, 10 nA / Lux for silicium (Si) fotodioder). Ge-fotodioder udviser større lysfølsomhed, men deres mørke strøm er bemærkelsesværdig I 0 = 10 uA. Det er derfor foretrukket at anvende Si fotodioder (I 0 = 10 Pa) til påvisning af lav belysning.
- fangeeffektivitet: dette er forholdet mellem antallet af elementære ladninger, der krydser krydset, over antallet af indfaldende fotoner. Denne effektivitet afhænger af bølgelængden af strålingen og komponentens konstruktionsparametre. Den definerer detektorens spektrale anvendelsesområde.
Optimering
For at få en bedre kvanteeffektivitet skal størstedelen af fotobærerne oprettes i ZCE, hvor rekombinationshastigheden er lav. Dette sparer fotodiodens responstid. For at opnå denne tilstand skal fotodioden have et så tyndt frontal område som muligt. Denne tilstand begrænser dog mængden af absorberet stråling. Det er derfor et spørgsmål om at indgå et kompromis mellem mængden af absorberet stråling og reaktionstiden for fotodioden: generelt . W er bredden af ZCE og α, absorptionskoefficienten.
Vi har lige set fordelen ved at have en pladsafgiftszone, der er stor nok til, at fotostrømmen i det væsentlige oprettes i denne zone og er tynd nok, så transittiden ikke er for stor. Det er imidlertid muligt at øge kunstigt ved at indsætte en indre region I mellem regionerne N-type og P-type. Dette fører til en anden type fotodiode: PIN-fotodioder .
Hvis den omvendte polarisering af strukturen er tilstrækkelig, findes der et stærkt elektrisk felt i hele den indre zone, og fotobærerne når meget hurtigt deres grænsehastighed. Der opnås således meget hurtige fotodioder. Derudover forhindrer det elektriske felt i udtømningsområdet (ZCE) rekombination af bærere, hvilket gør fotodioden meget følsom.
Tilfælde af fototransistorer
Operation
En fototransistor er en transistor, der er følsom over for lys. Det blev opfundet i 1948 af John Shive , en forsker ved Bell Laboratories, men opdagelsen blev først offentliggjort i 1950. En almindelig type fototransistor er det, der kaldes en bipolær transistor indpakket i en gennemsigtig skal, der tillader i lyset af at nå krydset mellem basesamleren. Basen siges derefter at være flydende, da den ikke har nogen forbindelse. Når basen ikke lyser, krydses transistoren af lækstrømmen I CE0 . Belysningen af basen fører til en lysstrøm I ph, der kan kaldes transistorens styrestrøm.
Dette synes med kollektor-basis i form: .
For at forenkle, når basen er belyst, svarer fototransistoren til en lukket kontakt mellem emitteren og samleren, og når basen ikke er oplyst, svarer den til en åben kontakt.
Fototransistorens belysningsstrøm er fotostrømmen af solfangerbasens fotodiode ganget med forstærkning β af transistoren. Dens lysfølsomme reaktion er derfor signifikant højere end en fotodiode (fra 100 til 400 gange mere). På den anden side er den mørke strøm vigtigere.
En anden forskel observeres mellem fototransistor og fotodiode: fototransistorens bund er tykkere, hvilket resulterer i en større tidskonstant og derfor en lavere afskæringsfrekvens end fotodiodernes. Valgfrit kan afskæringsfrekvensen øges ved at nedsætte lysfølsomheden ved at forbinde basen til senderen .
Ansøgning
I forbindelse med en infrarød LED er de mest almindelige anvendelser inden for robotteknologi med linjefølgerens tilfælde (sort linje på en hvid baggrund) eller påvisning af forhindringer over korte afstande.
Noter og referencer
- (i) Michael Riordan og Lillian Hoddeson, Crystal Brand: Opfindelsen af transistoren og fødsel Information Age ,1998, 352 s. ( ISBN 978-0-393-31851-7 )
- (in) " fototransistor " på smecc.org
Tillæg
Relateret artikel
eksterne links
- Fil på fotodioder på ABC elektronikwebsite
- Fil på optiske sensorer på wikiversité-webstedet