Estruturas de Fotodiodo: Noções Básicas
Os diferentes tipos de estrutura de fotodiodo e materiais de fotodiodo têm impacto no desempenho e no uso: junção PN, PIN, avalanche e fotodiodos Schottky.
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Tutorial de Fotodiodos Inclui:
Tecnologia de Fotodiodos | Fotodiodos PN e PIN | Fotodiodo de Avalanche | Fotodiodo Schottky | Estruturas de Fotodiodos | Teoria de Fotodiodos
Tutorial de Diodo Inclui:
Tipos de diodos | Especificações e classificações de diodos
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A estrutura do fotodiodo tem grande influência na maneira como qualquer dispositivo funciona como um fotodetector.
A estrutura e os materiais do fotodiodo determinam a maneira como o fotodiodo funciona e fatores como o tamanho da área de junção, incluindo uma área intrínseca, aumentam o tamanho da área ou volume sobre o qual as fotos de luz podem ser coletadas.
Como resultado, a estrutura, os materiais e o mecanismo usado para o fotodiodo são todos de grande importância.
Uma variedade de diferentes estruturas de fotodiodo são usadas e estas variam de acordo com o tipo de fotodiodo em questão. As estruturas de fotodiodo de avalanche são diferentes daquelas usadas para fotodiodos PIN ou PN. A estrutura do fotodiodo Schottky é novamente diferente. No entanto, todas as estruturas de fotodiodo são projetadas para otimizar a captação e conversão de luz
Estruturas de fotodiodo PN & PIN
O diodo de junção PN padrão pode fornecer as funções de um fotodiodo. No entanto, um dos principais requisitos para um fotodiodo é uma área adequada para a coleta da luz. Dentro de uma junção PN padrão, isso é relativamente pequeno, mas a área pode ser aumentada usando um diodo PIN. Como a área intrínseca está incluída na junção ativa para captação de luz, há uma área muito maior para captação de luz, tornando o fotodiodo PIN mais eficaz.
No processo de fabricação do fotodiodo, uma camada intrínseca espessa é inserida entre as camadas do tipo P e do tipo N. Essa camada intrínseca intermediária pode ser completamente intrínseca ou levemente dopada para torná-la uma camada N. Em alguns casos, pode crescer como uma camada epitaxial no substrato ou, alternativamente, pode estar contido no próprio substrato.
Um dos principais requisitos do fotodiodo é garantir que a quantidade máxima de luz chegue à camada intrínseca. Uma das maneiras mais eficientes de conseguir isso é colocar os contatos elétricos na lateral do dispositivo, conforme mostrado. Isso permite que a quantidade máxima de luz alcance a área ativa. Verifica-se que como o substrato é fortemente dopado, há muito pouca perda de luz devido ao fato de esta não ser a área ativa.
Como a luz é absorvida principalmente dentro de uma certa distância, a espessura da camada intrínseca é normalmente feita para corresponder a isso. Qualquer aumento de espessura acima disso tenderá a reduzir a velocidade de operação – um fator vital em muitas aplicações, e não melhorará muito a eficiência.
Também é possível fazer com que a luz entre no fotodiodo pelo lado da junção. Ao operar o fotodiodo dessa maneira, a camada intrínseca pode ser reduzida para aumentar a velocidade de operação, embora a eficiência seja reduzida.
Em alguns casos, uma heterojunção pode ser usada. Essa forma de estrutura tem a flexibilidade adicional de que a luz pode ser recebida do substrato e isso tem uma lacuna de energia maior que a torna transparente à luz.
O formato de heterojunção para um fotodiodo PIN usa menos tecnologia padrão, muitas vezes usando materiais como InGaAs e InP representados no diagrama. Sendo um processo menos padronizado, é mais caro de implementar e, como resultado, tende a ser usado para produtos mais especializados.
Materiais de fotodiodo PN / PIN
Os materiais para os fotodiodos determinam muitas de suas características. Uma das principais propriedades ou características é o comprimento de onda da luz ao qual o diodo responde. Outra é o nível de ruído. Ambos são governados em grande parte pelo material usado no fotodiodo.
A variação da resposta ao comprimento de onda causada pelo uso dos diferentes materiais ocorre porque apenas os fótons com energia suficiente para excitar um elétron através do bandgap do material produzirão energia significativa para desenvolver a corrente do fotodiodo.
| FAIXAS DE COMPRIMENTO DE ONDA PARA MATERIAIS DE FOTODIODO COMUMENTE USADOS | |
|---|---|
| MATERIAL | SENSIBILIDADE DO COMPRIMENTO DE ONDA (NM) |
| Germânio | 800 – 1700 |
| Arsenieto de índio e gálio | 800 – 2600 |
| Sulfeto de chumbo | ~1000 – 3500 |
| Silício | 190 – 1100 |
Embora a sensibilidade do comprimento de onda do material seja muito importante, outro parâmetro que pode ter um grande impacto no desempenho do fotodiodo é o nível de ruído produzido. Devido ao seu maior bandgap, os fotodiodos de silício geram menos ruído do que os fotodiodos de germânio. No entanto, também é necessário considerar os comprimentos de onda para os quais o fotodiodo é necessário e os fotodiodos de germânio devem ser usados para comprimentos de onda superiores a aproximadamente 1000 nm.
Estrutura do fotodiodo de avalanche
A estrutura do fotodiodo de avalanche é relativamente semelhante à estrutura do fotodiodo PN mais comumente usada ou à estrutura do fotodiodo PIN. No entanto, como o fotodiodo de avalanche é operado sob um alto nível de polarização reversa, um anel de proteção é colocado ao redor do perímetro da junção do diodo. Isso evita mecanismos de quebra de superfície.
Materiais de fotodiodo de avalanche
Como os fotodiodos PN ou PIN padrão, os materiais usados têm um efeito importante na determinação das características do diodo avalanche.
| MATERIAIS DE FOTODIODO DE AVALANCHE COMUMENTE USADOS | |
|---|---|
| MATERIAL | PROPRIEDADES |
| Germânio | Pode ser usado para comprimentos de onda na região de 800 – 1700 nm. Tem um alto nível de ruído de multiplicação. |
| Silício | Pode ser usado para comprimentos de onda na região entre 190 – 1100 nm. Os diodos exibem um nível comparativamente baixo de ruído de multiplicação quando comparados aos que usam outros materiais e, em particular, o germânio. |
| Arsenieto de índio e gálio | Pode ser usado para comprimentos de onda de até 1600 nm e tem um nível mais baixo de ruído de multiplicação do que o germânio. |
Para um ótimo desempenho de ruído, é necessária uma grande diferença nos coeficientes de ionização para elétrons e buracos. O silício fornece um bom desempenho de ruído com uma relação entre os diferentes coeficientes de 50. O germânio e muitos compostos do grupo III-V têm proporções inferiores a 2. Embora o desempenho de ruído desses materiais seja muito inferior, eles precisam ser usados por mais tempo comprimentos de onda que requerem o menor intervalo de energia oferecido.
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