Fotodiodos - Fotodiodo PDF

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Fotodiodo...

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FOTODIODOS Fundamentos, características, tecnología y aplicaciones

Rapidez

( 3·108 m/s )

Detección a distancia POSIBILIDADES DE LA LUZ

Posibilidad de enfoque ( ≈ µm ) Visibilidad ( 0.4- 0.78 µm ) Variedad de λ

6

3

1.6

UV 0.2

0.7

E ( eV )

C0 = λ 0 · ν

NIR 0.4

0.8

ν = 1.24 / λ (µ hν µm ) 1.6

λ ( µm )

NECESIDAD DE DETECTORES •Receptores: FO, control remoto •Sensores: presencia, composición •Lectores: CD - DVD •Monitores: control de láseres •Cámaras: vídeo, visión nocturna

dispositivos de vacío fotoconductores

fotoeléctricos semiconductores

TIPOS térmicos

fotodiodos

•¿POR QUÉ SEMICONDUCTORES? Semiconductores :

Eg ~ 0.1 - 3 eV

Luz (visible - M IR) :

h ν ~ 0.1 - 3 eV!

•¿POR QUÉ DIODOS?

Vph

+

-

Φ

←⎯ iph Como batería...

Células fotovoltaicas i·v < 0

Como detector: Φ ⇒ iph

Fotodiodos

Guión Principio de funcionamiento Características Eficiencia y respuesta espectral Características eléctricas Respuesta en frecuencia Tecnología Dispositivos específicos Fotodiodos Schottky Fotodiodos de avalancha Aplicaciones

Principio de funcionamiento

Absorción banda a banda Fotocorriente en uniones PN Estructuras de fotodiodos

Absorción banda a banda

Fotogeneración de portadores ∆n ⇒ ∆σ Otros procesos de absorción: excitónica, por impurezas intrabanda, fonones ...

Atenuación de la luz dφ/dx = -αφ ⇒ φ(x) = φ(0)·exp(-αx) α = coef. de absorción 1/α = long. de penetración

α) Coeficiente de absorción (α conservación de E + conservación de k semicond. directos

ρ(ν ν) · fv (E1) ·[1 - fc (E2)] rab(ν) ∝ φν ·ρ 1

α(hν ν) semicond. directos

α

1/2 ) ν E cte (hν g =

τr

(h ν)2

semicond. indirectos

Coeficiente de absorción

1

102

Semic. directos: borde de absorción abrupto Semic. indirectos: variación gradual de 1/α(λ) Importantes: Silicio y GaInAs (con a=a(InP))

Longitud de penetración (µ µm)

10-2

Fotogeneración en una unión PN Popt (1-R) P(x) = Popt(1-R)e-ααx G(x) = α·P(x)/A ZCE: G n:G x p:G

arrastre difusión difusión

Φ) = I(V;0) - Iph I(V;Φ

arrastre arrastre recomb.

Características I(V) i = i0(exp(V/nVT)-1) - iph

Modo Fotoconductivo

Modo Fotovoltaico

v=0 ⇒ i = - iph∝ Popt

i=0 ⇒ v ≈ vT·ln(iph/i0)

Polarización inversa

Fotoconductor I

V Φ=0 i = - (i0 + iph)

Φ>0

Estructura de fotodiodo PN

• Estructura p+-n-n+ • Difusión desde la zona n • W(VR) (y ∝ρ½)

Estructura de fotodiodo PIN

(+) alta eficiencia (+) predominio del arrastre ⇒ rapidez (–) ↑ Id

Fotodiodos de heterounión AlGaAs/GaAs

GaInAs/InP

(+) α« fuera de la ZCE (+) sólo arrastre ⇒ rapidez

(+) (iluminación por detrás)

(+) no recomb. superficial

OJO: ajuste parámetros de red

Principio de funcionamiento Características

• Análisis de la eficiencia

Eficiencia y respuesta espectral

• Optimización

Características eléctricas

• Ejemplos

Respuesta en frecuencia Tecnología Dispositivos específicos Aplicaciones

Eficiencia cuántica y sensibilidad η) Eficiencia cuántica (η η = nº de pares e-h generados / nº fotones incidentes η ≈ (1 - R)·[1- exp (-αd)]· ζ Sensibilidad o “responsividad” ℜ = fotocorriente / potencia óptica ν) i ph = e·η·( P/ hν

⇒ ℜ = η·λ0 (µm)/ 1.24

Análisis de la eficiencia cuántica difusión en la zona n Dp

J ph = J dif + J arr

∂ 2pn pn − pn 0 + G (x) = 0 − τp ∂ x2

p n ph

W− x ⎞ ⎛ ⎜ L ⎟ = C1 e− α x ⎜ 1 − e p ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠

⎛ Φ 0 ⎞ α L2p ⎟ C 1 ≡ ⎜⎜ 2 2 ⎟ D ⎝ p ⎠ 1 − α Lp

J dif = qΦ 0

α Lp 1 + α Lp

e

− αW

arrastre en la ZCE W

J arr = − q ∫0 G ( x ) dx Pnph

0

x-W

Jph

− αW ⎛ e = qΦ0 ⎜⎜ 1 − ⎝ 1 + αL p

−αW ⎞ ⎛ Jtot q e ⎟ = (1 − R ) ⎜ 1 − η= ⎟ ⎜ Popt Ahν ⎝ 1 + αL p ⎠

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

Análisis de la eficiencia cuántica (II) • Para un P + IN + con Lp 2α PD de silicio: Wmin(µ λ(µ µm) µm) rojo 0.66µ µm ⇒ 5µm IRED 0.9µ µm ⇒ 40µ µm µm ⇒ 2000µ µm YAG 1.064µ • W ( y ρ ) → VR

↑W

Optimización de η : capas antirreflectantes * Reflectividad: • η ∝ 1-R • perturbación del emisor * Intercara semiconductor-aire: R=

n-1 n+1

2 ≈ 31 % ⇒ η < 70%

n(Si) = 3.5 ⇒ Necesidad de capas antirreflectantes

Capas antirreflectantes * Interferencia destructiva: n2 d2 = m λ/4

* Óptimo para: n2 =

n1 n3

• d adecuado a λ • Silicio ⌫ Si3 N4 (n2 =1.95)

PD de silicio

Optimización para λ cortas

↓λ ⇒ ↑α ⇒ absorción cerca de la superficie 1/α (UV) < 100 nm ⇒ recombinación no radiativa ⇒ η ∝ exp(-α xp) Solución: NA creciente hacia la superficie (⇒ barrera de difusión)

PD de GaInAs/InP ℜ

λ3 > λ2 > λ1 InP P GaInAs I InP N

λ1

λ2

λ3

λ

rojo IRED YAG

Wmin(µ λ(µ µm) µm) µm ⇒ 5µm 0.66µ 0.9µ µm ⇒ 40µ µm 1.064µ µm ⇒ 2000µ µm

• W ( y ρ ) → VR

Optimización de η : capas antirreflectantes * Reflectividad: • η ∝ 1-R

↑W

• perturbación del emisor * Intercara semiconductor-aire: R=

n-1 n+1

2 ≈ 31 % ⇒ η < 70%

n(Si) = 3.5 ⇒ Necesidad de capas antirreflectantes

Capas antirreflectantes * Interferencia destructiva: n2 d2 = m λ/4

* Óptimo para: n2 =

n1 n3

• d adecuado a λ • Silicio ⌫ Si3 N4 (n2 =1.95)

PD de silicio

Optimización para λ cortas

↓λ ⇒ ↑α ⇒ absorción cerca de la superficie 1/α (UV) < 100 nm ⇒ recombinación no radiativa ⇒ η ∝ exp(-α xp) Solución: NA creciente hacia la superficie (⇒ barrera de difusión)

PD de GaInAs/InP ℜ

λ3 > λ2 > λ1 InP P GaInAs I InP N

λ1

λ2

λ3

λ

Ejemplos de respuesta espectral • ℜ ∝ η·λ • directos vs. indirectos • límites λ cortas

• λ de interés: visible: 0.4-0.78 µm GaAs-IRED:≈0.9µm

Si

Nd:YAG: 1.064 µm FO: 1.3, 1.55µm → GaInAs

IR térmico: 3 - 5 , 8 -14 µm → otros: InAs, HgCdTe ...

Características eléctricas

• Parámetros relevantes • Circuito equivalente • Relación señal-ruido intensidad

Parámetros relevantes

1/Rs

Corriente en oscuridad (Id) Id=Id-GR+Id-dif+Id-surf

voltaje Id

1/Rsh

Id∝A·exp(-Eg/KBT)

Circuito equivalente

∆T=25ºC⇒Id(Si)×10 Id(Si)‹‹Id(Ge) Rsh=(dI/dV)-1 Rsh≈nKBT/qId Cj∝A·[(VR+0.5)ρ]-1/2 Rserie y Rsh parásitas RL (típ.) = 50 Ω - 1 KΩ Ω

Análisis del circuito equivalente: Linealidad

Para

Iph·Req>αh G=100-1000 Vop≈ 100 volts Estructuras SAM (Multiplicación y Absorción Separada)

APDs de GaInAs

Otros dispositivos: Fotodiodos en guía de ondas

Estructura de guía Iluminación lateral

+ Integración con otros dispositivos + Disociación entre τ y η → posible mejora de η·f3dB (para iluminación por superficie η·f3dB < 20 GHz)

Ejemplo de PD integrado en guía de onda • Integración monolítica con guía de onda pasiva • Acoplamiento de campo evanescente • Optimización separada del acoplamiento fibra-chip • λ = 1.55 µm f3dB=45 GHz ℜ=0.22 A/W

Otros dispositivos: Fototransistores

Circuitos para fototransistores con eliminación de dc

Con conexión de base

Sin conexión de base

Principio de funcionamiento Características Tecnología Dispositivos específicos Aplicaciones

Aplicaciones Medición de luz  Fotometría Espectrometría Control de láseres Recepción o lectura de datos  Control remoto y comunicación IR Lectores de código de barras Lectores de CD y DVD Buses ópticos Redes locales  Comunicación a larga distancia Sensores Proximidad Composiciones Detección remota Interferométricos En guía de onda

Circuitos básicos Con resistencia de carga

Con amplificador de transimpedancia

Con amplificador de transimpedancia en polarización inversa

Con resistencia de carga en polarización inversa

Medidor de potencia óptica

PD de silicio de gran área 400-1050 nm Modo fotocorriente Amplif. transimpedancia

Adaptación ganancia Módulo inteligente Corrección ℜ(λ) Salida V/W

Comunicación IR Protocolos IrDA

λ = 850 - 900 nm tr(max) = 80 ns

Pdens = 0.4 - 1250µ µW/cm2 BER = 10-4

Receptor para comunicación por fibra óptica

• PIN de GaInAs/InP • IC Preamplificador de GaAs + Si-IC • flip-chip ↓ tamaño, ↓ consumo ↑ fiabilidad • Acoplo a fibra • SONET OC-48 (2488.32 MHz)

Hemos visto ... • interacción luz-semiconductores y heteroestructuras • análisis como dispositivo electrónico • características como circuito • respuestas en frecuencia: hasta ≈ 50 GHz • tecnología Si y III - V´s • cómo mejorar velocidad y conseguir ganancia • aplicaciones...