Fotodiodo PIN

Il fotodiodo PIN è un semiconduttore componente di optoelettronica . Viene utilizzato come fotorilevatore in molte applicazioni industriali. La sua particolarità deriva dalla sua giunzione costituita da una zona intrinseca interposta tra una regione fortemente drogata P ed un'altra fortemente drogata N.

Storico

Il primo rilevatore di luce fu il tubo fotoelettrico progettato nel 1913 da Elster e Geiter, a seguito degli studi sul fenomeno fotoelettrico effettuati da Albert Einstein nel 1905. Il primo tubo fotomoltiplicatore , inventato nel laboratorio RCA, potrebbe essere commercializzato dal 1936.

Fu nel 1940 che Ohl scoprì la giunzione PN . Notò che associando cristalli di silicio a diverse quantità di impurità, ottenne una giunzione di tipo diodo . La teoria di questa giunzione è stata sviluppata da W. Shockley nel 1949, che ha poi spinto la ricerca su altri tipi di legami semiconduttori.

Questi studi permisero al giapponese Jun-ichi Nishizawa di inventare il diodo PIN nel 1950. Fu poi utilizzato come raddrizzatore di potenza. Nishizawa ha continuato la sua ricerca e ha migliorato il fotodiodo PIN. Ha anche inventato il fotodiodo a valanga nel 1952.

La fine degli anni '50 ha visto un crescente interesse per l'uso dei diodi in modalità fotovoltaica nonché il miglioramento delle capacità fotoassorbenti dei sensori ottici. Questa ricerca ha visto la luce in particolare grazie alle proprietà particolarmente interessanti dei fotodiodi PIN. Infine, i primi fotodiodi PIN al germanio , che consentono il rilevamento a infrarossi , sono stati creati da Riesz nel 1962.

Principio

Quando un fotone di energia sufficiente entra nella zona di carica spaziale (ZCE) di una giunzione PN , genera, a causa del suo assorbimento , una coppia elettrone / lacuna . Quest'ultimo viene quindi dissociato sotto l'azione del campo E e ciascuna di queste fotocopiatrici viene spinta verso la regione in cui sarà maggioritaria. Lo spostamento di questi vettori è all'origine della fotocorrente.

Tuttavia, al fine di ottenere una buona corrente, è importante limitare il numero di ricombinazioni di coppie elettrone / lacuna (sorgenti di rumore) con questi fotocettori. Inoltre, è necessario che i fotoni vengano assorbiti in un'area priva di portatori di carica mobili, la ZCE.

Se una regione è più drogata di un'altra, ZCE si forma principalmente su quella meno drogata. Tuttavia, un semiconduttore intrinseco ha la proprietà, per definizione, di non essere drogato. Inoltre, di fronte alle regioni di tipo P e di tipo N che sono molto drogate, lo ZCE si estenderà essenzialmente sulla parte intrinseca. Il vantaggio del fotodiodo PIN è quindi quello di aumentare artificialmente le dimensioni dello ZCE. Pertanto, la maggior parte dei fotoni viene assorbita lì. Inoltre, essendo questa regione intrinseca pura (99,99% per il silicio ), la velocità dei trasportatori è notevolmente aumentata lì. In effetti, questi ultimi subiscono pochissime collisioni lì a causa di questa assenza di impurità.

Infine, affinché un massimo di fotoni raggiunga la ZCE, la zona attraversata dal flusso (P nella figura a fianco) deve essere sottile.

Quindi un fotodiodo PIN ha un'efficienza migliore di un normale fotodiodo .

La resa corrisponde al numero di coppie elettrone / lacuna generate, per fotone assorbito, che partecipano alla fotocorrente.

Si esprime: ${\ displaystyle \ eta = {\ frac {1240.S} {\ lambda}}}$

In questa espressione:

$\ eta$ è la resa

S è la sensibilità spettrale del fotodiodo in ampere per watt (A / W)

$\ lambda$ è la lunghezza d'onda in nanometri (nm)

Confronto di efficienza tra fotodiodi in silicio a giunzione PIN e PN

Tipi di giunzione	Efficienza media alla massima sensibilità spettrale
PN	Da 0,6 a 0,65
PINO	0,7-0,75 o addirittura 0,85 per il più efficiente

Schema elettrico equivalente

Di fronte, lo schema elettrico equivalente del fotodiodo PIN, utilizzato durante l'analisi del circuito elettrico in cui è stato integrato.

rd è la resistenza dinamica della giunzione ≈ 10 10 ohm

rs è la resistenza associata ai contatti ohmici, di poche decine di ohm

C è la capacità della giunzione

Iph è la fotocorrente

Limitazioni di frequenza

L'aumento di frequenza del fotodiodo PIN dipende dalla larghezza del suo ZCE e quindi dal suo strato intrinseco. Tuttavia, la dimensione di questa regione influenza il valore del condensatore C nonché il tempo di transito delle fotocellule. Inoltre, gli ultimi due giocano un ruolo importante nell'aumento della frequenza di questo fotodiodo. Inoltre, sono osservabili due tipi di limitazioni di frequenza.

Limitazione all'aumento della frequenza, associata alla costante di tempo τ = RC del fotodiodo PIN

All'aumentare della dimensione dello ZCE, la capacità C del fotodiodo diminuisce. Inoltre, la sua larghezza di banda aumenta.

Frequenza di taglio associata: ${\ displaystyle fc = {\ frac {1} {2 \ Pi RC}}}$

dove R è la resistenza di carico utilizzata per misurare la fotocorrente.

Limitazione all'aumento della frequenza, associata al tempo di transito T delle fotocellule nella ZCE.

Più la larghezza W dello ZCE aumenta, più aumenta il tempo di transito dei portatori di foto e più diminuisce la larghezza di banda ad esso associata.

Frequenza di taglio associata: ${\ displaystyle ft = {\ frac {3.5v} {2 \ Pi W}}}$

con ${\ displaystyle {\ frac {1} {v ^ {4}}} = 0,5 * {\ frac {1} {ve ^ {4}}} + {\ frac {1} {vt ^ {4}}}}$

ve è il tasso di saturazione degli elettroni e vt il tasso di saturazione dei buchi.

Risposta in frequenza del fotodiodo PIN

Frequenza di taglio del fotodiodo fc 3dB: ${\ displaystyle {\ frac {1} {fc (3dB)}} = {\ frac {1} {fc}} + {\ frac {1} {ft}}}$

Per ottenere una buona prestazione con una larghezza di banda non troppo limitata è quindi necessario scendere a compromessi sulla larghezza dello ZCE. Inoltre, a seconda della geometria utilizzata, il tempo di transito di un fotodiodo PIN può variare da poche centinaia di nanosecondi a meno di mezzo nanosecondo.

Produzione

Materiali

Il fotodiodo PIN può essere realizzato con materiali diversi a seconda delle applicazioni desiderate. Per chi è nel visibile, il silicio viene utilizzato principalmente per il suo basso costo di produzione. In abbondanza sulla superficie della Terra, il quarzo, sotto forma di roccia, viene purificato e poi cristallizzato sotto forma di barretta. Il silicio così ottenuto viene utilizzato come base per la fabbricazione di semiconduttori . Per le applicazioni a infrarossi , a causa della sua maggiore sensibilità alle lunghe lunghezze d'onda, è il germanio che costituisce il fotodiodo PIN. Esistono anche fotodiodi PIN all'arseniuro di gallio.

Doping

Vedi la pagina Doping

Per poter essere utilizzato è necessario che le varie parti a semiconduttore del fotodiodo PIN siano drogate, aggiungendo un eccesso di portatori: elettroni nella zona N e buchi nella zona P. Questo drogaggio può essere effettuato con due metodi , drogaggio per diffusione e drogaggio per implementazione ionica. Nel drogaggio per diffusione, una piastra drogante viene depositata sul semiconduttore . Al riscaldamento, gli atomi del drogante penetrano e si distribuiscono sulla superficie nella zona desiderata. Il doping per implementazione ionica consiste nell'applicare un campo elettrico che accelererà le particelle droganti che penetreranno in profondità nel substrato .

Diversi processi, come la fotolitografia o la deposizione da vapore (CVD Chemical Deposition Vaporisation ) vengono utilizzati per produrre i diversi strati semiconduttori del fotodiodo PIN.

Applicazioni

Controllo remoto a infrarossi: questa tecnologia viene utilizzata per i mouse a infrarossi e per il controllo remoto delle luci domestiche.

Fotometria stellare: il fotodiodo PIN ben si adatta alla fotometria fotoelettrica, uno strumento utilizzato per misurare l'energia irradiata dalle stelle.

Fotorilevatore: è utilizzato nella rilevazione della luce, come per l'attivazione automatica dell'illuminazione. Il fotodiodo PIN funge quindi da interruttore per riaccendere le luci.

Rilevatore di fumo : alcuni rilevatori di fumo ottici utilizzano il principio della diffusione della luce. Un emettitore di luce e un fotodiodo PIN sono posti in una camera di misurazione in modo che nessuna luce possa raggiungere il fotodiodo. La dispersione della luce si verifica solo se le particelle di fumo entrano in questa camera. Il fascio di luce viene riflesso dalle particelle di fumo e viene registrato dal fotodiodo PIN. Il circuito elettronico di analisi genera un allarme se i livelli registrati superano una determinata soglia.

Sistema di trasmissione in fibra ottica : questo sistema viene utilizzato per la trasmissione di alta qualità dei segnali TV. Il fotodiodo PIN viene utilizzato come ricevitore ottico per rilevare il segnale, perché ha una buona sensibilità (0,5 A / W) e il suo tempo di salita è basso (pochi nanosecondi)

Telemetro laser : questa tecnologia utilizza fotodiodi PIN come fotorilevatori. I telemetri laser che utilizzano il fotodiodo PIN si trovano nei sistemi di sicurezza, che si trovano nelle automobili. Le applicazioni destinate ad aumentare la sicurezza di guida includono il monitoraggio delle distanze di sicurezza, i sistemi di mantenimento della corsia e i sistemi di frenata di emergenza che si attivano quando altri veicoli sono troppo vicini.

link esterno

Tecniche di fabbricazione di componenti a base di silicio
Articolo sull'optoelettronica iperferenziale - Componenti di Béatrice CABON, Jean CHAZELAS e Daniel DOLFI

Esempi di schede tecniche di fotodiodi PIN in silicio di diversi produttori:

Riferimenti

(in) Invenzione dei primi fotorecettori fotodiodi a valanga in modalità Geiger, storia, proprietà e problemi -D. Renker
(it) von R.Ohl
(en) von Jun-ichi Nishizawa
(in) la Storia del fotodiodo PIN

Bibliografia

Fisica dei dispositivi a semiconduttore di Simon SZE, John Wiley and Sons, 1981
Progettazione e applicazioni dell'optoelettronica industriale di Pierre MAYE, DUNOD, 2001
Fisica dei semiconduttori e dei componenti elettronici di Henry MATHIEU, DUNOD, 2004
Componenti optoelettronici di François CERF, Hermes Science Publications, 1999