UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO

FOTOUPOR, FOTODIODA, FOTOTRANZISTOR

Seminarska naloga pri predmetu Merilni pretvorniki

Ljubljana 2011

Študenta: Peter Oblak Matej Mavsar

Mentor: doc. dr. Peter Zajec

Merilni pretvorniki

1

Kazalo: 1.0 Uvod................................................................................................................................ 2

2.0 Fotodetektorji ................................................................................................................ 3

2.1 Vrste fotodetektorjev ................................................................................................... 3

3.0 Fotoelektrični pojavi ..................................................................................................... 4

3.1 Zunanji fotoelektrični pojav ........................................................................................ 4

3.2 Notranji fotoelektrični pojav ....................................................................................... 4

3.2.1 Zaporno polariziran pn-spoj ................................................................................. 4

3.2.2 Vpad fotonov na zaporno plast............................................................................. 5

3.2.3 Vpad fotonov izven zaporne plasti....................................................................... 5

3.2.4 Absorpcija ............................................................................................................ 6

3.2.5 Kvantna učinkovitost detektorjev......................................................................... 7

3.2.6 Odzivnost ............................................................................................................. 7

3.2.7 Mejna valovna dolžina ......................................................................................... 7

4.0 Fotoupor......................................................................................................................... 8

5.0 Fototranzistor .............................................................................................................. 11

6.0 Fotodioda...................................................................................................................... 13

6.1 PN-fotodioda ............................................................................................................. 14

6.2 PIN-fotodioda ............................................................................................................ 16

6.3 Vakuumska fotodioda................................................................................................ 17

6.4 Plazovna fotodioda .................................................................................................... 18

6.5 Schottkyjeva dioda .................................................................................................... 19

6.6 Primerjava fotodiode in sončnih celic ....................................................................... 19

6.7 Polprevodniške fotodiode .......................................................................................... 20

7.0 Seznam uporabljene literatura .................................................................................. 21

Merilni pretvorniki

2

1.0 Uvod

Detektor je eden izmed pomembnejših gradnikov optičnega komunikacijskega oziroma senzorskega sistema, ter ključno vpliva na lastnosti sistema. Naloga fotodetektorja je pretvorba sprejetega optičnega signala v električni signal.

Zahteve za dober detektor so:

• Velika občutljivost pri delovni valovni dolžini.

• Linearnost, detektor se linearno obnaša na celotnem območju optičnega signala.

• Visok kvantni izkoristek.

• Kratek odzivni čas oz. velika pasovna širina.

• Minimalno razmerje signal/šum.

• Stabilnost. Detektor naj ne bo občutljiv na vplive okolice in staranje.

• Majhne fizične izmere. Fizične izmere detektorja naj bodo majhne, ker je le tako

mogoče dobro spajanje z vlaknom in enostavno vključevanje v nadaljnja električna

vezja.

• Nizke obratovalne napetosti. Mnoge detektorje moramo močno zaporno polarizirati,

da dosežemo želene karakteristike. Napetost zaporne polarizacije naj bo čim manjša.

• Zanesljivost. Detektor mora v normalnih okoliščinah obratovati mnogo let.

• Nizka cena.

Merilni pretvorniki

3

2.0 Fotodetektorji

Fotodetektorji so polprevodniški elementi, ki pretvarjajo optične signale v električne. Razvoj koherentnih in nekoherentnih svetlobnih virov od infrardečega do ultravijoličnega področja je povečal potrebe po hitrih in občutljivih fotodetektorjih. V splošnem v fotodetektorju potekajo trije procesi:

• generiranje prostih nosilcev z absorpcijo vpadne svetlobe, • usmerjeni transport z multiplikacijo nosilcev, ki pomeni tokovno ojačenje ali brez,

• tok preko zunanjega vezja, ki zagotovi izhodni signal.

Fotodetektorji imajo široko področje uporabe. Njihova pomembna naloga je demodulacija optičnega signala, kar pomeni pretvorbo vibracij optičnega signala v vibracije električnega signala, ki se nato dodatno ojačijo in obdelajo. Za tovrstne aplikacije morajo fotodetektorji izpolnjevati več strogih zahtev, kot so: visoka občutljivost pri obratovalnih valovnih dolžinah, kratki odzivni časi, čim večja linearnost, čim manjši lastni šum, čim manjši temni tok, čim manjša kapacitivnost, majhne dimenzije, velika zanesljivost delovanja, nizki enosmerni predtoki in napetosti. Te zahteve v največji meri izpolnjujejo polprevodniške fotodiode, izmed katerih se največ uporabljajo pin-fotodiode, plazovne fotodiode ali fotodiode APD (avalanche photodiode), v zadnjem času pa so vse večje pozornosti deležne fotodiode MSM (metal-semiconductor-metal).

2.1 Vrste fotodetektorjev

Za zaznavanje optičnega sevanja (fotonov) lahko uporabljamo zunanji oziroma notranji fotoelektrični pojav. Detektorji, ki temeljijo na zunanjem fotoelektričnem pojavu (fotopomnoževalka, vakuumska fotodioda...), izpolnjujejo zahteve po hitrosti, občutljivosti, šumnosti, vendar so preveliki, predragi in zahtevajo visoke delovne napetosti. Uporabljamo jih le v posebnih primerih. Detektorji, ki izkoriščajo notranji fotoelektrični pojav (npr. polprevodniška fotodioda), izpolnjujejo večino zahtev za dober detektor in se najpogosteje uporabljajo (zlasti v senzorski tehniki in sistemih optičnih komunikacij). Narejeni so iz polprevodnikov, kot so silicij, germanij in elementov III. in IV. skupine periodnega sistema elementov. Notranji fotoelektrični pojav se lahko pojavi pri polprevodnikih brez primesi in pri polprevodnikih s primesmi. Pri absorpciji v polprevodniku foton povzroči nastanek para elektrona in vrzeli.

Merilni pretvorniki

4

3.0 Fotoelektrični pojavi

3.1 Zunanji fotoelektri čni pojav

Pri zunanjem fotoelektričnem pojavu svetloba iz kovine izbija elektrone. Foton se pri tem absorbira, energijo hν pa prevzame elektron, ki izstopi iz kovine. Prosti elektroni znotraj kovine so na kovino vezani z električnim poljem. Da lahko elektron zapusti kovino, mora premagati izstopno delo Ai. Energija izstopnega elektrona Ee je tako določena z razliko energije vpadnega fotona in izstopnega dela.

(3.1)

(Einsteinova fotoelektrična enačba)

Elektron, ki ga izbije foton imenujemo tudi fotoelektron Energijski diagram je prikazan na Slika 3.1. in ponazarja elektron, ujet v potencialni jami končne globine. Ugotovimo lahko, da je razlika energij med Fermijevim in vakuumskim nivojem. Elektron lahko pobegne iz kovine, ko je energija fotona večja ali enaka izstopnemu delu.

Slika 3.1: Energijski diagram zunanjega fotoelektričnega pojava

3.2 Notranji fotoelektri čni pojav

3.2.1 Zaporno polariziran pn-spoj

Pri zaporno polariziranem pn-polprevodniku se potencialna razlika med p in n področjem poveča. Prosti elektroni, ki se nahajajo v n plasti, in proste vrzeli, ki se nahajajo v p plasti, ne morejo premagati potencialne beriere, zato skozi pn-spoj ne teče tok. V področju, kjer se stikata p in n-tip polprevodnika, se rekombinirajo prosti nosilci naboja, zato v tem področju ni prostih nosilcev naboja (zaporno območje-slika 3.2). Ker je upornost zapornega področja velika, upornost področja, ki vsebuje proste nosilce naboja pa majhna, se celoten padec napetosti pojavi na zapornem področju. Jakost električnega polja znotraj zapornega področja je zaradi tega velika.

Merilni pretvorniki

5

Slika 3.2: Delovanje p-n-fotodiode: (a) fotogeneracija para elektrona in vrzeli za polprevodnik brez primesi; (b) struktura zaporno polariziranega p-n-spoja, ki prikazuje prenos nosilcev

naboja in nastanek zapornega področja; (c) energijski diagram zaporno polariziranega p-n spoja in proces fotogeneracije.

3.2.2 Vpad fotonov na zaporno plast

Oglejmo si razmere, ko zaporno polariziran pn-spoj osvetlimo s svetlobo (slika 3.2). Kadar vpade na zaporno plast foton z energijo, ki je večja, kot je energija reže polprevodnika (hν>∆E=Er), bo le-ta povzročil prehod elektrona iz valenčnega v prevodni pas in s tem nastanek para elektrona in vrzeli (slika 3.2). Elektron se bo pod vplivom električne poljske jakosti v zaporni plasti gibal v smeri proti n- plasti, vrzel pa v smeri p-plasti. Proces lahko razložimo tudi s stališča energijskega diagrama. Nastali elektron običajno nima dovolj energije, da bi prestopil potencialno bariero in prešel v p-plast (enako velja za vrzel in n-plast). V zaporni plasti generirani fotoelektroni torej odtekajo v n-plast, fotogenerirane vzeli pa v p-plast. V n-plasti zunaj zapornega področja se zato pojavi presežek negativnih nosilcev naboja (n-plast se negativno nabije), v p-plasti zunaj zapornega področja pa se pojavi presežek pozitivnih nosilcev naboja (p-plast se pozitivno nabije). Ker je priključena napetost na diodo ves čas konstantna, presežni naboj odteče preko vira zunanje napetosti. Skozi diodo prične teči električni tok, ki je sorazmeren z gostoto svetlobnega toka, ki vpada na zaporno področje.

3.2.3 Vpad fotonov izven zaporne plasti

Če pride do tvorbe para elektrona in vrzeli znotraj p ali n-plasti, takšen par ne obstaja dolgo, saj je eden od tvorjenjih nosilcev manjšinski nosilec naboja. Presežni manjšinski nosilec lahko preživi le relativno kratek življenjski čas, nato pa se rekombinira z enim od večinskih nosilcev naboja. Foto-ustvarjeni nosilci naboja se znotraj p in n-plasti ne pospešijo, saj je zavoljo nizke upornosti p oziroma n-plasti električna poljska jakost praktično nič. Ker je hitrost ustvarjenih fotonosilcev izredno majhna, življenjski čas pa kratek, ustvarjeni nosilci naboja niso sposobni prečkati plasti diode. V n ali p-plasti ustvarjeni fotonosilci se torej rekombinirajo znotraj iste plasti in ne prispevajo k toku skozi diodo.

Merilni pretvorniki

6

Fotoni, ki vpadajo izven zaporne plasti so torej nekoristni, saj ne povzročijo povečanje toka skozi diodo. Širina zapornega področja je tako ključen dejavnik, saj določa območje diode, ki se odziva na svetlobo. Veliko zaporno področje ima tudi slabo lastnost. Z naraščanjem dimenzij zapornega področja se poveča tudi čas, ki ga potrebujejo nosilci naboja, da preidejo zaporno plast (s tem se poslabša frekvenčna karakteristika fotodiode). Za pn-spoj je tako potrebno poiskati kompromis med velikostjo zapornega področja (velikost aktivnega področja) in hitrostjo odziva.

3.2.4 Absorpcija

Proces tvorbe parov elektrona in vrzeli v fotodiodi je odvisen od absorpcijskega koeficienta

0α polprevodniškega materiala. Za določeno valovno dolžino (pri polprevodniku brez

primesi) je fototok Ip, ki ga povzroči vpadna svetloba moči P0 določen z:

)]exp(1[

)1(0

0 dhv

RePIp α−−−=

(3.2)

Pri tem je e naboj elektrona, R Fresnelov odbojni koeficient mejne plasti polprevodnika in zraka in d širina absorpcijskega področja. Absorpcijski koeficient polprevodnika je močno odvisen od valovne dolžine vpadne svetlobe. Absorpcijske krivulje za nekatere pogosteje uporabljene materiale prikazuje slika 3.3.

Slika 3.3: Absorpcijske krivulje za nekatere pogostejše polprevodniške materiale

(silicij, germanij, galijev arzenid, indij galijev arzenid, indij galij arzen fosfat).

Merilni pretvorniki

7

3.2.5 Kvantna učinkovitost detektorjev

Kvantna učinkovitost η je definirana kot razmerje med številom elementov, ki jih generira fotodetektor in številom na detektorju absorbiranih vpadnih fotonov:

nivpadnifoto

ainvrzelirielektrontvorjenipa=η

(3.3)

Oziroma:

p

e

r

r=η

(3.4)

Kjer je pr število vpadnih fotonov na sekundo in er odgovarjajoče število tvorjenih elektronov

na sekundo. Eden izmed glavnih dejavnikov, ki določajo kvantno učinkovitost detektorjev, je absorpcijski koeficient materiala detektorja. Kvantna učinkovitost je manj kot 1 in je odvisna od absorpcije, saj se vsi vpadni fotoni ne absorbirajo in s tem ne ustvarijo parov elektrona in vrzeli. Kvantno učinkovitost pogosto označujemo v procentih. Glede na absorpcijsko krivuljo je kvantna učinkovitost odvisna od valovne dolžine svetlobe.

3.2.6 Odzivnost

Pogosto za določanje zmogljivosti fotodetektorja uporabljamo odzivnost O, saj izraz za kvantno učinkovitost ne zajema energije fotonov. Odzivnost je definirana kot:

0P

IO p=

(3.5)

kjer je pI izhodni fototok v amperih in 0P vpadna optična moč v watih. Odzivnost je

pomemben parameter saj podaja prenosno karakteristiko detektorja.

3.2.7 Mejna valovna dolžina

Polprevodnik ni sposoben absorbirati fotonov, kadar je energija reže Er večja od energije fotona. Pogoj zapišemo v obliki:

rE

hc≤λ

(3.6)

Merilni pretvorniki

8

4.0 Fotoupor

Slika 4.1: Prikaz realnega fotoupora.

Fotoupor je najpreprostejši svetlobni senzor, ki je pravzaprav polprevodniška ploščica v masivni ali tankoplastni izvedbi z ustrezno nameščenimi ohmskimi kontakti, bodisi na nasprotnih koncih, bodisi v trakasti obliki na površini.

Slika 4.2: Shematični prikaz fotoupora kot polprevodniške ploščice z ohmskimi kontakti na

nasprotnih koncih (a) in fotoupor s trakasto izvedbo kontaktov na površini (b).

Fotoupor je svetlobno odvisen nelinearni upor, ko svetloba vpade na površino polprevodnika, se z njeno absorpcijo v globino generirajo presežni elektroni in vrzeli, ki povečajo električno prevodnost polprevodnika (tok čez polprevodnik). Generacija nosilcev je lahko intrinsična, kar pomeni, da generacije nosilcev potekajo prek dovoljenih energijskih nivojev v prepovedanem pasu. V polprevodniku je prevodnost dana z izrazom:

)( pnq pn µµσ +=

(4.1)

Ob osvetlitvi se prevodnost poveča predvsem zaradi povečanja koncentracije prostih nosilcev naboja. V intrinsičnem polprevodniku se fotoni absorbirajo do valovne dolžine, ki je določena s širino energijske špranje.

gE

hc=λ

(4.2)

Lastnosti fotouporov so določene z meritvami treh parametrov:

Merilni pretvorniki

9

• kvantnega izkoristka ali ojačenja, • odzivnega časa, • občutljivosti.

Ojačanje fotoupora je odvisno od razmerja med življenjskim časom nosilcev in časom njihovega prehoda, je pomemben parameter fotouporov. Elementi z dolgimi življenjskimi časi in kratkimi medelektrodnimi razdaljami imajo lahko ojačenje znatno večje od ena - (fotoupor ima ojačenje med 1 in 106). Upornost fotoupora v odvisnosti od osvetljenosti je prikazana na spodnji sliki. Pri konstantni osvetljenosti ima fotoupor konstantno upornost.

Slika 4.3: Odvisnost upornosti od osvetljenosti, za 1. nizko, 2. srednje in 3. visoko ohmske

fotoupore.

Približna odvisnost upornosti fotoupora od osvetljenosti se podaja po enačbi:

α−⋅=ℜ EA (4.3) A in α sta konstanti fotoupora, odvisni od geometrije in fotouporovnega materiala. Fotoupori so zelo občutljivi. Sprememba osvetljenosti od 1 do 10.000 luxov spremeni upornost v razmerju 1: 1000. Faktor občutljivosti fotouporovnega materiala znaša S=0,1 do 1 A/lm. Občutljivost fotoupora Sf izračunamo iz produkta občutljivosti materiala in aktivne površine P po enačbi:

Sf = S · P (4.4)

Merilni pretvorniki

10

Slika 4.4: Spektralna občutljivost in simboli označevanja fotoupora. Ko fotoupor zazna spremembo svetlobe, ne spremeni upornosti takoj, ampak to traja nekaj

milisekund (odvisno od tipa upora).

Merilni pretvorniki

11

5.0 Fototranzistor

Slika 5.1:Prikaz realnega fototranzistorja. Tranzistor je element, ki ga krmilimo z baznim tokom. Če bazni tok zagotovimo preko fotodiode, ki je skupaj s tranzistorjem izdelana na isti polprevodniški rezini, govorimo o fototranzistorju (Angl. Phototransistor). Ko fototranzistor krmilimo izključno svetlobno, ne potrebujemo bazne sponke, zato v shemah uporabljamo simbol ki je prikazan v sredini na spodnji sliki. Lahko pa ga krmilimo tako električno kot svetlobno in izberemo simbol desno na sliki.

Slika 5.2: Nadomestno vezje fototranzistorja levo, njegova simbola desno.

Tranzistor poveča svetlobno občutljivost fotodiode za faktor tokovnega ojačenja . Prednost uporabe fototranzistorja namesto lavinske fotodiode je v tem, da se občutljivost poveča brez uporabe velike zaporne napetosti, ki je v mnogih situacijah nepraktična ali težko zagotovljena. Slabost fototranzistorja je njihova nizka frekvenčna meja, ki je posledica medelektrodnih kapacitivnosti tranzistorja, zlasti difuzijske kapacitivnosti baze emitorskega pn spoja, ki je v normalnem obratovanju prevodno polariziran. Detekcija svetlobe s fototranzistorjem je podobna izvedbi detekcije s fotodiodo. Sprememba osvetljenosti spreminja tok preko tranzistorja, kar povzroča spremembo padca napetosti na ustreznem ohmskem uporu.

Slika 5.3: Meritev osvetljenosti s fototranzistorjem.

Merilni pretvorniki

12

Bipolarni fototranzistor je lahko integriran z ostalimi elementi. Če prvotnemu tranzistorju dodamo še en tranzistor, dobimo tranzistor foto-Darlington s še večjim prenosnim razmerjem, vendar ima taka struktura omejen frekvenčni odziv. Če je pri fotodiodah odzivni čas običajno

0,01 s; je pri fototranzistorju 5 s in pri tranzistorju foto-Darlington naraste na 50s.

Slika 5.4: Prerez zgradbe bipolarnega fototranzistorja z nadomestnim vezjem (a) in tranzistor

foto-Darlington (b). Imamo tudi fototranzistor MOSFET, ki je občutljiv na infrardečo (IR) svetlobo. Tovrstni detektor je lahko integriran s spominskimi elementi, uporaben pa je tudi v integriranih infrardečih slikovnih elementih.

Merilni pretvorniki

13

6.0 Fotodioda

Slika 6.1:Prikaz realne fotodiode.

Fotodioda se uporablja predvsem za zaznavanje informacij, ki jo nosi svetlobni signal, bolj redko pa kot detektor za merjenje same svetlobe. Družina fotodiod obsega: pn-spoje diode, pin-diode, diode kovina polprevodnik in heterospojne diode. Osnovna značilnost fotodiode (Angl. Photodiode) je osiromašeno polprevodniško področje z visokim električnim poljem, ki ločuje svetlobno generirane pare elektron-vrzeli. Pri visokofrekvenčnem delovanju mora biti to področje tanko, da je čas prehoda čim krajši. Če želimo po drugi strani povečati kvantni izkoristek, mora biti osiromašeno področje dovolj debelo, da bo v njem absorbiranih čim več vpadnih fotonov. Med hitrostjo odziva in kvantnim izkoristkom moramo torej poiskati ustrezen kompromis. V vidnem in bližnjem infrardečem (IR) področju so fotodiode običajno zaporno polarizirane s sorazmerno visokimi napetostmi, ker s tem skrajšamo čas prehoda nosilcev in zmanjšamo kapacitivnost diode. Pri plazovnih fotodiodah priključeno zaporno napetost povečamo do prebojne napetosti, pri kateri zaradi plazovite generacije nosilcev pride do notranjega tokovnega ojačenja. Splošne značilnosti fotodiod so: kvantni izkoristek, hitrost odziva in šum. Kvantni izkoristek je število generiranih parov elektron-vrzeli na vpadni foton:

(6.1) Pri čemer je Ip fotogenerirani tok zaradi absorpcije vpadne optične moči Pop pri valovni dolžini λ, ki ustreza energiji fotonov hv. Spektralna občutljivost je razmerje med fototokom in optično močjo.

(6.2)

Merilni pretvorniki

14

Hitrost odziva je pri fotodiodah omejena s kombinacijo treh dejavnikov: z difuzijo nosilcev, s časom preleta zaporne plasti in s kapacitivnostjo zaporne plasti. Nosilci so generirani zunaj osiromašene plasti, morajo difundirati do spoja, kar povzroča znatne zakasnitve. Za zmanjšanje vpliva difuzije mora biti spoj formiran čim bližje površini in zaporno področje dovolj široko.

Slika 6.2: Odzivnost glede na valovno dolžino za idealno in realno silicijevo fotodiodo.

6.1 PN-fotodioda

Zaporno polarizirano pn-fotodiodo z zapornim in difuzijskim področjem prikazuje slika 6.3. Zaporno področje sestavljajo nemobilni pozitivno nabiti donorski atomi v n-tipu polprevodnika in nemobilni negativno nabiti akceptorski atomi v p-tipu polprevodnika.

Slika 6.3: pn fotodioda z izpraznjenim in difuzijskim področjem.

Širina zapornega področja je odvisna od koncentracije dopiranja in zaporne polarizacije (če je manjše dopiranje, je širše zaporno področje). Natančna analiza pokaže, da se nosilci naboja, ki prispevajo k toku skozi diodo tvorijo tudi v ozkem območju ob zaporni plasti. Ob razmerah, kadar foton vpade v neposredno okolico zaporne plasti - električno polje ima v okolici zapornega področja minimalno vrednost, ki povzroči gibanje fotogeneriranega elektrona proti n-plasti in vrzeli proti p-plasti. Vrzel, ki se generira v n-plasti - šibko polje v okolici zaporne plasti prične premikati vrzel proti zaporni plasti. Če je čas, ki ga potrebuje vrzel, da doseže zaporno plast krajši od življenjskega časa vrzeli, se vrzel v n-plasti ne rekombinira, ampak vstopi v zaporno območje z močnim poljem. Pod vplivom močnega polja v zaporni plasti se

Merilni pretvorniki

15

prenese v p-plast in tako prispeva k skupnemu toku skozi diodo. Fotoobčutljivo področje je sestavljeno iz zapornega področja in njegove neposredne okolice. Velikost neposredne okolice je določena z življenjskim časom elektronov oziroma vrzeli. Iz teorije polprevodnikov vemo, da dimenzije tovrstnega področja ustrezajo difuzijski razdalji. Področje, ki prispeva k foto-toku in ni del zapornega območja, imenujemo tudi difuzijsko področje. Med nosilci, ki se generirajo v zapornem in difuzijskem področju, obstaja bistvena razlika. Nosilce, ki jih fotoni generirajo v zapornem področju, polje v zapornem področju močno pospeši. Zato je odziv diode hiter. Nasprotno velja za nosilce, ki se generirajo v difuzijskem področju, saj povprečni nosilec, ki se generira v difuzijskem področju, preživi v tem področju življenjski čas in šele nato prečka zaporno plast. V difuzijskem področju generirani nosilci povzročajo zakasnitev odziva diode v velikostnem razredu življenjskega časa nosilca naboja. Če želimo zagotoviti hiter odziv diode, moramo doseči čim večje zaporno področje. Takrat bodo nosilci naboja, generirani v zapornem področju, prevladovali nad nosilci naboja iz difuzijskega področja. To dosežemo s povečanjem zaporne napetosti oziroma z vgradnjo dodatne plasti čistega polprevodnika (i-plasti), ki močno razširi področje brez prostih nosilcev naboja. Značilen odziv običajne pn-diode na svetlobni pulz kaže slika 6.4.

Slika 6.4: Odziv pn fotodioda na vzbujanje s svetlobnim pulzom.

Slika 6.5: Izhodne karakteristike p-n fotodiode.

Merilni pretvorniki

16

6.2 PIN-fotodioda

Za hiter odziv polprevodnega detektorja je potrebno široko zaporno področje. Dodaten problem predstavlja absorpcija svetlobe z daljšo valovno dolžino, saj so dimenzije zapornega področja v običajni pn-fotodiodi manjše kot valovna dolžina svetlobe, ki jo želimo zaznavati. Takrat se v zaporni plasti absorbira le manjši delež vpadnega svetlobnega toka in odzivnost diode je nizka. Zaporno plast v običajni pn-fotodiodi lahko povečamo tako, da jo močno zaporno polariziramo, vendar pa je maksimalna zaporna polarizacija omejena s prebojno napetostjo diode. Visoke zaporne napetosti otežujejo in zapletejo izdelavo podpornih vezij, ki jih potrebujemo za delovanje detektorja. Zaporno področje lahko močno razširimo, če med p in n-plast vgradimo plast iz čistega (nedopiranega) polprevodnika (i-plasti) Zgradbo pin-fotodiode prikazuje slika 6.6. Vmesna plast nima prostih nosilcev naboja (velika upornost), zato se na njej pojavi celoten padec napetosti. Električne sile znotraj vmesne plasti so zelo velike. Ker je vmesna i-plast zelo široka, je verjetnost, da se na njej absorbira foton v primerjavi s p oziroma n-plastjo zelo velika. Vpliv izven zapornega področja fotogeneriranih parov elektrona in vrzeli je pri pin-fotodiodi zanemarljiv. Opisan način delovanja omogoča pin-fotodiodi, da je v primerjavi s pn-fotodiodo hitrejša in učinkovitejša.

Slika 6.6: PIN-fotodioda.

Tokovno napetostna karakteristika za silicijevo pin-fotodiodo z odzivnostjo 0,5AW-1

prikazuje slika 6.7. Ko je fotodioda zaporno polarizirana, deluje v tako imenovanem

fotoprevodnem načinu. Kadar zaporna polarizacija ni prisotna, povzroči svetloba nastanek

pozitivne napetosti in govorimo o fotonapetostnem načinu delovanja, ki je osnova za

delovanje fotocelic. Detektorji, ki jih uporabljamo v komunikacijskih in senzorskih

aplikacijah, delujejo zmeraj v fotoprevodnem načinu. S povečevanjem zaporne polarizacije

povečujemo električno poljsko jakost v i-področju. Fotogenerirani nosilci naboja se z

naraščanjem električne poljske jakosti močneje pospešijo in hitreje preidejo zaporno področje.

Odzivni čas se zaradi tega krajša, pasovna širina pa povečuje.

Merilni pretvorniki

17

Slika 6.7: Tokovno napetostna karakteristika za silicijevo pin-fotodiodo.

6.3 Vakuumska fotodioda

V vakuumski fotodiodi (le ta spada pod kovinske fotodetektorje) je fotoemisivna površina (fotokatoda) nameščena znotraj vakuumske cevi skupaj z dodatno elektrodo (anodo), ki je glede na katodo pozitivno nabita (glej sliko 6.8).

Slika 6.8: Shematski prikaz fotoelektrične celice. Anoda zaradi svetlobe privlači

sproščene fotokatodne elektrone, kar povzroči nastanek toka v zunanjem tokokrogu. Posledica je napetost na uporu R.

Ko je foto-katoda osvetljena in je energija fotonov valovanja večja od izstopnega dela, se bodo pod vplivom enosmernega električnega polja izbiti elektroni gibali proti pozitivno nabiti anodi. Kadar je zaporna napetost dovolj velika, bodo vsi izbiti elektroni prispeli do anode. Stekel bo tok, ki je sorazmeren z gostoto svetlobnega toka vpadne svetlobe. Izhodni signal iz vakuumske fotodiode je potrebno dodatno ojačiti, kljub temu pa jih uporabljamo pri določanju izhodne moči pulznih laserjev. Za dosego dodatnega notranjega ojačenja lahko vakuumsko fotodiodo napolnimo s plinom (npr. argon) pod izredno nizkim tlakom. Fotoelektroni iz katode bodo na poti do anode zadeli v plinske atome ter jih pri zadostni energiji ionizirali in povzročili nastanek novih elektronov. Dosežemo lahko približno desetkratno ojačenje.

Merilni pretvorniki

18

6.4 Plazovna fotodioda

Plazovna fotodioda je polprevodniški detektor z notranjim ojačenjem, kar izboljša odzivnost glede na pn in pin-fotodiodo. Po načinu delovanja je plazovna dioda podobna fotopomnoževalki, vendar ne more doseči tako velikih ojačenj (največ nekaj stokratna ojačenja). Tokovno ojačenje v plazovni fotodiodi poteka na sledeč način: foton, ki je absorbiran v zapornem področju, ustvari par elektrona in vrzeli. Električno polje v izpraznjenem področju nato nosilce naboja močno pospeši (povečanje kinetične energije). Ko se tako pospešeni nosilci naboja zaletijo v nevtralne atome, ustvarijo pri tem nove pare elektrona in vrzeli. Proces se nato ponavlja. Tako en sam foton tvori množico parov elektronov in vrzeli. Pojav imenujemo plazovni pojav.

Slika 6.9: Plazovna fotodioda.

Merilni pretvorniki

19

6.5 Schottkyjeva dioda

Kot prikazuje slika 6.10 (a) je pri Schottkyjevi diodi na silicijevo podlago n-tipa nanesena tanka plast kovine. Energijski diagram strukture je viden na sliki 6.10 (b). Ugotovimo lahko, da se enako kot pri pn-diodi znotraj zapornega področja pod vplivom fotona ustvari par elektrona in vrzeli, ki se nato zaradi notranjega električnega polja ločita, kar povzroči tok skozi diodo. Osrednja prednost Schottkyjeve diode je, da uporablja izredno tanke kovinske plasti, ki dobro prepuščajo modro in bližnjo ultravijolično valovanje. Občutljivost v tem področju se zaradi tega izredno izboljša.

Slika 6.10: (a) osnovna struktura Schottkyjeve fotodiode, (b) med kovino in polprevodnikom se ustvari

potencialna razlika -E.

6.6 Primerjava fotodiode in sončnih celic

Fotodioda lahko deluje v fotonapetostnem načinu, v katerem je podobno kot sončna celica priključena na bremensko impedanco brez napajalnega vira. Vendar pa se fotodioda in sončna celica po zgradbi bistveno razlikujeta. Za fotodiodo je pomembno le ozko valovno področje, na valovni dolžini optičnega signala, pri sončni celici pa zahtevamo čim večji spektralni odziv v širokem valovnem področju sončnega sevanja. Fotodiode imajo majhne površine, da je spojna kapacitivnost čim manjša, sončne celice pa so velikopovršinski elementi. Pri fotodiodah je pomemben kvantni izkoristek, pri sončnih celicah pa je pomemben izkoristek pretvorbe vpadne sončne energije v električno energijo, ki jo dovajamo priključenemu porabniku.

Merilni pretvorniki

20

6.7 Polprevodniške fotodiode

Materiali, iz katerih se izdelujejo polprevodniške diode so: • Silicij (Si), ki ima razmeroma velik prepovedan pas ∆W, kar pomeni, da je tovrstna

fotodioda primerna za valovne dolžine pod 1,1 µm. Predvsem za valovno dolžino 850 nm se iz silicija izdelujejo odlične fotodiode.

• Germanij (Ge), ki ima majhen prepovedan pas ∆W, kar pomeni, da imajo velik temni tok. Iz germanija se izdelujejo zelo dobre fotodiode za sprejemnike na 1300 nm, ki jih v skrajnih primerih lahko uporabljamo tudi za 1550 nm.

• Polprevodniki skupin III in VI, katerih tipični predstavnik je InGaAs. Pri le-teh lahko širino prepovedanega pasu ∆W nastavljamo, kar pomeni, da lahko fotodiodo optimiziramo za katerokoli valovno dolžino med 1300 nm in 1550 nm.

Polprevodniški materiali za izdelavo fotodiod.

Merilni pretvorniki

21

7.0 Seznam uporabljene literatura

1. Denis ðonlagić, Miha Završnik, Dali ðonlagić: Fotonika, Maribor 1997

2. Jože Furlan: Osnove polprevodniških elementov, Ljubljana 2002

3. Boštjan Murovec, Peter Šuhel: Elektronski elementi v procesnih sistemih, Ljubljana

2005

4. Franc Smole: Fotonski polprevodniški elementi, Ljubljana 2001

5. http://antena.fe.uni-lj.si/optika_vss/gradivo/16p_ook.pdf

6. http://www.sc-nm.com/scnm/_visja/Documents/optoelektronski%20elementi1.pdf