Componentes Electrnicos Avanzados. Ingeniero de Telecomunicacin Dispositivos Optoelectrnicos. Ingeniero en Electrnica

FOTODIODOS: Principio de funcionamiento, caractersticas y tecnologaPedro Castrillo Romn Departamento de E. y Electrnica. Universidad de Valladolid

Necesidad de fotodetectoresReceptores: comunicacin por fibra ptica mandos a distancia Lectores pticos: CD, DVD cdigos de barras Sensores: presencia, ngulo, composicin qumica, ... Monitores de luz: control de lseres Cmaras: vdeo, visin nocturna REQUERIMIENTOS Rapidez Sensibilidad

adecuada Linealidad Fiabilidad Pequeo tamao Instrumentacin sencilla Matrices 2D

Tipos de fotodetectoresdispositivos de vaco fotoconductores

fotoelctricosTIPOS

semiconductorestrmicos

fotodiodos

Trmicos: luz calor T para todas las " muy lentos, muy poca sensibilidad Dispositivos de vaco (fotomultiplicadores): efecto fotoelctrico enorme sensibilidad " Vcc , caros, gran tamao, difcil > 1 m Fotoconductores: luz n R baratos, pequeos, fcil de acondicionar " lentos, poca sensibilidad

Por qu fotodiodos?Fotodiodos: luz n Iph y/o Vph

+

Vph

-

P

iph

NComo detector: iph

Como batera...

Clulas fotovoltaicasiv < 0

Fotodiodos

rpidos, sensibles, IR-UV, muy lineales, baratos, pequeos, fiables, muy fciles de acondicionar, posible matrices, tecnologa electrnica

Fotodiodos1. Principio de funcionamiento Caractersticas 2. Eficiencia y respuesta espectral 3. Caractersticas elctricas 4. Relacin seal-ruido 5. Respuesta en frecuencia 6. Diseo y fabricacin Otros fotodiodos 7. Fotodiodos Schottky 8. Fotodiodos de avalancha 9. Fototransistores 10. Mejoras para ultra-alta frecuencia

1. Principio de funcionamiento

Absorcin banda a banda Fotocorriente en uniones PN Estructuras de fotodiodos

Absorcin banda a bandaFotogeneracin de portadores n Otros procesos de absorcin: excitnica, por impurezas intrabanda, fonones ... Atenuacin de la luz d/dx = - (x) = (0)exp(-x) = coef. de absorcin 1/ = long. de penetracin

Coeficiente de absorcin () conservacin de E + conservacin de ksemicond. directos semicond. indirectos

rab() () fv (E1) [1 - fc (E2)] 1

(h)semicond. directos

cte (h - Eg)1/2 = r (h )2

Coeficiente de absorcin10-2 Longitud de penetracin (m)

1

102

Semic. directos: borde de absorcin abrupto Semic. indirectos: variacin gradual de 1/() Importantes: Silicio y GaInAs (con a=a(InP))

Fotogeneracin en una unin PNPopt (1-R) P(x) = Popt(1-R)e-x G(x) = (Popt(x)/ h)/AZCE: G n:G x p:G arrastre difusin difusin

arrastre arrastre recomb.

I(V;) = I(V;0) - Iph

Caractersticas I(V)i = i0(exp(V/nVT)-1) - iph (con VT = kBT y n =1-2 )

Modo Fotoconductivo

Modo Fotovoltaico

v=0 i = - iph Popt

i=0 v vTln(iph/i0)

Polarizacin inversa

FotoconductorI

=0 i = - (i0 + iph) >0

V

Estructura de fotodiodo PN

Vbi - Vapl

Estructura p+-n-n+ Difusin desde la zona n W [ (VR + Vbi )]

Estructura de fotodiodo PIN

(+) alta eficiencia (+) predominio del arrastre rapidez () Id ( W)

Fotodiodos de heterouninAlGaAs/GaAs GaInAs/InP

(+) fuera de la ZCE (+) slo arrastre rapidez (+) no recomb. superficial (+) (iluminacin por detrs) en el caso de que Eg > h OJO: ajuste parmetros de red

Fotodiodos1. Principio de funcionamiento Anlisis de la eficiencia y de la responsividad

Caractersticas Optimizacin de la 2. Eficiencia y respuesta espectral respuesta espectral 3. Caractersticas elctricas Ejemplos de respuesta espectral 4. Relacin seal-ruido Otros parmetros 5. Respuesta en frecuencia 6. Diseo y fabricacin Otros fotodiodos 7. Fotodiodos Schottky 8. Fotodiodos de avalancha 9. Fototransistores 10. Mejoras para ultra-alta frecuenciarelacionados

Eficiencia cuntica y sensibilidadEficiencia cuntica () n de pares e-h fotogenerados que contribuyen a la corriente _________________________________________________ = n de fotones incidentes

(1 - R)[1- exp (-d)] Sensibilidad o responsividad = fotocorriente / potencia ptica i ph = e( P/ h ) [A/W ] = (m)/ 1.24 [A/W ] [dB]= 20 log _______ 1 [A/W ]

Anlisis de la eficiencia cunticadifusin en la zona n 2p n p n p n 0 Dp + G( x) = 0 2 p xW x L = C1 e x 1 e p

J ph = J dif + J arrarrastre en la ZCE

J arr = q G ( x ) dx 0nph

W

pn ph

0 L2 p C1 Dp 1 2L2 p

0

x-W

J dif = q 0

Lp 1 + Lp

e

W

J ph

e W = q 0 1 1 + L p

J tot q e W = = (1 R ) 1 Popt Ah 1 + Lp

Anlisis de la eficiencia cuntica (II) Para un P + IN + con Lp 2/PD de silicio: (m) Wmin(m) rojo 0.66m 5m IRED 0.9m 40m YAG 1.064m 2000m (Si hay reflexin basta con Wmin/2) Para P+N : W( , VR)

W

Optimizacin de : capas antirreflejantes* Reflectividad: 1-R perturbacin del emisor Prdidas de retorno ptico:ORL(dB) = 10 log(Pin /Prefl) = -10 log R

* Intercara semiconductor-aire: 2 n-1 R= 31 % < 70% n+1 n(Si) = 3.5 Necesidad de capas antirreflejantes

Capas antirreflejantes* Interferencia destructiva: n2 d2 = m /4con m=1, 3, 5,...

* ptimo para: n2 = n1 n3

d adecuado a Silicio Si3 N4 (n2 =1.95) R < 1% Opcional: inclinacin de 6 evitar retorno a fibra

PD de silicio

Optimizacin para cortas

absorcin cerca de la superficie 1/ (UV) < 100 nm recomb. no radiativa exp(- xp) Solucin: NA creciente hacia la superficie ( barrera de difusin) 3 > 2 > 1 PD de GaInAs/InPInP P GaInAs I InP N

1

2

3

Ejemplos de respuesta espectral directos vs. indirectos lmites cortas

de inters:visible: 0.4-0.78 mGaAs-IRED:0.9m

Si

Nd:YAG: 1.064 m FO: 1.3, 1.55m GaInAs IR trmico: 3 - 5 , 8 -14 m otros: InAs, HgCdTe ...

Respuesta angular rel( )

A veces se representa: ( )cos [ Acm2 / W ] iph/ densidad de potencia ptica ; ya que Aef= A cos

Caractersticas elctricas

Parmetros relevantes Circuito equivalente Relacin seal-ruido

Parmetros relevantesCorriente en oscuridad (Id) Id = Id-GR+Id-dif +Id-surf ; Id-GR AWni /GR Id-dif Ani2 , Id-surf A1/2 W ni /surf Id exp(-Eg/n KBT) T=25C Id(Si)10 Id(Si)Id(Ge) Rsh=(dI/dV)-1|V=0 RshnKBT/qId CjA[(VR+0.6)]-1/2 Rserie y Rsh parsitas RL (tp.) = 50 - 1 K Circuito equivalenteparsita

intensidad 1/Rs voltaje Id 1/Rsh

Anlisis del circuito equivalente: Linealidad

Para Para

IphReq Eg

Id ( ruido) pero alta velocidad ( record mundial ! : 60 GHz )

Fotoemisin de electrones h > qb ( MIR)

PD Schottky: estructurasIluminacin por delante: No prdidas por recombinacin en la superficie () T() Capas AR/metal/semiconductor

Iluminacin por detrs (GaInAs /InP): capa metal gruesa espejo (espesor ptico x 2) Rs

PD Schottky: caractersticasRespuesta en frecuencia Respuesta espectral

Respuesta temporal

Fotodiodos de avalancha

Multiplicacin por avalancha Estructuras Caractersticas

Multiplicacin por avalanchaCoef. de ionizacin: e , h , h= h /eConviene h>>1 o h