Elfotodíode és un componentelectrònic i un tipus defotodetector. És unaunió p-n dissenyada per ser sensible a una entrada òptica. Els fotodíodes duen incorporada una finestreta o un connector defibra òptica per tal de permetre el pas de lallum a la part sensible del dispositiu.
Els fotodíodes poden ser usats en connexió directa a massa o en polarització inversa. En connexió a massa la llum que incideix en el díode produeix unvoltatge que genera corrent en direcció a la polarització directa. Açò s'anomena fenomen fotovoltaic i n'és la base de lescèl·lules solars (de fet les cèl·lules solars tan sols són un gran nombre de fotodíodes grans i barats).
Elsdíodes normalment tenen una elevadaresistència quan es polaritzen en inversa. Aquesta resistència es redueix quan la llum de lafreqüència apropiada incideix sobre la unió. D'ací que un fotodíode polaritzat en inversa puga ser usat com a detector de llum observant el corrent que el recorre. Els circuits basats en aquest efecte són més sensibles a la llum que els basats en l'efecte fotovoltaic.
En essència unfototransistor no és més que untransistor bipolar que té un encapsulat transparent perquè la llum arriba al díode format per la unió base-col·lector. El fototransistor funciona com un fotodíode, però amb una sensibilitat a la llum molt més gran, ja que els electrons que s'obrin pas pel díode base-col·lector són amplificats per la funció del transistor.
Un fotodíode és unaunió PN o estructura P-I-N. Quan un feix de llum de suficient energia incideix en el díode, excita un electró donant moviment i crea un buit amb càrrega positiva. Si l'absorció ocorre a la zona d'esgotament de la unió, o a una distància de difusió d'aquest, aquests portadors són retirats de la unió pel camp de la zona d'esgotament, produint una fotocorrent.
Un fotodíode serà sensible només a una longitud d'ona de la llum incident. Quina sigui aquesta longitud d'ona dependrà del que es coneix com agap energètic del dispositiu. Atès que l'energia és igual a la constant de Planck per la freqüència del fotó incident (E=h·f), és senzill veure'n la relació. Únicament els fotons amb l'energia adequada per fer passar un electró de la banda de conducció a la banda de valència (generant-se així el corrent) seran adequats per a la tasca.
A fi de ser utilitzat d'acord amb aquesta finalitat, el fotodíode ha de ser polaritzat en inversa (major tensió al càtode que a l'ànode). Es produirà un augment de la circulació de corrent quan el díode és excitat per la llum incident sobre ell. En absència de llum el corrent present és molt petit i rep el nom decorrent de foscor. D'aquesta manera, es pot calcular la intensitat de llum que incideix sobre el fotodíode coneixent el valor del corrent en invers que hi circula. Només cal restar a aquest corrent la calor del corrent de foscor i dividir entre la sensibilitat del dispositiu per fer-ho.
Elsfotodíodes d'allau Tenen una estructura similar, però treballen amb voltatges inversos majors. Això permet als portadors de càrrega fotogenerats ser multiplicats a la zona d'allau del díode, resultant en un guany intern, que incrementa la resposta del dispositiu.Totes aquestes característiques poden trobar-se al manual del fabricant.
El material emprat en la composició d'un fotodíode és un factor crític per definir-ne les propietats. Solen estar composts desilici, sensible a la llum visible (longitud d'ona de fins a 1µm);germani per allum infraroja (longitud d'ona fins a aprox. 1,8 µm ); o de qualsevol altre materialsemiconductor.
La sensibilitat d'aquests materials es pot expressar amb un paràmetre anomenat "responsabilitat", la qual expressa la quantitat de corrent elèctric generat pel que fa a la potència de la llum que incideix sobre el material (Io=R.Po). Aquest valor varia pel que fa a la longitud d'ona de la llum incident i basant-nos en mesures i experiments, s'ha conegut en quines longituds d'ona els materials són més eficients.
També és possible la fabricació de fotodíodes per al seu ús en el camp dels infrarojos mitjans (longitud d'ona entre 5 i 20 µm), però aquests requereixen refrigeració per nitrogen líquid.
Antigament, es fabricaven exposímetres amb un fotodíode de seleni d'una superfície àmplia.
Els fotodíodes P-N són emprats en aplicacions similars a les delsfotoconductors.
En productes de consum com mesuradors de llum per a càmeres, ràdio-despertadors (els que baixen laintensitat lumínica quan està fosc) i llums del carrer normalment s'usenfotoconductors en compte de fotodíodes, encara que també podrien usar-se.
Els receptors de control remot devídeos itelevisions sovint usen fotodíodes.
Els fotodíodes s'usen per a obtenir mesures precises de la intensitat lumínica, ja que tenen una millor resposta linear que els fotoconductors.
A diferència delLDR, el fotodíode respon als canvis de foscor a il·luminació i viceversa amb molta més velocitat, i es pot utilitzar en circuits amb temps de resposta més petit.
Desavantatges en comparació amb els fotomultiplicadors:
Àrea petita
Sense guany intern (exceptefotodíode d'allau, però el seu guany sol ser 102–103 en comparació amb 105- 108 per al fotomultiplicador)
Sensibilitat general molt més baixa
El recompte de fotons només és possible amb fotodíodes especialment dissenyats, generalment refredats, amb circuits electrònics especials
El temps de resposta per a molts dissenys és més lent
El fotodíode ancorat (PPD) té un implant poc profund (P+ o N+) en una capa de difusió de tipus N o tipus P, respectivament, sobre una capa de substrat de tipus P o tipus N (respectivament), de manera que la capa de difusió intermèdia pot estar completament esgotat de càrregues majoritàries, com la regió base d'untransistor d'unió bipolar. El PPD (generalment PNP) es fa servir alsensor de píxels actiusCMOS; El 1975, Sony va inventar una variant NPN precursora amb una capa N superior sincronitzada per al seu ús en sensors d'imatge CCD.
Els primers dispositiussensors d'imatge de càrrega acoblada patien de retard d'obturació. Això es va resoldre en gran manera amb la invenció del fotodíode fix.[3] Va ser inventat perNobukazu Teranishi, Hiromitsu Shiraki i Yasuo Ishihara aNEC en 1980.[3][4] Van reconèixer que el retard es pot eliminar si els portadors de senyal es poden transferir del fotodíode al CCD. Això va conduir a la seva invenció del fotodíode ancorat, una estructura de fotodetector amb baix retard, baixsoroll, altaeficiència quàntica i baixcorrent fosc.[3] Va ser informat públicament per primera vegada per Teranishi i Ishihara amb A. Kohono, E. Oda i K. Arai el 1982, amb l'addició d'una estructura antifloració.[3][5] La nova estructura del fotodetector inventada a NEC va rebre el nom de "fotodíode amb pins" (PPD) per B.C. Burkey a Kodak el 1984. El 1987, el PPD va començar a incorporar-se a la majoria dels sensors CCD, convertint-se en un accessori en lesvideocàmeres de l'electrònica de consum i després en lescàmeres fixes digitals.[3]
En 1994,Eric Fossum, mentre treballava alLaboratori de Propulsió a Raig (JPL) de laNASA, va proposar una millora delsensor CMOS: la integració del fotodíode amb patilles. Un sensor CMOS amb tecnologia PPD va ser fabricat per primera vegada el 1995 per un equip conjunt del JPL iKodak que incloïa Fossum juntament amb P.P.K. Llegeix, R.C. Gee, R.M. Guidash i T.H. Llegeix. Des de llavors, el PPD s'ha utilitzat gairebé en tots els sensors CMOS. El sensor CMOS amb tecnologia PPD va ser perfeccionat per R.M. Guidash el 1997, K. Yonemoto i H. Sumi el 2000, i I. Inoue el 2003. Això va portar els sensors CMOS a aconseguir un rendiment d'imatge equiparable al dels sensors CCD i, més tard, superior al dels sensors CCD.[3]
Es descriuen fotodetectors de silici amb una resposta espectral definida pel disseny. Per això, s'aprofiten les modernes tecnologies de micromecanitzat en general, així com dues propietats del fotodetector de silici integrat en particular. En primer lloc, aprofita la dependència de la longitud d'ona del coeficient d'absorció. En segon lloc, s'aprofita el fet que el filtre d'interferència multicapa a la unió pn es desenvolupa mitjançant el processament d'una hòstia de silici. L'índex de refracció del complex de silici, n * = n - jk, depèn de la longitud d'ona a la part perceptible de l'espectre a causa d'una bretxa de banda indirecta a 1,12 eV i a la possibilitat d'una transició directa a 3, 4 eV, que fa que el material absorbeixi en gran manera la radiació ultraviolada i actuï també pràcticament com un material transparent per a longituds d'ona superiors a 800 nm. Aquest mecanisme permet el disseny de sensors de color i també de fotodíodes amb resposta discernible al conjunt IR o UV. La transmissió de la llum de l'esdeveniment amb una pila superficial de pel·lícules primes al silici volumètric depèn de la longitud d'ona. La necessària compatibilitat amb els processos microelectrònics convencionals al silici limita la gamma de materials ideals als materials compatibles amb el silici utilitzats tradicionalment per a la fabricació de circuits integrats. Es proporcionen dades precises sobre: Si cristal·lí, SiO2 crescut tèrmicament, polisilici LPCVD, nitrur de silici (de baixa pèrdua i estequiomètric) i també òxids (LTO, PSG, BSG, BPSG), oxinitrurs PECVD, així com metalls de pel·lícula prima per augmentar la qualitat predictiva de la simulació. En el cas d'un microespectròmetre complet, se solen utilitzar accions de micromecanitzat per fabricar el component de difusió. Es presenten dispositius que funcionen a l'espectre visible o infraroig basats en una reixeta Fabry-Perot o en un etaló.[6]
Unfotodíode d'allau posseeix una estructura optimitzada per operar amb alt biaix invers, acostant-se a la tensió de ruptura inversa. Això permet que cada portadorafoto-generada es multipliqui perruptura d'allau, donant lloc a un guany intern dins del fotodíode, cosa que augmenta laresponsivitat efectiva del dispositiu.[7]
Símbol electrònic d'un fototransistor.
Unfototransistor és un transistor sensible a la llum. Un tipus comú de fototransistor, elfototransistor bipolar, és en essència untransistor bipolar tancat en una caixa transparent perquè lallum pugui assolir launió p-nbase- col·lector. Va ser inventat pel Dr. John N. Shive (més famós per la sevamàquina d'ones) en els Laboratoris Bell en 1948,[8]:205 però no es va anunciar fins al 1950.[9]Els electrons que generen els fotons a la unió base-col·lector s'injecten a la base, i aquest corrent de fotodíode s'amplifica mitjançant el guany de corrent β del transistor (o hfe). Si es fan servir els conductors de base i col·lector i es deixa l'emissor sense connectar, el fototransistor es converteix en un fotodíode. Encara que els fototransistors tenen una majorresponsivitat per a la llum, no són capaços de detectar nivells baixos de llum millor que els fotodíodes. Els fototransistors també tenen temps de resposta significativament més llargs. Un altre tipus de fototransistor, elfototransistor d'efecte de camp (també conegut com a fotoFET), és un transistor d'efecte de camp sensible a la llum. A diferència dels transistors fotobipolars, els fotoFET controlen el corrent de drenatge-font creant una tensió de porta.
Unsolaristor és un fototransistor sense porta de dos terminals. Una classe compacta de fototransistors de dos terminals o solaristors ha estat demostrada el 2018 per investigadors de l'Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2). El nou concepte és un dispositiu dos en un de font d'energia més transistor que funciona amb energia solar aprofitant un efecte memresistiu en el flux de portadors fotogenerats.[10]
↑Knoll, F.G. (2010).Detección y medición de radiación, 4ª ed. Wiley, Hoboken, Nueva Jersey. pàg. 298.ISBN 978-0-470-13148-0
↑3,03,13,23,33,43,5Fossum, Eric R.; Hondongwa, D. B. «A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors». IEEE Journal of the Electron Devices Society, vol. 2, 3, 2014, pàg. 33–43.DOI:10.1109/JEDS.2014.2306412.
↑Patent dels EUA No 4,484,210 Dispositiu d'imatge d'estat sòlid que té un retard d'imatge reduït
↑Teranishi, Nobuzaku; Kohono, A.; Ishihara, Yasuo; Oda, E.; Arai, K. «Estructura de fotodiodo sin retardo de imagen en el sensor de imagen CCD interlínea». 1982 Reunión internacional de dispositivos electrónicos, diciembre 1982, pàg. 324–327.DOI:10.1109/IEDM.1982.190285.
_8.6.16.svg)
