FOTODIODOS Fundamentos, características, tecnología y aplicaciones

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Felisa Moya Parra
hace 8 años
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1 FOTODIODOS Fundamentos, características, tecnología y aplicaciones

2 Rapidez ( m/s ) POSIBILIDADES DE LA LUZ Detección a distancia Posibilidad de enfoque ( µm ) Visibilidad ( µm ) Variedad de λ E ( ev ) UV NIR C 0 = λ 0 ν hν = 1.24 / λ (µm ) λ ( µm )

3 NECESIDAD DE DETECTORES Receptores: FO, control remoto Sensores: presencia, composición Lectores: CD - DVD Monitores: control de láseres Cámaras: vídeo, visión nocturna TIPOS fotoeléctricos térmicos dispositivos de vacío semiconductores fotoconductores fotodiodos

láseres Cámaras: vídeo, visión nocturna TIPOS fotoeléctricos

4 POR QUÉ SEMICONDUCTORES? Semiconductores : E g ~ ev Luz (visible - M IR) : h ν ~ ev! POR QUÉ DIODOS? + V ph - Φ iph Como batería... Células fotovoltaicas i v < 0 Como detector: Φ i ph Fotodiodos

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

eléctricas Respuesta en frecuencia Tecnología

6 Principio de funcionamiento Absorción banda a banda Fotocorriente en uniones PN Estructuras de fotodiodos Absorción banda a banda Fotogeneración de portadores n σ Atenuación de la luz Otros procesos de absorción: excitónica, por impurezas intrabanda, fonones... dφ/dx = -αφ φ(x) = φ(0) exp(-αx) α = coef. de absorción 1/α = long. de penetración

Atenuación de la luz Otros procesos de absorción: excitónica, por impurezas

7 Coeficiente de absorción (α) conservación de E + conservación de k semicond. directos semicond. indirectos r ab (ν) φ ν ρ(ν) f v (E 1 ) [1 - f c (E 2 )] 1 α(hν) semicond. directos α = cte (hν -E g) 1/2 τ r (h ν) 2

8 Coeficiente de absorción Longitud de penetración (µm) Semic. directos: borde de absorción abrupto Semic. indirectos: variación gradual de 1/α(λ) Importantes: Silicio y GaInAs (con a=a(inp))

9 Fotogeneración en una unión PN P opt (1-R) P(x) = P opt (1-R)e -αx G(x) = α P(x)/A x Z CE : G n : G p : G arrastre difusión arrastre difusión arrastre recomb. I(V;Φ) = I(V;0) - I ph

10 Características I(V) i = i 0 (exp(v/nv T )-1) - i ph Modo Fotoconductivo Modo Fotovoltaico v=0 i = - i ph P opt Polarización inversa i=0 v v T ln(i ph /i 0 ) Fotoconductor I Φ=0 V i = - (i 0 + i ph ) Φ>0

11 Estructura de fotodiodo PN Estructura p + -n-n + Difusión desde la zona n W(V R ) (y ρ ½ )

12 Estructura de fotodiodo PIN (+) alta eficiencia (+) predominio del arrastre rapidez ( ) I d

13 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

14 Principio de funcionamiento Características Eficiencia y respuesta espectral Características eléctricas Análisis de la eficiencia Optimización Ejemplos Respuesta en frecuencia Tecnología Dispositivos específicos Aplicaciones

Análisis de la eficiencia Optimización Ejemplos

15 Eficiencia cuántica y sensibilidad 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 i ph = e η ( P/ hν ) R= η λ 0 (µm)/ 1.24

[1- exp (-αd)] ζ Sensibilidad o responsividad R =

16 Análisis de la eficiencia cuántica difusión en la zona n J = J + ph dif J arr arrastre en la ZCE D p 2 p x n 2 p n p τ p n 0 + G(x) = 0 J arr = q W 0 G(x) dx p nph = C 1 e αx 1 e W x Lp Pn ph C 1 Φ D 0 p 2 p αl 2 1 α L 2 p 0 x-w J dif = qφ 0 αl p 1 + αl p e αw J ph = qφ 0 1 αw e 1 + αl p η = J P opt tot q Ahν = ( 1 R) 1 αw e 1 + αl p

nph = C 1 e αx 1 e W x Lp Pn ph C 1 Φ D 0 p 2 p αl 2 1 α L 2 p 0 x-w J dif = qφ 0

17 Análisis de la eficiencia cuántica (II) Para un P η = + IN + con L p << αw ( 1 R)( 1 e ) 1 α Para un P η = + ( 1 R) N con W << αl p 1 + αl p 1 α Optimización de η para λ largas (PIN) (1 - e -αw ) > 85% w > 2α PD de silicio: λ(µm) W min (µm) rojo 0.66µm 5µm IRED 0.9µm 40µm YAG 1.064µm 2000µm W W ( y ρ ) V R

Optimización de η para λ largas (PIN) (1 - e -αw ) > 85% w > 2α PD de

18 Optimización de η : capas antirreflectantes * Reflectividad: η 1-R perturbación del emisor * Intercara semiconductor-aire: 2 n-1 R = 31 % η< 70% n+1 n(si) = 3.5 Necesidad de capas antirreflectantes

19 Capas antirreflectantes * Interferencia destructiva: n 2 d 2 = m λ/4 * Óptimo para: n 2 = n 1 n 3 d adecuado a λ Silicio Si 3 N 4 (n 2 =1.95)

20 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 x p ) Solución: N A creciente hacia la superficie ( barrera de difusión) PD de GaInAs/InP R λ 3 > λ 2 > λ 1 InP P GaInAs I λ 1 λ 2 λ 3 λ InP N

) Solución: N A creciente hacia la superficie ( barrera de difusión)

21 Ejemplos de respuesta espectral R η λ directos vs. indirectos límites λ cortas λ de interés: visible: µm GaAs-IRED: 0.9µm Si Nd:YAG: µm FO: 1.3, 1.55µm GaInAs IR térmico: 3-5, 8-14 µm otros: InAs, HgCdTe...

22 Características eléctricas Parámetros relevantes Circuito equivalente Relación señal-ruido Parámetros relevantes Corriente en oscuridad (I d ) intensidad 1/Rs voltaje I d =I d-gr +I d-dif +I d-surf I d A exp(-e g /K B T) T=25ºC I d (Si) 10 Circuito equivalente Id 1/Rsh I d (Si) I d (Ge) R sh =(di/dv) -1 R sh nk B T/qI d C j A [(V R +0.5)ρ] -1/2 R serie yr sh parásitas R L (típ.) = 50 Ω -1 KΩ

23 Análisis del circuito equivalente: Linealidad Para I ph R eq <V F +V R I o I ph = R P opt lineal Para I ph R eq V F +V R saturación de la linealidad Voc (K B T/q) ln(i ph /I s )

24 Relación señal-ruido Ruido shot : fotogeneración + fondo + oscuridad i N 2 = 2q I f Ruido térmico : i N 2 = (4kT/R eq ) f Relación señal ruido: SNR i = I ph /i N

25 Optimizar SNR: R eq : R R L sh I d : T f : detección síncrona

26 Respuesta en frecuencia Fenomenología Casos en que domina RC Casos en que domina τ -trans. Optimización Respuesta temporal y respuesta en frecuencia tiempo de carga τ = R L C tiempo de tránsito τ = W/ v componente de difusión tiempo de subida (t r ): 10% 90% (= 2.2 τ) R(f 3dB )=R(100KHz)/ 2 f 3dB = 0.35/t r

27 Competencia con la difusión λ 1/α difusión R L domina RC V R W α difusión R L domina difusión

28 Optimización de f 3dB η*= 1- exp(-αw) W < 0.35 v / f 3dB A < 0.16 W / (ε R L f 3dB ) A max para W /v 2R L C

29 Principio de funcionamiento Características Tecnología Dispositivos específicos Aplicaciones

30 Ej: PD Epitaxial Fabricación de PD de silicio (Anillo de guarda p + ) Stopper n + Dopado p del área activa Capa pasiv. y antireflectante Contacto frontal (Al) Contacto posterior

31 Fabricación de PD de GaInAs Poca dependencia f 3dB (λ) Interesantes: 1.3 y 1.55 µm η 1para 0.92< λ<1.65 µm Estructuras τ (RC)=τ trans y τ dif = 0 C paras I fugas I d

32 Estructuras tipo mesa Substrato n + Epitaxia buffer layer : SL capa activa: GaInAs capa recubridora p + Adelgazar substrato Contactos: Ni/AuGe/Au y Ti/Pt/Au Capa antirreflectante

33 Estructuras tipo mesa (cont.) Ataque húmedo y limpieza óxidos Pasivación: polyimida Vía de contacto (RIE)

34 Tecnología de hibridación Deposición y grabado de los pads de soldadura Contacto Tecnología flip-chip: C y L parásitas iluminación por detrás area libre

35 Principio de funcionamiento Características Tecnología Dispositivos específicos Fotodiodos Schottky Fotodiodos de avalancha Otros tipos de fotodiodos Aplicaciones

36 PD Schottky: principio de funcionamiento generación banda a banda hν > E g Fotoemisión de electrones hν > qφ b ( MIR) Alta velocidad ( record mundial! : 60 GHz ) I d ruido

37 PD Schottky: estructuras Iluminación por delante: No pérdidas por recombinación en la superficie η(λ) T(λ) Capas AR/metal/semiconductor Iluminación por detrás (GaInAs /InP): capa metal gruesa ηx 2 R s

38 PD Schottky: características Respuesta espectral Respuesta en frecuencia Respuesta temporal

39 Fotodiodos de avalancha Multiplicación por avalancha Estructuras Características Multiplicación por avalancha Coef. de ionización: α e, α h, h= α e /α h Conviene h>>1 o h<<1 Ganancia (G) para h<<1 G=exp(- α e W) α e,α h (E)

40 Conveniencia de APD señal: I ph = G I ph (G=1) ruido: i N = G i N (M=1) F 1/2 mejora SNR cuando domina el ruido del circuito

41 APDs de Silicio α e >>α h G= Vop 100 volts Estructuras SAM (Multiplicación y Absorción Separada)

42 APDs de GaInAs

43 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 f 3dB (para iluminación por superficie η f 3dB < 20 GHz)

44 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

45 Otros dispositivos: Fototransistores Circuitos para fototransistores con eliminación de dc Con conexión de base Sin conexión de base

47 Principio de funcionamiento Características Tecnología Dispositivos específicos Aplicaciones

48 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

49 Con resistencia de carga Circuitos básicos Con amplificador de transimpedancia en polarización inversa Con amplificador de transimpedancia Con resistencia de carga en polarización inversa

50 Medidor de potencia óptica PD de silicio de gran área nm Modo fotocorriente Amplif. transimpedancia Adaptación ganancia Módulo inteligente Corrección R(λ) Salida V/W

51 Protocolos IrDA Comunicación IR λ = nm t r (max) = 80 ns P dens = µW/cm 2 BER = 10-4

52 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 ( MHz)

53 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

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