Cuprins:

1. Introducere ______________________________________ 3

2. Noțiuni generale teoretice ___________________________ 4

3. Principiile de funcționare____________________________ 5

3.1.0 Modurile de funcționare a fotodiodei PIN _________ 6

3.1.1 Modul fotovoltaic ____________________________ 7

3.1.2 Modul fotoconductiv _________________________ 8

4. Caracteristicele fotodiodei. Parametrii de baza al fotodiodei 9

4.1 Responzivitatea fotodiodei ______________________ 9

4.2 Eficienta cuantica _____________________________ 10

4.2 Sensibilitatea _________________________________ 11

4.3 Rapiditatea fotodiodei _________________________ 12

5 Construcția fotodiodelor PIN _________________________ 15

6 Tehnologiile de fabricare ____________________________ 17

7 Utilizarea Fotodiodelor PIN _________________________ 18

8 Bibliografie ______________________________________ 18

9 Anexa __________________________________________ 19

2

1. INTRODUCERE

Descoperirea efectului fotoelectric in secolul trecut, continuarea cercetărilor

si progresele industriei electronice a dus la crearea si implementarea in practica a

unui sir de dispozitive electronice bazate pe fenomenul fotoelectric, fenomen ce

presupune formarea unui curent electric sub acțiunea radiațiilor electromagnetice

de spectru definit si viceversa formarea emisiilor electroluminescente cu spectru

predefinit. Dispozitive care si-au găsit o utilizare larga in diverse domenii, precum

in tehnica de măsurări spectrale precise, in telecomunicații la transmiterea

informației, in domeniul automatizării industriale, in TI dispozitive de stocare a

informație(CD/DVD) etc. Din elementele senzoriale si cele de emisie in funcție

de aparat in care se care se folosesc pot fi menționate fotodiodele, celulele

fotovoltaice, fototranzistoarele, optocuplurile, laser-ul, si multe altele dispozitive.

In aceasta lucrare vom descrie si vom analiza, structura vom lamuri

principiul de funcțiune, vom descrie parametrii de baza, modul de conexiune si

domeniile de utilizare ale fotodiodei PIN.

3

2. Noțiuni generale teoretice.

Fotodiodele la general sunt dispozitive de fotoreceptie a radiației

electromagnetice de spectru definit de natura materialelor folosite la fabricare,

având ca rezultat formarea unui curent electric numit curent fotoelectric. La baza

funcțiunii sta efectul fotovoltaic: - apariţia unei tensiuni electromotoare într-o

joncţiune p-n când aceasta este iluminată. Prin acest efect se realizează conversia

directă a energiei luminoase în energie electrică. Electronii emiși prin efectul

fotoelectric se numesc fotoelectroni. Experimental s-a constatat că pentru a observa

emisia de electroni este nevoie ca radiația electromagnetică să aibă

o frecvență deasupra unei limite inferioare care depinde de natura materialului sau,

echivalent, lungimea de undă trebuie să fie sub o anumită valoare. Intensitatea

fluxului de radiație incident influențează mărimea curentului electric produs, dar

nu determină apariția fenomenului.

Fotodioda P-i-N este cel mai răspândit fotodetector. Spre deosebire de

fotodioda simpla cu o joncțiune p-n, conţine 3 straturi semiconductoare. In

structura are o regiune intrinseca poziționata între regiunile p si n, în care se

generează sub influenta radiației incidente perechi electron-gol. Straturile „p” şi

„n”, de regulă, sunt puternic dopate (1017 .. . 1018 cm−3). Stratul „i” cu o grosimea

specifica este foarte puţin dopat şi posedă o concentraţie foarte mică de impurităţi

donoare(n0=1014 . .. 1015 cm−3). Structura simplificata, banda energetica, distributia

puterii optice si distriburia de sarcina a fotodiodelor p–i–n este redata grafic mai

jos

4

Distribuţia puterii optice absorbite

5

Diagrama energetica

Distributi de sarcina

Fig 2.1 Structura, nivelele de energie, distribuţia de sarcină şi câmpul electric în fotodiodă

3. Principiul de funcționare a fotodiodei PIN

Presupunem Fig .3.1 ca in fotodioda pin stratul -i slab dopat se afla intre straturile puternic dopate n+ si p+, deasemeni stratul -i este lipsit de purtatori de sarcina, Aplicam la jonctiunile diodei P-i-N o tensiune cu polarizare inversa. Regiunile puternic dopate vor capata conductibilitate iar regiunea intrinseca lipsita de purtatori va suporta doară o polarizare . La caderea radiatiei luminescente pe jonctiunea –i, in fotodida se vor genera purtători de sarcina si anume cupluri n-p. Sub actiunea campului electric ele se vor diviza si se vor deplasa in sensuri opuse spre electrozi corespunzatori, astfel va lua naștere un curent electric.

6

Fig 3.1. Principiul de functionare a fotodiodei PIN

Aici generație de perechi electron-gol într-un semiconductor este direct legată de absorbție a luminii din moment ce fiecare foton absorbit generează un electron-gol pereche. Rata de generare optică gop este dată de relatia:

unde A este suprafața iluminată a fotodiodei, Popt este puterea incidentă optice, α este coeficientul de absorbție și hυ este energia fotonica. Puterea optică este dependentă de poziția obținută prin rezolvarea:

3.1 Modurile de funcționare a fotodiodei PIN

Fotonii intră în zona intrinsecă prin inelul metalic de conexiune şi prin regiunea subţire de tip p, generând aici perechi electron-gol. Dioda PIN este normal polarizată invers, astfel încât sarcinile generate se deplasează spre zonele p şi n printr-o mişcare de drift. Caracteristica de ieşire tipică pentru o fotodiodă PIN prezintă două moduri posibile de funcţionare: fotovoltaic şi fotoconductiv

7

Fig. 3.2 Structura unei fotodiode PIN din siliciu

3.1.1 Modul fotovoltaic se referă la funcţionarea în cadranul stîng, cînd nu este necesară o sursă de tensiune. Acest mod este indicat în Fig. 5.3 prin rezistenţa de sarcină. Nu există nici un curent de întuneric, ceea ce face acest mod forte potrivit pentru detecţia la nivele mici de iluminare. În Fig. 5.4 este prezentat un model de circuit pentru fotodioda PIN funcționând în regim fotovoltaic

Fig.3.3 Caracteristica I/U a unei fotodiode PIN

Fig.3.4 Modelul fotodiodei PIN pentru regimul fotovoltaic

Cu ajutorul modelului de mai sus se pot scrie următoarele relaţii:

Unde: r = responzivitatea

8

P = puterea opticăId = curentul diodeiIS = curentul de saturaţie al diodeiVT=kT/e = 26mV la 300K

În modelul din Fig 3.4, sursa de fotocurent I ph este șuntat de o diodă ideală,

iar rezistenţa serie RS limitează curentul maxim de la diodă. Această rezistenţă

are valoarea tipică 50Ω pentru o fotodiodă pe siliciu, cu diametrul de 1mm. În concordanţă cu acest model, dioda PIN generează o tensiune care este logaritmul puterii optice incidente, în cazul în care nu este conectată vreo rezistenţă de sarcină. Dacă fotodioda lucrează în scurtcircuit, RS este cea care

crează căderea de tensiune. Aceasta face să înceapă o limitare a fotocurentului la un nivel de putere de cca. 1mW, în funcţie de aria activă a diodei. Limitarea cea mai importantă a regimului fotovoltaic este banda limitată datorită capacității mari a joncţiunii pin.

3.1.2.Modul fotoconductiv .În modul fotoconductiv se aplică o tensiune de polarizare inversă, care descreşte capacitatea joncţiunii la cca. 1pF. Acest mod oferă o bună liniaritate lumină-curent, până la 1mW putere optică pentru o diodă de 1mm diametru, de exemplu. Responzivitatea r este identică cu cea din modul fotovoltaic; ea este indicată fie prin eficienţa cuantică, fie direct în A/W. Valori tipice sunt 0.1 - 0.5 A/W, în funcţie de lungimea de undă şi semiconductor, Fig. 5.5. Dependenţa de temperatură a responzivităţii este mică. Din nefericire, este generat un curent de întuneric care este dependent de temperatură, ceea ce creează probleme la măsurarea nivelelor mici de lumină şi generează un zgomot suplimentar. Curentul de întuneric tipic, pentru o fotodiodă de 1mm, la temperatura de 25 o C , este 5nA pentru Si, 12μA pentru Ge şi 6μA pentru InGaAsP. Acesta este motivul pentru care diodele pe Ge şi InGaAsP au arii active foarte mici, tipic 0.1 - 0.2mm în diametru. Dependenţa de temperatură a curentului de întuneric este foarte pronunţată, el dublându-se la fiecare 7 o C pentru Si, fiecare 8 o C pentru Ge şi fiecare 10oC pentru InGaAsP.

Conectarea tipica a unei fotodiode in cele mai multe cazuri se face dupa schema de mai jos :

9

4. Caracteristicele fotodiodei. Parametrii de baza al

fotodiodei

4.1 Responzivitatea fotodiodei Masura a sensibilitatii fotodiodei, responzivitatea este raportul dintre fotocurentul la iesirea din diode (in A) si puterea luminoasa (in W) incidenta la fotodioda. De notat ca puterea incidenta este exprimata, de obicei, in W/cm^2, iar fotocurentul in A/cm^2. In figura &.3 este prezentata responzivitatea unei fotodiode, in functie de lungimea de unda.

Fig. 4.1 Caracteristici spectrale reale şi idealizate ale fotodiodei pin in functie de λ

10

Fig. 4.2 Caracteristici spectrale ale fotodiodei pin in regiuni diferite(interiorul cristalului si periferia lui)

Asa cum se poate vedea din figura 4.3, siliciu devine transparent la lungimi de unda peste 1100 nm, in timp ce ultravioletele sunt absorbite in primii 100 nm de grosime.Stratul antireflectorizant inbunatateste raspunsul la o anumita lungime de unda (cu cca. 25%), dar il poate deteliora la alte lungimi de unda datorita reflexiilor. Fereastra diodei poate modifica raspunsul fotodiodei. Fereastra clasica din sticla absoarbe lungimile de unda sub 300 nm. Pentru detectia ultravioletelor este necesara folosirea unei ferestre din siliciu sinterizat. Se folosesc si diverse filtre pentru a inbunatati raspunsul spectral a foto-diodei. Un asemenea filtru este cel ce modifica raspunsul normal al siliciului pentru a aproxima raspunsul spectral al ochiului uman, figura &.4.

Fig 4.3 Tensiunea de lucru: Sau caracteristica Curent/Tensiune

4.2 Eficienta cuantica Capacitatea interna a unei fotodiode de a converti energia luminoasa in energie electrica, exprimata in procente, se numeste eficienta cuantica (η), altfel zis raportul dintre numărul de perechi electron-gol generate şi numărul de fotoni incidenţi. η=ne/nf

Responzivitatea fotodiodei este legata de eficienta cuantica prin relatia :

Funţionînd în condiţii ideale de reflectanţă, structură a cristalului si rezistenţă internă, o fotodiodă pe siliciu de calitate foarte bună poate atinge o eficienţă cuantică de 80%. În tabelul 1 este prezentată responzivitatea unei fotodiode, in funcţie de lungimea de undă, pentru situaţia ideală în care eficienţa cuantică ar fi 100%.

11

4.3 Sensibilitatea

Un parametru i important al fotodiodei p-i-n este sensibilitatea, care are următoare

expresie: S=

I f

Poptic , fiind funcţie de λ .Amintim că: concentratia purtatorilor de sarcina si fotocurentul If sunt redate

de relatiile:

η=N p, n

N F

=I f /q

Poptic /hν ; I f=η⋅q⋅

Poptic

hν .Deci S poate lua forma:

S=I f

Poptic

=η⋅q⋅Poptic

hν⋅ 1

Poptic

=η⋅qhν .

Dacă λ (lungimea de unda) se măsoară în [μm ], iar hν - în [eV], atunci:

S= η⋅λ1 ,24 ,

( AW

;VW )

(1)În caz ideal când η=1 :

S= λ1 ,24 . (2)

Diferenţa dintre sensibilitatea spectrală a unui fotoreceptor ideal calculată după relaţia (2) şi a unei fotodiode ideale din Ge:

Cauzele sunt: Dependenţa R=f ( λ ) . Acest efect se ia în consideraţie prin formula:

S= ηλ1 ,24

[1−R ( λ ) ];

Dependenţa η=f ( λ ) care rezultă din relaţia (10), (α=f ( λ ) ). Această dependenţă predomină.

4.4 Rapiditatea fotodiodei

12

Rapiditatea fotodiodei este determinată de constanta de timp a circuitului electric şi de timpul de selectare a purtătorilor de sarcină fotogeneraţi.

Constanta de timp (τ=RC ) este egală cu produsul dintre rezistenţa sarcinii

fotodiodei egală cu R=50Ω şi capacitatea fotodiodei C f . Capacitatea C f este

compusă din capacitatea joncţiunii p–n C p−n şi capacitatea parazită (capacitatea straturilor semiconductoare şi conductorilor metalici).

Capacitatea joncţiunii p–n este:

C p−n=ε0⋅ε s⋅A p−n⋅1

W ; (13)

unde ε 0 - constanta dielectrică a vidului; ε s - constanta dielectrică a

semiconductorului (¿13 ); Ap−n - aria joncţiunii p–n; W - grosimea stratului de sarcină spaţială.

Deci, pentru a micşora capacitatea fotodiodei este necesar: Micşorarea suprafeţei joncţiunii p–n; Sporirea W , prin micşorarea concentraţiei impurităţilor de fond în stratul

„i”.Suprafaţa joncţiunii p–n se realizează prin două metode:

1. formarea joncţiunii meza a fotodiodei;2. formarea joncţiunii p–n prin difuzie locală, utilizând măşti din SiO2.

Fig. 4.4

Stratul de sarcină spaţială poate fi mărit polarizând invers fotodioda cu o tensiune U . În joncţiunea p–n abruptă dependenţa W =f (U ) este următoarea:

W =[2 ε0 εs (ϕb−U p−n) /q⋅N d ]1/2

(14)

unde U - tensiunea inversă de polarizare; ϕb - potenţialul de contact al joncţiunii.Pentru fotodioda cu concentraţia purtătorilor de sarcină în statul „i”

Nd=1015 cm−3 şi U=2. .. 3 V grosimea stratului de sarcină spaţială este W =2 μm .

Joncţiunea p–n cu diametrul 100 μm posedă capacitatea de C=1 pF şi constanta de

timp pentru R s=50Ω egală cu τ=RC=50 ps .

13

Timpul total necesar pentru selectarea purtătorilor de sarcină fotogeneraţi se

determină prin suma timpului de derivă a purtătorilor de sarcină prin W şi a

timpului de difuzie a purtătorilor de sarcină generaţi în afara W .Viteza de derivă a purtătorilor de sarcină pentru intensitatea câmpului

electric W egală cu 104V /cm constituie vderiva ~ 107 cm / s . În aşa mod, pentru W =2 μm , timpul de derivă este egal cu 20 ps .

Pentru electronii ce difuzează din stratul „p” în W timpul de difuzie va fi:tdifuzie=Ln

2 /2,4 Dn , (15)

unde Ln - lungimea de difuzie a electronilor; Dn - coeficientul de difuzie a electronilor care este proporţional cu mobilitatea lor.

În cazurile tipice pentru Ln=1. . .2 μm timpul de difuzie este tdifuzie=100 ps . În aşa mod, pentru a realiza o înaltă rapiditate a fotodiodei este necesar de a micşora considerabil grosimea stratului „p” sau de a exclude absorbţia semnalului optic în acest strat. Aceasta se realizează utilizând heterostructurile semiconductoare cu

stratul frontal având Eg>hν .

În acest caz, însă, poate exista absorbţia în stratul „n”, iar golurile au o viteză de difuzi mult mai mică ca electronii, ceea ce micşorează rapiditatea fotodiodei.

Pentru a exclude absorbţia şi în stratul „n”, el este confecţionat cu Egn>hν .

14

În acest caz: hν<Egp=Eg

n>Egi ≤hν , şi

d i=W > 1α .

In tabela de mai jos sun reprezentate parametrii sensibilitatii si responzivi-tatii a unor fotoconductori pu comparatie

5 Constructia fotodiodelor PIN

Pentru a descrie o fotodioda PIN prezentam grafic o sectiune transversala prin ea Fig.

Fig.5.1 Sectiunea printr-o dioda PIN

Materialul de plecare este siliciu dopat N. Un strat subtire de tip P este creat la suprafata stratului N, prin difuzie termica sau implantare ionica a unui material adecvat (de regula bor). Interfata dintre stratul P si cel de tip N este cunoscuta ca jonctiune pn. Contacte metalice sunt aplicate pe suprafata superioara a dispozitivului , precum si pe intreaga suprafata posterioara. Contactul posterior este catodul diodei , iar contactul anterior este anodul. Suprafata activa a diodei este acoperita cu monoxid sau bioxid de siliciu pentru protectie si pentru a forma un strat antireflectorizant. Grosimea acestui strat este optimizata in functie de lungimea de unda a radiatiei. În calitate de straturi antireflex se folosesc pelicule

din Si3N4, Al2O3, SiO2, ZnS, etc, cu coeficientul de refracţie ndielectric=1,8. . .2 care îndeplineşte condiţia:

15

ndielectric=( naer

nsemiconductor)1/2

, unde naer=1 .

Grosimea straturilor antireflex trebuie să fie: ddielectric=

λ4 .

Jonctiunele fotodiodelor au propietati deosebite datorita subtirimi stratului P. Grosimea acestuia este determinata de lungimea de unda a radiatiei ce trebuie detectata. Linga jonctiunea PN siliciul devine saracit de purtatori de sarcina liberi. Aceasta regiune este cunoscuta sub numele de “regiune saracita de purtatori”. Adincimea acestei regiuni poate fi modificata prin aplicarea unei tensiuni inverse in lungul jonctiunii. Cind regiune saracita ajunge la nivelul contactului de catod, se spune ca fotodioda este “completa”. Fotodiodă PIN este ineficienta în cazul în care fascicul de lumina cade pe straturile puternic dopate +n + p. În acest caz, va exista un curent de difuzie, care din cauza inerției mare reduce eficiența fotodiodei. Din acest motiv, straturile n + si p + se fac cat mai subtire posibil, iar stratul – i intrinsec - cât mai mare posibil, pentru a absorbi toate radiația incidenta.Materiale semiconductoare utilizate la fabricarea fotodiodelor PIN: 

InP (Eg = 1.35 eV); In1-xGaxAsyP1-y (Eg = 0.75 - 1.18 eV); GaAs (Eg = 1.41 eV); AlxGa1-xAs (Eg = 1.41 - 2.2 eV); GaN (Eg = 3.44 eV); GaP (Eg = 2.24 eV); Si (Eg = 1.1 eV); SnO2 (Eg " 3.6 - 3.8 eV).

Fig. 5.2 Pentru materiale diferite, se obțin lungimi de undă diferita, la care se manifesta efectul maxim in fotodiodă.

După cum se vede din tabel, Siliciu este materialul cel mai utilizat pentru infraroşu apropiat (850nm), iar Germaniu sau Indiu-Galiu-Arsen-Fosfor pentru domenii peste 1μm

16

6 Tehnologia de fabricare

Fabricare fotodiodelor Pin se poate face prin :

epitaxie in faza lichida pentru intervalul lungimilor de unda recepționate: 0.86 - 1.65 micrometri .

epitaxie fascicular-moleculara Litografie electronica Nano litografie

O descoperire recenta efectuată prin munca un grup de aspiranți chinezi sub conducerea lui prof.Charles Lieber de la Universitatea Harvard. Ei au reușit să creeze o celula de fotodioda pin – dintr-o nano-fibra de Si. Schema semifabricatului cu imaginile de la microscopul electronic este prezentata mai jos:

Fig. 6.1 (A) Schema fotodiodei p-i-n pe baza de Si, coaxiale din nanofire (pe dreapta se arata

diagrama fazica al Si-Au, pe baza cărei prin metoda de vapor-lichid-cristal a fost crescuta fibra

centrala a cablului; (b-c) imagini de microscopie electronica, cu mărire diferita de care arată că

monocristalina este doara fibra centrala. Scăra: (b) corespunde la 1 μm, jos - 100 nm, și în figura

7 (c) - 5 nm

17

Fig. 6.2 Procesul de fabricație a fotodiodei nanofiliare PIN, folosind litografia electronica și decapare selectivă : (a) schema, (b) imaginea unui produs real într-un microscop electronic de scanare. Scara (de la stânga la dreapta) 100 nm, 200 nm și 1,5 μm, respectiv.

Fig 6.3 Parametrii fotodiodelor p-i-n pe baza heterostructurilor InP - InGaAsP

18

7 Utilizarea Fotodiodelor PIN: 

a) Telecommunicatii prin fibra optica. - structura: InP-InGaAs - lungimile de unde receptionate:: l1 = 1.3 micrometri, l2 = 1.55 micrometri Deasemeni PIN-ul poate fi utilizat în plăcile de rețea și switch-uri pentru cabluri de fibră optică. În aceste aplicații, pin-fotodioda este folosit ca o fotodiodă simpla.

b) Telemetrie. Comunicatii optice prin atmosfera. - structura: InP-Inx1 Ga1-x1Asy1 P1-y1 - Inx2 Ga1-x2 Asy2 P1-y2 - lungimea de unda detectata: l=1.06 micrometri. - fotosensibilitatea: selectiva (delta l=100nmc) Optoelectronica functionala. - structura: InP - InGaAs - InGaAsP - intervalul de lungimi de unda receptionate: 0.9 - 1.65micrometri - fotosensibilitatea: dirijata (modulata) prin intermediul tensiunei de alimentare. 

8 Bibliografie

1. Sorin Constantin Zamfira – Optoelectronica. (versiunea PDF din internet) p103

2. Полупроводниковые фотоприемники: ультрафиолетовый, видимый и ближний инфра- красный диапазоны спектра / Под ред. В. И. Стафеева. — М.: Радио и связь. 1984. — С. 57–65, С. 130–140.

3 . http://www.nanonewsnet.ru/articles/2008/nanoprovolochnaya-gelioenergetika

4 . http://www.wikipedia.org 5. http://sales.hamamatsu.com/assets/html/ssd/si-photodiode/index.htm6. Wilson J., Hawkes J.F.B. , Optoelectronics

Anexa:19

Exemplu de dioda PIN comercial disponibila:

BPW34, BPW34S – produsa de Vishay SemiconductorBPW34 este o fotodiodă PIN de viteză mare și sensitivitate radiantă fabricat in în miniatură, construcție plană, de sus, case din plastic transparent . Este sensibila la radiații infraroșii și vizibile în apropiere.

Fig 7.1 Parametri de lucru

Fig 7.2 Parametri de baza

20