Características de diferentes tecnologias de fotodiodo

Saiba mais sobre as diferenças entre fotodiodos de silício e fotodiodos feitos de outros materiais semicondutores.

Neste artigo, discutiremos alguns tipos diferentes de tecnologias de fotodiodo e as vantagens e desvantagens dos semicondutores usados ​​para criá-los, ou seja, o silício

Esta é a quarta parte de nossa série em fotodiodos, que irá prepará-lo para aprender mais sobre o uso de fotodiodos em circuitos sensíveis à luz e suas aplicações. Se você gostaria de ler o resto, verifique os links abaixo.

• Se você gostaria de aprender sobre o básico, comece com o primeiro artigo, que discute a física da luz e como as junções pn são usadas para formar diodos.
• A segunda parte enfoca as junções pn que são sensíveis à luz.
• A terceira parte cobre diodos fotocondutores e fotovoltaicos.
• A peça final discute o circuito equivalente do fotodiodo.

O fotodiodo de silício

O silício definitivamente não é um material semicondutor exótico, mas é um ótimo fotodiodo. Os fotodiodos de silício são uma escolha excelente para muitas aplicações de luz visível.

Esta é a principal restrição a se ter em mente com o silício:ele é sensível principalmente aos comprimentos de onda da luz visível. Em muitos sistemas, como um redutor de luz que responde aos níveis de luz ambiente, isso é exatamente o que você deseja. Um fotodiodo de silício aprimorado por infravermelho lhe dará mais sensibilidade aos comprimentos de onda na região do infravermelho próximo, se isso for importante em sua aplicação.

Este gráfico do Manual de Fotodiodos de Silício de Hamamatsu mostra a resposta espectral para uma variedade de seus produtos fotodetectores de silício. QE significa eficiência quântica.

Os fotodiodos de silício são ótimos detectores de luz de uso geral. Eles são confiáveis ​​e amplamente disponíveis, sua resposta elétrica à iluminância é altamente linear e eles têm um bom desempenho de corrente escura e largura de banda. Na verdade, os fotodiodos de menor corrente escura e de maior velocidade vendidos pela Thorlabs são ambos dispositivos de silício.

Detectores infravermelhos

Antimoneto de índio (InSb)

Quando penso em fotodiodos, o primeiro material que me vem à cabeça é o InSb. É muito menos comum do que o silício, mas ficou gravado na minha consciência de engenharia porque um dos projetos corporativos mais importantes em que já trabalhei foi construído em torno de uma série de fotodiodos InSb.

O InSb é sensível ao infravermelho de comprimento de onda médio e curto e oferece excelente desempenho para aplicações que devem detectar assinaturas de calor em vez de luz visível. No entanto, para aproveitar ao máximo o InSb, você precisará fazer um esforço extra, ou seja, resfriar o fotodiodo a temperaturas criogênicas. Eles fazem coisas chamadas de orvalho, que abrigam o diodo e retêm nitrogênio líquido. Você preenche o dewar com LN2, e então seu detector InSb está pronto para a sensibilidade máxima.

Arsenieto de índio-gálio (InGaAs) e germânio (Ge)

InGaAs é amplamente utilizado como um material detector infravermelho rápido e de alta sensibilidade. Ao contrário do InSb, ele é comumente usado em temperatura ambiente e tem um pouco de responsividade extra em comprimentos de onda mais curtos:o InSb se estende até cerca de 1 µm, enquanto a faixa do InGaAs desce para cerca de 0,7 µm.

O germânio é semelhante ao InGaAs no que diz respeito à resposta espectral e funciona à temperatura ambiente. InGaAs pode atingir uma relação sinal-ruído significativamente mais alta.

Telureto de mercúrio e cádmio (HgCdTe)

O telureto de mercúrio e cádmio tem um papel importante como detector para aplicações de infravermelho de longo comprimento de onda. A resposta espectral de InGaAs e InSb diminui em 2–3 µm e 5–6 µm, respectivamente, enquanto HgCdTe se estende até 16 µm. IR de comprimento de onda longo (LWIR) é usado para detecção e geração de imagens térmicas passivas.

Como os detectores InSb, os detectores HgCdTe são resfriados a temperaturas criogênicas. Este é um grande inconveniente, e muitos dispositivos usam microbolômetros não resfriados para imagens LWIR; microbolômetros respondem diretamente à energia térmica, ao contrário dos fotodiodos, que respondem aos fótons incidentes na radiação eletromagnética. Microbolômetros são mais baratos, menores e mais eficientes em termos de energia; HgCdTe produz imagens de alta qualidade.

Detectores ultravioleta

Embora o silício seja sensível principalmente aos comprimentos de onda visíveis, um fotodiodo de silício pode ser otimizado para uma resposta UV aprimorada. Esses dispositivos são chamados de fotodiodos de silício intensificados por UV. Essa é uma abordagem para medir a luz ultravioleta.

Você provavelmente está familiarizado com carboneto de silício (SiC). É um material semicondutor cada vez mais proeminente que está associado principalmente a MOSFETs de alta potência, mas descobriu-se que os diodos de SiC são excelentes como detectores de UV.

Os fotodiodos de carboneto de silício são dispositivos robustos que são naturalmente sensíveis apenas à luz ultravioleta na banda de 200 nm a 400 nm.

Esta é a resposta espectral normalizada de um fotodiodo de carboneto de silício fabricado pela Electro Optical Components.

Essa resposta espectral limitada significa que os fotodiodos de SiC não requerem filtragem óptica em sistemas que devem evitar que a luz visível ou infravermelha interfira nas medições de UV. Os fotodiodos de silício aprimorados com ultravioleta são exatamente isso - aprimorados para a sensibilidade aos raios ultravioleta. Eles retêm sua sensibilidade à luz visível e, na verdade, são muito mais sensíveis à luz visível do que aos raios ultravioleta.

A relação matemática entre a potência da luz incidente e a fotocorrente gerada é chamada de responsividade. A responsividade do pico de SiC é bastante baixa em comparação com a responsividade do pico do silício, mas a responsividade do pico do silício não é relevante para aplicações de UV porque ocorre longe dos comprimentos de onda de UV. A responsividade do SiC é semelhante à responsividade do silício se olharmos apenas para a porção de 200-400 nm do espectro.

Recapitulação

Os fotodiodos de silício fornecem medição conveniente e de alto desempenho da iluminância no espectro visível. Os materiais padrão para detecção de infravermelho são antimoneto de índio (InSb), arsenieto de índio, gálio (InGaAs), germânio (Ge) e telureto de mercúrio e cádmio (HgCdTe). Para aplicações de UV, o silício aprimorado com UV é uma opção, e o carboneto de silício é digno de consideração se você precisar de uma operação confiável em alta temperatura ou se o seu detector deve ignorar a luz visível e infravermelha.



Próximo artigo da série Introdução aos Fotodiodos:Compreendendo o Circuito Equivalente de Fotodíodo