Eigenschaften verschiedener Photodioden-Technologien

Erfahren Sie mehr über die Unterschiede zwischen Silizium-Fotodioden und Fotodioden aus anderen Halbleitermaterialien.

In diesem Artikel besprechen wir einige verschiedene Arten von Photodioden-Technologien und die Stärken und Nachteile der Halbleiter, die zu ihrer Herstellung verwendet werden – nämlich Silizium

Dies ist der vierte Teil unserer Fotodioden-Reihe, die Sie darauf vorbereitet, mehr über den Einsatz von Fotodioden in lichtempfindlichen Schaltungen und deren Anwendungen zu erfahren. Wenn Sie den Rest lesen möchten, sehen Sie sich die folgenden Links an.

• Wenn Sie die Grundlagen kennenlernen möchten, beginnen Sie mit dem ersten Artikel, der die Physik des Lichts und die Verwendung von pn-Übergängen zur Bildung von Dioden behandelt.
• Der zweite Artikel konzentriert sich auf lichtempfindliche pn-Übergänge.
• Der dritte Teil behandelt photoleitende und photovoltaische Dioden.
• Der letzte Teil befasst sich mit dem Ersatzschaltbild der Photodiode.

Die Silizium-Fotodiode

Silizium ist definitiv kein exotisches Halbleitermaterial, aber es macht eine feine Fotodiode. Silizium-Fotodioden sind eine ausgezeichnete Wahl für viele Anwendungen mit sichtbarem Licht.

Dies ist die wichtigste Einschränkung bei Silizium:Es reagiert hauptsächlich auf die Wellenlängen des sichtbaren Lichts. In vielen Systemen, wie beispielsweise einem Lichtdimmer, der auf das Umgebungslicht reagiert, ist dies genau das, was Sie wollen. Eine IR-verstärkte Silizium-Fotodiode verleiht Ihnen eine höhere Empfindlichkeit gegenüber Wellenlängen im nahen Infrarotbereich, wenn dies für Ihre Anwendung wichtig ist.

Dieses Diagramm aus dem Silicon Photodiodes Handbook von Hamamatsu zeigt die spektrale Empfindlichkeit einer Vielzahl ihrer Silizium-Fotodetektorprodukte. QE steht für Quanteneffizienz.

Silizium-Photodioden sind großartige Allzweck-Lichtdetektoren. Sie sind zuverlässig und weit verbreitet, ihre elektrische Reaktion auf die Beleuchtungsstärke ist hochgradig linear und sie haben eine gute Dunkelstrom- und Bandbreitenleistung. Tatsächlich sind die von Thorlabs verkauften Photodioden mit dem niedrigsten Dunkelstrom und der höchsten Geschwindigkeit beide Silizium-Bauelemente.

Infrarotdetektoren

Indiumantimonid (InSb)

Wenn ich an Fotodioden denke, fällt mir als erstes Material InSb ein. Es ist viel seltener als Silizium, aber es hat sich in mein technisches Bewusstsein eingebrannt, weil eines der wichtigsten Unternehmensprojekte, an denen ich je gearbeitet habe, um eine Reihe von InSb-Fotodioden herum aufgebaut war.

InSb ist empfindlich gegenüber Infrarot mit kurzer und mittlerer Wellenlänge und bietet eine hervorragende Leistung für Anwendungen, die Wärmesignaturen anstelle von sichtbarem Licht erkennen müssen. Um das Beste aus InSb herauszuholen, müssen Sie jedoch einige zusätzliche Anstrengungen unternehmen – nämlich die Fotodiode auf kryogene Temperaturen abzukühlen. Sie stellen Dinge her, die Dewars genannt werden, die die Diode beherbergen und flüssigen Stickstoff enthalten. Sie füllen den Dewar mit LN2 auf und dann ist Ihr InSb-Detektor bereit für maximale Empfindlichkeit.

Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) und Germanium (Ge)

InGaAs wird häufig als schnelles, hochempfindliches Infrarotdetektormaterial verwendet. Im Gegensatz zu InSb wird es häufig bei Raumtemperatur verwendet und hat bei kürzeren Wellenlängen ein wenig zusätzliches Ansprechverhalten:InSb reicht bis etwa 1 µm, während der InGaAs-Bereich bis etwa 0,7 µm reicht.

Germanium ähnelt InGaAs in Bezug auf die spektrale Empfindlichkeit und funktioniert bei Raumtemperatur. InGaAs kann ein deutlich höheres Signal-Rausch-Verhältnis erzielen.

Quecksilber-Cadmium-Tellurid (HgCdTe)

Quecksilber-Cadmiumtellurid spielt eine wichtige Rolle als Detektor für langwellige IR-Anwendungen. Die spektrale Empfindlichkeit von InGaAs und InSb verjüngt sich bei 2–3 µm bzw. 5–6 µm, wohingegen HgCdTe bis auf 16 µm reicht. Langwelliges IR (LWIR) wird für die passive thermische Erkennung und Bildgebung verwendet.

Wie InSb-Detektoren werden HgCdTe-Detektoren auf kryogene Temperaturen gekühlt. Dies ist eine große Unannehmlichkeit, und viele Geräte verwenden ungekühlte Mikrobolometer für die LWIR-Bildgebung; Mikrobolometer reagieren direkt auf thermische Energie, im Gegensatz zu Photodioden, die auf einfallende Photonen in elektromagnetischer Strahlung reagieren. Mikrobolometer sind billiger, kleiner und energieeffizienter; HgCdTe produziert qualitativ hochwertigere Bilder.

Ultraviolett-Detektoren

Obwohl Silizium hauptsächlich für sichtbare Wellenlängen empfindlich ist, kann eine Silizium-Fotodiode für eine verbesserte UV-Reaktion optimiert werden. Diese Geräte werden UV-verstärkte Silizium-Photodioden genannt. Das ist ein Ansatz zur Messung von UV-Licht.

Sie kennen wahrscheinlich Siliziumkarbid (SiC). Es ist ein zunehmend bekanntes Halbleitermaterial, das hauptsächlich mit Hochleistungs-MOSFETs in Verbindung gebracht wird, aber es stellt sich heraus, dass SiC-Dioden hervorragend als UV-Detektoren geeignet sind.

Siliziumkarbid-Fotodioden sind robuste Geräte, die von Natur aus nur für UV-Licht im Bereich von 200 nm bis 400 nm empfindlich sind.

Dies ist die normalisierte spektrale Empfindlichkeit einer Siliziumkarbid-Fotodiode, die von Electro Optical Components hergestellt wird.

Diese begrenzte spektrale Empfindlichkeit bedeutet, dass SiC-Photodioden keine optische Filterung in Systemen benötigen, die verhindern müssen, dass sichtbares oder infrarotes Licht die UV-Messungen stört. UV-verstärkte Silizium-Photodioden sind genau das – verbesserte UV-Empfindlichkeit. Sie behalten ihre Empfindlichkeit gegenüber sichtbarem Licht und sind tatsächlich viel empfindlicher gegenüber sichtbarem Licht als gegenüber UV.

Die mathematische Beziehung zwischen einfallender Lichtleistung und erzeugtem Photostrom wird als Ansprechempfindlichkeit bezeichnet. Die Spitzenempfindlichkeit von SiC ist im Vergleich zur Spitzenempfindlichkeit von Silizium eher gering, aber die Spitzenempfindlichkeit von Silizium ist für UV-Anwendungen nicht relevant, da sie weit von UV-Wellenlängen entfernt auftritt. Die Empfindlichkeit von SiC ähnelt der Empfindlichkeit von Silizium, wenn wir nur den 200–400-nm-Teil des Spektrums betrachten.

Zusammenfassung

Silizium-Photodioden ermöglichen eine komfortable und leistungsstarke Messung der Beleuchtungsstärke im sichtbaren Spektrum. Standardmaterialien für die Infrarotdetektion sind Indium-Antimonid (InSb), Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs), Germanium (Ge) und Quecksilber-Cadmium-Tellurid (HgCdTe). Für UV-Anwendungen ist UV-verstärktes Silizium eine Option, und Siliziumkarbid ist eine Überlegung wert, wenn Sie einen zuverlässigen Hochtemperaturbetrieb benötigen oder Ihr Detektor sichtbares und infrarotes Licht ignorieren muss.

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