Sin ttulo de diapositiva

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CEA, curso 2007-08 Tema 7. Fotodiodos (PDs)
0. Motivación. Tipos de fotodetectores
1. Principio de funcionamiento
2. Estructuras
3. Eficiencia y respuesta espectral
4. Características eléctricas
5. Circuitos básicos con PDs
6. Respuesta en frecuencia
7. Fotodiodos Shottky y APDs
8. Fabricación
() Fuera de temario
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Necesidad de fotodetectores
Receptores comunicación por fibra
óptica mandos a distancia Lectores ópticos CD,
DVD, códigos de barras Sensores presencia,
ángulo, composición química, ... Monitores de
luz control de láseres Cámaras vídeo, visión
nocturna

• REQUERIMIENTOS
• Rapidez
• Sensibilidad
• ? adecuada
• Linealidad
• Fiabilidad
• Pequeño tamaño
• Instrumentación sencilla
• Matrices 2D

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Tipos de fotodetectores
dispositivos de vacío
fotoconductores
TIPOS
térmicos
Térmicos luz ? calor ? ?T ? para todas las ? ?
muy lentos, muy poca sensibilidad Dispositivos de
vacío (fotomultiplicadores) efecto
fotoeléctrico ? enorme sensibilidad ? Vcc ??,
caros, gran tamaño, difícil ? gt 1
?m Fotoconductores luz ? ?n ? ?? ? ?R ?
baratos, pequeños, fácil de acondicionar ?
lentos, poca sensibilidad
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Por qué fotodiodos?
Fotodiodos luz ? ?n ? Iph y/o Vph
Vph

-
?
?? iph
P
N
Como batería...
Como detector ? ? iph
Células fotovoltaicas
iv lt 0
? rápidos, sensibles, IR-UV, muy lineales,
baratos, pequeños, fiables, muy fáciles de
acondicionar, posible matrices, tecnología
electrónica
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Absorción banda a banda Fotocorriente en uniones
PN
1. Principio de funcionamiento
Absorción banda a banda
Fotogeneración de portadores ?n ? ??
Otros procesos de absorción por impurezas,
intrabanda, fonones ...
Atenuación de la luz d?/dx -?? ? ?(x)
?(0)exp(-?x) ? coef. de absorción 1/? long.
de penetración
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Coeficiente de absorción
Semic. directos borde de absorción abrupto
Semic. indirectos variación gradual de 1/?(?)
Importantes Silicio y GaInAs (con aa(InP))
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Fotogeneración en una unión PN
Popt (1-R) P(x) Popt(1-R)e-?x G(x)
?(Popt(x)/ h?)/A
I(V?) I(V0) - Iph
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Características I(V)
i i0(exp(V/nVT)-1) - iph
(con VT kBT y n 1-2 )
Modo Fotoconductivo
Modo Fotovoltaico
v0 ? i - iph? Popt
i0 ? v ? vTln(iph/i0)
Polarización inversa
Fotoconductor
i - (i0 iph)
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2. Estructuras Fotodiodo PN
Vbi - Vapl

• Estructura p-n-n
• Difusión desde la zona n
• W ? ? (VR Vbi )½

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Estructura de fotodiodo PIN
() alta eficiencia () predominio del arrastre ?
rapidez () ? Id (? W)
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Fotodiodos de heterounión
GaInAs/InP
() ? fuera de la ZCE
() iluminación por detrás (Eg gt h?)
() sólo arrastre ? rapidez
() no recomb. superficial
OJO ajuste parámetros de red
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Fototransistores
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3. Eficiencia cuántica y sensibilidad
Eficiencia cuántica (?)
? ? (1 - R)1- exp (-?d) ?
Sensibilidad o responsividad
? fotocorriente / potencia óptica
? ? A/W ? ?? (?m)/ 1.24
i ph e?( P/ h? )
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Análisis de la eficiencia cuántica
Optimización de ? para ? largas (PIN)
(1 - e-?W ) gt 85 ? W ? 2/? PD de silicio
?(?m) Wmin(?m) rojo 0.66?m ? 5?m IRED
0.9?m ? 40?m YAG 1.064?m ? 2000?m (Si hay
reflexión basta con Wmin/2)

• Para PN W( ?, VR)

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Optimización de ? capas antirreflejantes
Reflectividad

• ? ? 1-R
• perturbación del emisor

Pérdidas de retorno óptico
ORL(dB) 10 log(Pin /Prefl) -10 log R
Intercara semiconductor-aire
? Necesidad de capas antirreflejantes
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Capas antirreflejantes
Interferencia destructiva
n2 d2 m ?/4 con m1, 3, 5,...
Óptimo para

• d adecuado a ?
• Silicio ? Si3 N4
• (n2 1.95)

• R lt 1
• Opcional inclinación de ? 6º evitar retorno a
  fibra

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Optimización para ? cortas
PD de silicio
?? ? ?? ? absorción cerca de la superficie 1/?
(UV) ? 100 nm ? recomb. no radiativa ? ? ? exp(-?
xp) Solución NA creciente hacia la superficie (?
barrera de difusión)
?3 ? ?2 ? ?1
PD de GaInAs/InP
InP P
GaInAs I
InP N
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Ejemplos de respuesta espectral

• ? ? ??

• directos vs. indirectos

• límites ? cortas

• ? de interés

visible 0.4-0.7 ?m
NdYAG 1.064 ?m
? GaInAs
FO 1.3, 1.55?m
IR térmico 3 - 5 , 8 -14 ?m
? otros InAs, HgCdTe ...
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4. Características eléctricas
Parámetros relevantes
Corriente en oscuridad (Id) Id Id-GRId-dif
Id-surf Id-GR ? AWni /?GR , Id-dif ?
Ani2 , Id-surf ? A1/2 W ni /?surf Id? exp(-Eg
/nidealkBT) ?T25ºC? Id(Si)10 Id(Si)Id(Ge) Rs
h(dI/dV)-1V0 Rsh?nKBT/qId Cj?A(VRVbi)?-1/2
para PN Cj ?A/W ( cte) para PIN Rserie y Rsh
parásitas RL (típ.) 50 ? - 1 K?
Circuito equivalente
parásita
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Análisis del circuito equivalente Linealidad
Para IphReqltVFVR ? ? Io?Iph ?Popt ?
lineal Para IphReq? VFVR ? saturación
de la linealidad Voc ?(nKBT/q)ln(Iph/Is)
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5. Circuitos básicos
Con amplificador de transimpedancia en
polarización inversa
Con resistencia de carga
Con resistencia de carga en polarización inversa
Con amplificador de transimpedancia
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? Fenomenología ? Dependencia con ? y VR para
Si-PDs ? Optimización para GaInAs-PDs
6. Respuesta en frecuencia
Respuesta temporal y respuesta en frecuencia
tiempo de carga ?RC RLC
componente de difusión
tiempo de tránsito ?trans (W/ 2) / v
?2 ?RC2 ?trans2 ?dif2 tr (tiempo de subida
10 ? 90 ) 2.2? ?(f-3dB)?(100KHz)/?2 f-3dB
(2??)-1
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Competencia ?con la difusión
? ? ? ? 1/? ? ? difusión
? RL ? domina RC ? RL ? domina difusión
? VR ? ? W? ? ? difusión
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Optimización de f3dB
? 1- exp(-?W) W lt vsat / (?f3dB) A lt W /
(2??RLf3dB)
A y ? óptimos para ?RC ?trans (2?2 ?f3dB)-1
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Fotodiodos de avalancha
Multiplicación por avalancha
Coef. de ionización ?e , ?h , h ?h /?e
Conviene hgtgt1 o hltlt1 Ganancia (M) para hltlt1
Mexp( ?e W) ?e,?h (?)
Ventajoso si domina el ruido del circuito
(óptimo iN,shot(M) iN,thermal)
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APDs de Silicio
?e gtgt?h M100-1000 Vop? 100 volts Estructuras
SAM (Multiplicación y Absorción Separada)
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APDs de GaInAs
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7. PD Schottky principio de funcionamiento

• Diodo Shottky unión metal-semiconductor
  rectificadora
• bajo dopado y/o Eg pequeño
• Id mayor y VF menor que en diodos P-N

Mecanismos responsables de la fotocorriente

• generación banda a banda
• h? gt Eg

• Fotoemisión de electrones
• h? gt q?b ( ? MIR)

? Id (? ? ruido) pero alta velocidad ( record
mundial ! 60 GHz )
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PD Schottky estructuras y respuesta espectral

• Iluminación por delante
• No recombinación en la superficie
• ? ?(?) ? T(?)
• Capas AR/metal/semiconductor
• Iluminación por detrás (GaInAs /InP) metal
  grueso ? espejo (espesor óptico x 2)
• ? ? Rs

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8. Fabricación PD de silicio
Ej PD Epitaxial

• (Anillo de guarda p)

• Capa pasiv. y antireflectante

• Stopper n

• Contacto frontal (Al)

• Dopado p del área activa

• Contacto posterior

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Fabricación de PD de GaInAs

• Poca dependencia f3dB (?)
• ??1para 0.92? ? ? 1.65 ?m

• Interesantes 1.3 y 1.55 ?m
• ? (RC)?trans y ?dif 0

Estructuras
Cparas? Ifugas
Id ?
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Tecnología de hibridación

• Deposición y grabado
• de los pads de
• soldadura
• Contacto

• Tecnología flip-chip
• ? C y L parásitas
• iluminación por detrás
• ? area libre