Características de las diferentes tecnologías de fotodiodos

Conozca las diferencias entre los fotodiodos de silicio y los fotodiodos fabricados con otros materiales semiconductores.

En este artículo, discutiremos algunos tipos diferentes de tecnologías de fotodiodos y las fortalezas y desventajas de los semiconductores utilizados para crearlos, a saber, el silicio

Esta es la cuarta parte de nuestra serie en fotodiodos, que lo preparará para aprender más sobre el uso de fotodiodos en circuitos sensibles a la luz y sus aplicaciones. Si desea leer el resto, consulte los enlaces a continuación.

• Si desea aprender los conceptos básicos, comience con el primer artículo, que analiza la física de la luz y cómo se utilizan las uniones pn para formar diodos.
• La segunda pieza se centra en las uniones pn que son sensibles a la luz.
• La tercera pieza cubre los diodos fotoconductores y fotovoltaicos.
• La pieza final analiza el circuito equivalente de fotodiodo.

El fotodiodo de silicio

El silicio definitivamente no es un material semiconductor exótico, pero hace un fotodiodo fino. Los fotodiodos de silicio son una excelente opción para muchas aplicaciones de luz visible.

Esta es la restricción principal a tener en cuenta con el silicio:es sensible principalmente a las longitudes de onda de la luz visible. En muchos sistemas, como un atenuador de luz que responde a los niveles de luz ambiental, esto es exactamente lo que desea. Un fotodiodo de silicio mejorado por infrarrojos le dará más sensibilidad a las longitudes de onda en la región del infrarrojo cercano, si eso es importante en su aplicación.

Este gráfico del Manual de fotodiodos de silicio de Hamamatsu muestra la respuesta espectral para una variedad de sus productos fotodetectores de silicio. QE significa eficiencia cuántica.

Los fotodiodos de silicio son excelentes detectores de luz de uso general. Son confiables y están ampliamente disponibles, su respuesta eléctrica a la iluminancia es altamente lineal y tienen un buen rendimiento de ancho de banda y corriente oscura. De hecho, los fotodiodos de menor corriente oscura y de mayor velocidad vendidos por Thorlabs son dispositivos de silicio.

Detectores de infrarrojos

Antimonuro de indio (InSb)

Cuando pienso en fotodiodos, el primer material que me viene a la mente es InSb. Es mucho menos común que el silicio, pero se quemó en mi conciencia de ingeniería porque uno de los proyectos corporativos más importantes en los que he trabajado fue construido alrededor de una serie de fotodiodos InSb.

InSb es sensible al infrarrojo de longitud de onda corta y media y ofrece un rendimiento excelente para aplicaciones que deben detectar firmas de calor en lugar de luz visible. Sin embargo, para aprovechar InSb al máximo, deberá realizar un esfuerzo adicional, es decir, enfriar el fotodiodo a temperaturas criogénicas. Hacen cosas llamadas dewars que albergan el diodo y retienen nitrógeno líquido. Usted llena el Dewar con LN2, y luego su detector InSb está listo para la máxima sensibilidad.

Arseniuro de indio y galio (InGaAs) y germanio (Ge)

InGaAs se utiliza ampliamente como material detector de infrarrojos rápido y de alta sensibilidad. A diferencia de InSb, se usa comúnmente a temperatura ambiente y tiene un poco de capacidad de respuesta adicional en longitudes de onda más cortas:InSb se extiende hasta aproximadamente 1 µm, mientras que el rango de InGaAs desciende a aproximadamente 0,7 µm.

El germanio es similar a InGaAs con respecto a la respuesta espectral y funciona a temperatura ambiente. InGaAs puede lograr una relación señal / ruido significativamente más alta.

Telururo de mercurio y cadmio (HgCdTe)

El telururo de mercurio y cadmio tiene un papel importante como detector para aplicaciones de infrarrojos de longitud de onda larga. La respuesta espectral de InGaAs e InSb disminuye gradualmente a 2-3 µm y 5-6 µm, respectivamente, mientras que HgCdTe se extiende hasta 16 µm. El IR de longitud de onda larga (LWIR) se utiliza para la detección e imágenes térmicas pasivas.

Al igual que los detectores InSb, los detectores de HgCdTe se enfrían a temperaturas criogénicas. Este es un inconveniente importante y muchos dispositivos utilizan microbolómetros no refrigerados para la obtención de imágenes LWIR; Los microbolómetros responden directamente a la energía térmica, a diferencia de los fotodiodos, que responden a los fotones incidentes en la radiación electromagnética. Los microbolómetros son más baratos, más pequeños y más eficientes energéticamente; HgCdTe produce imágenes de mayor calidad.

Detectores ultravioleta

Aunque el silicio es sensible principalmente a las longitudes de onda visibles, un fotodiodo de silicio se puede optimizar para mejorar la respuesta a los rayos UV. Estos dispositivos se denominan fotodiodos de silicio mejorados con UV. Ese es un enfoque para medir la luz ultravioleta.

Probablemente esté familiarizado con el carburo de silicio (SiC). Es un material semiconductor cada vez más prominente que se asocia principalmente con MOSFET de alta potencia, pero resulta que los diodos de SiC son excelentes como detectores de UV.

Los fotodiodos de carburo de silicio son dispositivos resistentes que son naturalmente sensibles solo a la luz ultravioleta en la banda de 200 nm a 400 nm.

Esta es la respuesta espectral normalizada de un fotodiodo de carburo de silicio fabricado por Electro Optical Components.

Esta respuesta espectral limitada significa que los fotodiodos de SiC no requieren filtrado óptico en sistemas que deben evitar que la luz visible o infrarroja interfiera con las mediciones de UV. Los fotodiodos de silicio mejorados con UV son solo eso:mejorados para la sensibilidad a los rayos UV. Conservan su sensibilidad a la luz visible y, de hecho, son mucho más sensibles a la luz visible que a los UV.

La relación matemática entre la potencia de la luz incidente y la fotocorriente generada se denomina capacidad de respuesta. La capacidad de respuesta máxima de SiC es bastante baja en comparación con la capacidad de respuesta máxima del silicio, pero la capacidad de respuesta máxima del silicio no es relevante para las aplicaciones UV porque se produce lejos de las longitudes de onda de los rayos UV. La capacidad de respuesta del SiC es similar a la capacidad de respuesta del silicio si observamos solo la porción de 200 a 400 nm del espectro.

Resumen

Los fotodiodos de silicio proporcionan una medición conveniente y de alto rendimiento de la iluminancia en el espectro visible. Los materiales estándar para la detección por infrarrojos son antimonuro de indio (InSb), arseniuro de indio y galio (InGaAs), germanio (Ge) y telururo de mercurio y cadmio (HgCdTe). Para aplicaciones UV, el silicio mejorado con UV es una opción, y el carburo de silicio es digno de consideración si necesita un funcionamiento confiable a alta temperatura o si su detector debe ignorar la luz visible e infrarroja.

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