Estructuras De Fotodiodos – Estructuras PN Y PIN Y Materiales

La estructura del fotodiodo tiene una gran influencia en la forma en que cualquier dispositivo funciona como un fotodetector. La estructura y los materiales del fotodiodo gobiernan la forma en que el fotodiodo funciona y factores como el tamaño del área de unión, incluyendo un área intrínseca, aumentan el tamaño del área o volumen sobre el que se pueden recoger fotos de luz.

Como resultado, la estructura, los materiales y el mecanismo utilizado para el fotodiodo son de gran importancia. Se usan diversas estructuras de fotodiodos diferentes, que varían según el tipo de fotodiodo de que se trate.

La estructuras de fotodiodos de avalancha son diferentes a las utilizadas para los fotodiodos PIN o PN. La estructura de fotodiodo Schottky es de nuevo diferente. Sin embargo, todas las estructuras de fotodiodos están diseñadas para optimizar la recogida y conversión de la luz

 

Estructuras de fotodiodos PN y PIN

El diodo de unión PN estándar puede proporcionar las funciones de un fotodiodo. Sin embargo, uno de los requisitos clave para un fotodiodo es un área adecuada para la recolección de la luz.

Dentro de una unión PN estándar esto es relativamente pequeño, pero el área puede ser aumentada usando un diodo PIN. Como el área intrínseca está incluida en la unión activa para la recolección de luz, hay un área mucho más grande para la recolección de luz, lo que hace que el fotodiodo PIN sea más eficaz.

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En el proceso de fabricación del fotodiodo se inserta una gruesa capa intrínseca entre las capas de tipo P y tipo N. Esta capa intrínseca media puede ser completamente intrínseca, o muy ligeramente dopada para hacerla y la capa N-. En algunos casos puede crecer como una capa epitaxial sobre el sustrato, o alternativamente puede estar contenida dentro del propio sustrato.

Estructuras de fotodiodos PN y PIN

Uno de los principales requisitos del fotodiodo es asegurar que la máxima cantidad de luz llegue a la capa intrínseca. Una de las formas más eficientes de lograrlo es colocar los contactos eléctricos al lado del dispositivo, como se muestra.

Esto permite que la máxima cantidad de luz alcance el área activa. Se ha descubierto que como el sustrato está fuertemente dopado, hay muy poca pérdida de luz debido al hecho de que esta no es el área activa.

Como la luz se absorbe mayormente dentro de una cierta distancia, el grosor de la capa intrínseca está normalmente hecho para igualar esto. Cualquier incremento en el grosor por encima de esto tenderá a reducir la velocidad de operación, un factor vital en muchas aplicaciones, y no mejorará mucho la eficiencia.

También es posible hacer que la luz entre en el fotodiodo desde el lado de la unión. Operando el fotodiodo de esta manera, la capa intrínseca puede hacerse mucho menor para aumentar la velocidad de operación, aunque la eficiencia se reduce.

En pocos casos puede utilizarse una heterojunción. Esta forma de estructura tiene la flexibilidad adicional de que la luz puede ser recibida desde el sustrato y esto tiene una mayor brecha de energía que la hace transparente a la luz.

Estructuras de fotodiodos PN y PIN

El formato de heterojunción de un fotodiodo PIN utiliza una tecnología menos normalizada que a menudo utiliza materiales como los InGaAs e InP representados en el diagrama. Al ser un proceso menos estándar, es más costoso de implementar y como resultado tiende a ser utilizado para productos más especializados.

Materiales del fotodiodo PN / PIN

Los materiales para los fotodiodos determinan muchas de sus características. Una de las propiedades o características clave es la longitud de onda de la luz a la que responde el diodo. Otra es el nivel de ruido. Ambos están regidos en gran medida por el material utilizado en el fotodiodo.

La respuesta variable a la longitud de onda causada por el uso de los diferentes materiales se produce porque sólo los fotones con suficiente energía para excitar un electrón a través del espacio de banda del material producirán una energía significativa para desarrollar la corriente del fotodiodo.

RANGOS DE LONGITUDES DE ONDA PARA LOS MATERIALES DE FOTODIODO COMÚNMENTE UTILIZADOS
MATERIAL LONGITUD DE ONDA

SENSIBILIDAD (NM)

Germanio 800 – 1700
Arseniuro de indio y galio 800 – 2600
Sulfuro de plomo ~1000 – 3500
Silicio 190 – 1100

Si bien la sensibilidad a la longitud de onda del material es muy importante, otro parámetro que puede tener un gran impacto en el rendimiento del fotodiodo es el nivel de ruido que se produce.

Debido a su mayor espacio de banda, los fotodiodos de silicio no hacen tanto ruido como los de germanio. Sin embargo, también es necesario considerar las longitudes de onda para las que se requiere el fotodiodo y los fotodiodos de germanio deben utilizarse para longitudes de onda superiores a aproximadamente 1000 nm.

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Estructura del fotodiodo de avalancha

Ls caracteristicas del fotodiodo de avalancha es relativamente similar a la de la estructura del fotodiodo PN, que es la más utilizada, o a la del fotodiodo PIN. Sin embargo, como el fotodiodo de avalancha funciona bajo un alto nivel de sesgo inverso, se coloca un anillo de protección alrededor del perímetro de la unión del diodo. Esto previene los mecanismos de ruptura de la superficie.

Estructura del fotodiodo de avalancha

Los materiales del fotodiodo de avalancha

Al igual que los fotodiodos PN o PIN estándar, los materiales utilizados tienen un efecto importante en la determinación de las características del diodo de avalancha.

MATERIALES DE FOTODIODO DE AVALANCHA COMÚNMENTE USADOS
MATERIAL PROPIEDADES
Germanio Se puede utilizar para longitudes de onda en la región 800 – 1700 nm. Tiene un alto nivel de ruido de multiplicación.
Silicio Se puede utilizar para longitudes de onda en la región entre 190 – 1100 nm. Los diodos exhiben un nivel comparativamente bajo de ruido de multiplicación cuando se comparan con los que utilizan otros materiales, y en particular el germanio.
Arseniuro de indio y galio Se puede utilizar para longitudes de onda de hasta 1600 nm y tiene un nivel de ruido de multiplicación menor que el germanio.

Para un rendimiento óptimo del ruido se necesita una gran diferencia en los coeficientes de ionización de los electrones y los agujeros. El silicio proporciona un buen rendimiento de ruido con una relación entre los diferentes coeficientes de 50.

El germanio y muchos compuestos del grupo III-V sólo tienen coeficientes inferiores a 2. Aunque el rendimiento acústico de estos materiales es muy inferior, es necesario utilizarlos para longitudes de onda más largas que requieren la menor brecha energética que se ofrece.

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