CEA, curso 2011-12 Tema 7. Fotodiodos (PDs) (recortado) 1. Principio de funcionamiento 2. Materiales y estructuras 3. Eficiencia y respuesta espectral 4.(*) Circuitos básicos y respuesta en frecuencia (*): no dio tiempo a darlo y, por tanto, no entra

¿ Por qué fotodiodos? Vph + -   iph P N Células fotovoltaicas Fotodiodos: luz  n  Iph y/o Vph Vph + -   iph P N Como batería... Como detector:   iph Células fotovoltaicas Fotodiodos i·v < 0  rápidos, sensibles, IR-UV, muy lineales, baratos, pequeños, fiables, muy fáciles de acondicionar, posible matrices, tecnología electrónica  ideales para comunicaciones

Absorción (banda a banda) Fotocorriente en uniones PN Circuito equivalente 1. Principio de funcionamiento Absorción (banda a banda) Otros procesos de absorción: por impurezas, intrabanda, fonones ... dPopt/dx = -Popt  Popt (x) = Popt(0)·exp(-x)  = coeficiente de absorción longitud de penetración = 1/

Características I(V) + -   Iph P N I(V;Popt) = I(V;0) - Iph(Popt) I(V;0) ≈ I0[exp(V/VT)-1], con VT=kBT/q V depende de Eg Iph= ·Popt (=“responsividad”)  dependerá de  (=0 para  > g) y quizá de V (ya que la anchura de la ZCE puede depender de V). Circuito equivalente

Para un fotoconductor… Características I(V) Punto de funcionamiento dependiendo del circuito v=0  i = - iph Popt i=0  v  vT·ln(iph/i0) Para un fotoconductor… I V =0 >0 i = - (i0 + iph)

Análisis del circuito equivalente: Linealidad Para Iph·RL<VF+VR   -I  Iph= ·Popt  lineal Para Iph·RL VF+VR  saturación de la linealidad Voc  V

2. Materiales y estructuras Coeficiente de absorción 10-2 1 102 Longitud de penetración (m) Semic. directos: borde de absorción abrupto Semic. indirectos: variación gradual de 1/() Importantes: Silicio y GaInAs (con a=a(InP))

Fotodiodos P+N de silicio Vbi - Vapl Estructura p+-n-n+ Difusión desde la zona n W  [ ·(VR + Vbi )]½

Estructura de fotodiodo PIN  alta eficiencia  predominio del arrastre  rapidez   Id ( W)

Fotogeneración en un PD de silicio Popt,in·(1-R) Popt(x) = Popt,in·(1-R)e-x G(x) = ·(Popt(x)/ h)/A ZCE: G arrastre n : G difusión arrastre p : G difusión arrastre recomb. x

Fotodiodos de heterounión GaInAs/InP  « fuera de la ZCE  posible: iluminación por detrás (Eg > h)  sólo arrastre  rapidez  no recomb. superficial OJO: ajuste parámetros de red

Fototransistores (de silicio) (B) E  Amplificación: (+1)·Iph   veces más lento  menos lineal

3. Eficiencia cuántica y dependencia espectral _________________________________________________ nº de fotones incidentes nº de pares e-h fotogenerados que contribuyen a la corriente  =  = Iph / Popt   [A/W  = · (m)/ 1.24 Iph = q··(Popt / h )   (1 - R)·[1- exp (-d)]·  Para semic./aire: R≈30%  sin capas AR:  < 70%

Respuesta espectral de PDs de Si  largas:  pequeño (L grande) (1 - e-W ) > 85%  W  2/ (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 P+N : W( , VR)  W pasivado  cortas:  muy grande (L <100 nm)  absorción cerca de la superficie  recomb. no radiativa    exp(- xp) Soluciónes: Pasivar la superficie NA creciente hacia la superficie ( barrera de difusión)

Respuesta espectral de PD de GaInAs/InP 1 < g,InP < 2 < g,GaInAs < 3 InP P GaInAs I InP N (1):  < g,InP ≈ 0.9 m absorción en el InP superior  recombinación en superficie  ≈0 (2): g,InP <  < g,GaInAs ≈ 1.7 m absorción en el GaInAs  ≈(1 - R)·[1- exp (-W)] ≈ 1 - R (3): g,GaInAs <   no absorción   = 0  1  2 3

Ejemplos de respuesta espectral   · directos vs. indirectos  de interés: GaAs-IRED:0.9m Si visible: 0.4-0.7 m Nd:YAG: 1.064 m FO: 1.3, 1.55m  GaInAs

4. Circuitos básicos Con amplificador de transimpedancia Con resistencia de carga en polarización inversa

Respuesta temporal y respuesta en frecuencia tiempo de carga RC = RLC tiempo de tránsito trans ≈ (W/ 2) / vsat componente de difusión C ≈  A/W PN: C  [(VR+Vbi)]-1/2 PIN: C ≈ cte con VR RL (típ.) = 50  - 1 K para  larga en PDs de Si 2 ≈ RC2 + trans2 + dif2 tr (tiempo de subida 10%  90% ) = 2.2· (f-3dB)=(100KHz)/2 f-3dB = (2)-1