Fotodiyot

Fotodiyot, görünür ışık, kızılötesi veya ultraviyole radyasyon, X ışınları ve gama ışınları gibi foton radyasyonuna duyarlı bir yarı iletken diyottur. Fotodiyot, fotonları emdiğinde akım veya voltaj Fotovoltaikleri üreten bir PN yarı iletken malzemedir.Semiconductor Optoelectronics (Farhan Rana, Cornell Üniversitesi).

Bir Ge (üstte) ve üç Si (altta) fotodiyot

sembol

Fotodiyotlar için elektron uyarımının fiziği, tipik olarak bir Fotodirenç olarak veya Fototiristörlerdeki anahtarlar olarak uygulanan fotoiletkenliğe benzer.

Fotodiyotlar algılama ve ölçüm uygulamaları için kullanılabilir veya güneş pillerinde elektrik enerjisi üretimi için optimize edilebilir. Fotodiyotlar, IR, görünür ışık, UV fotosellerden gama ışını spektrometrelerine kadar elektromanyetik spektrum boyunca geniş bir uygulama yelpazesinde kullanılır.

Fotodiyot, tıkama yönündeki akımı ışıkla kontrol edilen bir yarı iletken elemanıdır.

Fotodiyot, üzerine düşen ışıkla orantılı voltaj da üretir. Ancak bu özelliği yerine genellikle uygulamada ters polarite de beslenir ve sızıntı akımının ışıkla orantılı değişmesi özelliğinden yararlanılır. Pozometrelerde, hırsız alarm sistemlerinde, tv, müzik seti vs uzaktan kumanda aletlerinde otomatik açılır kapanır kapı sistemlerinde, otomatik çalışan gece lambalarında ışık algılayıcısı olarak kullanılmaktadır.

Işığın girebilmesi için katot bölgesine açılan şeffaf bir pencere bulunmaktadır. Fotodiyot, tıkama yönünde devreye bağlanır. Karanlıkta tıkama yönünde 1 mikroamper civarında, küçük değerli bir akım akar. Fotodiyotun katot kısmına ışık düşürülünce, tıkama yönündeki akım ışıkla orantılı olarak artar. İdeal olarak karanlıkta açık devre ve aydınlıkta kısa devre gibi kabul edilebilir. Fotodiyotların uygulama alanları fotodirençlere benzer.

Fotodiyota tıkama yönünde bir gerilim uygulandığı zaman, bir fotoiletken eleman ve iletim yönünde gerilim olduğu zaman ise fotovoltaik eleman özelliğindedir. Çeşitli ölçü ve kontrol düzenlerinde fotodiyotun bu iki özelliğinden faydalanılmaktadır.

Fotodiyotun cevap zamanı, fotodirençten daha hızlıdır. Dolayısıyla, fotodiyotlar ışık değişimleri hızlı olan yüksek frekanslı uygulamalarda kullanılır.

Çalışma prensibi

Bir fotodiyot bir PIN yapısı veya p-n bağlantısıdır. Yeterli enerjiye sahip bir foton diyota çarptığında bir elektron-delik çifti oluşturur. Bu mekanizma aynı zamanda iç fotoelektrik etki olarak da bilinir. Eğer soğurma, kavşağın tükenme bölgesinde veya ondan bir difüzyon uzunluğu uzakta meydana gelirse, bu taşıyıcılar, tükenme bölgesinin yerleşik elektrik alanı tarafından kavşaktan süpürülür. Böylece delikler anoda, elektronlar katoda doğru hareket eder ve bir fotoakım üretilir. Fotodiyottan geçen toplam akım, karanlık akım (ışık olmadığında geçirilen akım) ve fotoakımın toplamıdır, dolayısıyla cihazın hassasiyetini maksimuma çıkarmak için karanlık akımın en aza indirilmesi gerekir. Birinci dereceden, belirli bir spektral dağılım için fotoakım, ışınımla doğrusal orantılıdır.

Silikon fotodiyot spektral yanıtı

Tasarım tanımlı spektral yanıta sahip silikon fotodetektörler tanımlanmıştır. Bu amaçla, genel olarak mikro işleme modern teknolojilerinden ve özellikle entegre silikon fotodedektörün iki özelliğinden yararlanılmaktadır. İlk olarak, soğurma katsayısının dalga boyu bağımlılığından yararlanılmaktadır. İkinci olarak, pn-birleşimindeki çok katmanlı girişim filtresinin bir silikon levhanın işlenmesiyle geliştirildiği gerçeğinden yararlanılmaktadır. Silikon kompleks kırılma indisi, n * = n - jk, 1.12 eV'de dolaylı bir bant boşluğu ve 3.4 eV'de doğrudan bir geçiş olasılığı nedeniyle spektrumun fark edilebilir kısmında dalga boyuna bağlıdır, bu da malzemenin UV radyasyonunu yüksek oranda emmesini sağlar ve ayrıca 800 nm'nin üzerindeki dalga boyları için pratik olarak şeffaf bir malzeme gibi davranır. Bu mekanizma, renk sensörlerinin ve ayrıca IR veya UV dizisinde ayırt edici tepkiye sahip fotodiyotların tasarımına izin verir. İnce filmlerden oluşan bir yüzey yığını ile olay ışığının hacimsel silikona iletimi dalga boyuna bağlıdır. Silikonda geleneksel mikroelektronik işlemlerle gerekli uyumluluk, ideal malzeme aralığını entegre devre üretimi için geleneksel olarak kullanılan silikon uyumlu malzemelerle sınırlar. Simülasyonun tahmin kalitesini artırmak için kristal Si, termal olarak büyütülmüş SiO2, LPCVD polisilikon, silisyum nitrür (düşük kayıplı ve stokiyometrik) ve ayrıca oksitler (LTO, PSG, BSG, BPSG), PECVD oksinitrürler ve ince film metaller hakkında kesin veriler sağlanmıştır. Tam bir mikro spektrometre için, difüzyon bileşenini imal etmek üzere tipik olarak mikro işleme eylemleri kullanılır. Fabry-Perot ızgarası veya etalon temelinde görünür veya kızılötesi spektral dizide çalışan cihazlar sunulmuştur.