Sin ttulo de diapositiva

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FOTODIODOSPrincipio de funcionamiento,
características y tecnología
Pedro Castrillo Romón Departamento de E. y
Electrónica. Universidad de Valladolid
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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
4
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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Fotodiodos
1. Principio de funcionamiento
Características
2. Eficiencia y respuesta espectral
3. Características eléctricas
4. Relación señal-ruido
5. Respuesta en frecuencia
6. Diseño y fabricación
Otros fotodiodos
7. Fotodiodos Schottky
8. Fotodiodos de avalancha
9. Fototransistores
10. Mejoras para ultra-alta frecuencia
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Absorción banda a banda Fotocorriente en uniones
PN Estructuras de fotodiodos
1. Principio de funcionamiento
Absorción banda a banda
Fotogeneración de portadores ?n ? ??
Otros procesos de absorción excitónica, 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 (?)
conservación de E conservación de k
semicond. directos
semicond. indirectos
rab(?) ? ?? ?(?) fv (E1) 1 - fc (E2)
1
?(h?) semicond. directos
? cte (h? - Eg)1/2 ?r (h ?)2
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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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Estructura de 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
AlGaAs/GaAs
() ? fuera de la ZCE
() (iluminación por detrás) en el caso de que Eg
gt h?
() sólo arrastre ? rapidez
() no recomb. superficial
OJO ajuste parámetros de red
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Fotodiodos
? Análisis de la eficiencia y de la
responsividad ? Optimización de la respuesta
espectral ? Ejemplos de respuesta espectral ?
Otros parámetros relacionados
1. Principio de funcionamiento
Características
2. Eficiencia y respuesta espectral
3. Características eléctricas
4. Relación señal-ruido
5. Respuesta en frecuencia
6. Diseño y fabricación
Otros fotodiodos
7. Fotodiodos Schottky
8. Fotodiodos de avalancha
9. Fototransistores
10. Mejoras para ultra-alta frecuencia
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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
difusión en la zona n
arrastre en la ZCE
?nph
0
x-W
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Análisis de la eficiencia cuántica (II)
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 0.4-0.78 ?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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Respuesta angular ?rel(? )
A veces se representa ?(? )cos ? Acm2 / W
? iph/ densidad de potencia óptica ya
que Aef A cos ?
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? Parámetros relevantes ? Circuito equivalente ?
Relación señal-ruido
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/n KBT) ?T25ºC? Id(Si)10 Id(Si)Id(Ge)
Rsh(dI/dV)-1V0 Rsh?nKBT/qId Cj?A(VR0.6)?-
1/2 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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Relación señal-ruido
Ruido shot fotogeneración fondo
oscuridad iNsh 2 2qI?f
Ruido térmico iNth 2 (4kT/Req)?f
iN 2 iNsh 2 iNth 2 iNd 2 iNb 2 Relación
señal ruido SNRi Iph /iN
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• Optimizar SNR
• ? Req ? RL ? Rsh
• ? Id ? T
• ? ?f detección
• síncrona

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? Fenomenología ? Casos en que domina RC ? Casos
en que domina ? -trans. ? Optimización
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? ?(f3dB)?(100KHz)/?2 f3dB
(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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Fabricación de 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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Estructuras tipo mesa (cont.)

• Ataque húmedo
• y limpieza óxidos

• Pasivación polyimida

• Vía de contacto (RIE)

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Estructuras tipo mesa

• Substrato n

• Epitaxia
• buffer layer SL
• capa activa GaInAs
• capa recubridora p

• Adelgazar substrato

• Contactos
• Ni/AuGe/Au y Ti/Pt/Au

• Capa antirreflectante

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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

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Fotodiodos
1. Principio de funcionamiento
Características
2. Eficiencia y respuesta espectral
3. Características eléctricas
4. Relación señal-ruido
5. Respuesta en frecuencia
6. Diseño y fabricación
Otros fotodiodos
7. Fotodiodos Schottky
8. Fotodiodos de avalancha
9. Fototransistores
10. Mejoras para ultra-alta frecuencia
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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

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

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PD Schottky características
Respuesta en frecuencia
Respuesta espectral
Respuesta temporal
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• ? Multiplicación por avalancha
• Características
• Estructuras

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 (?)
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Conveniencia de APD
señal Iph MIph(M1) ruido iN,shot
MiN,shot(M1)F1/2 F ltM2gt/ M2 1 ?M2/ M2 F
hM (1-h)(2- 1/M) ? mejoran la SNR cuando
domina el ruido del circuito ? SNR óptima
para iN,shot(Mopt) 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
43
Fototransistores
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Otros dispositivos Fotodiodos en guía de ondas
Estructura de guía
Iluminación lateral
Integración con otros dispositivos
Disociación entre ? y ?
? posible mejora de ?f3dB (para iluminación por
superficie ?f3dB ? 20 GHz)
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Ejemplo de PD integrado en guía de onda

• Integración monolítica con
• guía de onda pasiva

• Acoplamiento de campo evanescente

• Optimización separada del acoplamiento fibra-chip

• ? 1.55 ?m f3dB45 GHz ?0.22 A/W

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Hemos visto ...

• interacción luz-semiconductores y
  heteroestructuras

• análisis como dispositivo electrónico

• características como circuito

• respuestas en frecuencia hasta ? 50 GHz

• tecnología Si y III - Vs

• cómo mejorar velocidad y conseguir ganancia

• Falta por ver ...
• circuitos, sistemas y aplicaciones