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Fotodiodi di metallo-semiconduttore Appunti scolastici Premium

In questo materiale didattico relativo ai fotodiodi di metallo-semiconduttore vengono trattati i seguenti argomenti. Polarizzazione del fotodiodo. Potenziale fotovoltaico.Amplificatore a transimpedenza per fotodiodo. Sensori di posizione basati su fotodiodi. Fotodiodi a valanga (apd). Fototransistor.... Vedi di più

Esame di Dispositivi elettronici a semiconduttore docente Prof. F. Della Corte

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POTENZIALE FOTOVOLTAICO

Un modo alternativo di utilizzare un fotodiodo è quello di misurare la tensione di circuito aperto.

Infatti se si applica una polarizzazione diretta ad un fotodiodo illuminato, si determina una corrente

di portatori maggioritari che ha verso opposto a quello dei portatori minoritari. Il potenziale per il

quale si annulla la corrente attraverso il dispositivo è il potenziale fotovoltaico.

Operando a circuito aperto I =0 e quindi il potenziale fotovoltaico compare ai capi del dispositivo.

D

= 0 nella:

Ponendo I D  

V

 

   nV

I I I 1 e si ottiene:

T

 

D Ph o  

 

I

 

  Ph

V n V ln 1

 

oc T  

I o

>> I

con I Ph o

Quindi il potenziale prelevato ai capi del

fotodiodo aumenta con il logaritmo

dell’intensità luminosa. circuito di polarizzazione che riduce il

rischio di portare il PD in zona non lineare

I

R +R

I L V

R L

I ph

AMPLIFICATORE A TRANSIMPEDENZA PER FOTODIODO

Un fotodiodo non è un generatore di corrente ideale, e quindi

utilizzando una resistenza per la misura della corrente prodotta

nel fotodiodo, non tutta I circolerà in R , tranne se R = 0

ph L L

Utilizzando l’ingresso di un Op.Amp. il fotodiodo

vede un corto virtuale a massa. Quindi:

v v v

  

o x x

A 0

i ph

R Z

F C J

   1

v Av Z

e

dove o x sC

C J J

v 1 1 A

A

   

o

da cui R f  

 3

F dB

sC R

1

i A 2 R C

 J F

1

ph F J

1 A

Lontano dalla frequenza di taglio, il guadagno coincide con quello che si ha con carico

), mentre la banda è notevolmente aumentata. Se si aumenta il

puramente resistivo (R

F

guadagno agendo su R , si ha una riduzione della banda.

F

SENSORI DI POSIZIONE BASATI SU FOTODIODI

Fotodiodi a quadrante:

a) circolare con finestra circolare

b) quadrato con finestra quadrata

c) quadrato con finestra a croce

d) variazione dell’area illuminata in

funzione dello spostamento (o=a, =b, x=c)

Esempio: determinazione della

posizione di una sorgente luminosa

FOTODIODI A VALANGA (APD)

I dispositivi APD sfruttano il meccanismo della moltiplicazione a valanga per amplificare il

segnale ricevuto. Per instaurare tale meccanismo, essi funzionano in condizioni di elevata

polarizzazione inversa.

Come in tutti i dispositivi in cui ha luogo un fenomeno di moltiplicazione a valanga, la

corrente risulta incrementata di un fattore M dato da:

1

 

 in cui w è l’ampiezza della regione di

 

 

w x

 

  

     

'

 

 svuotamento e , sono i coef-

M 1 exp dx dx n p

n n p

 

 ficienti di ionizzazione di elettroni e

0 0 lacune. 1

  M

Per ed uguali e costanti attraverso la rcs si ottiene: 

n p 1 w

 n

Si ha breakdown quando w = 1.

n

All’aumentare del guadagno, il fenomeno di valanga persiste sempre più a lungo dopo la fine

dello stimolo luminoso, e quindi si riduce la velocità del dispositivo.

   3

Per = ed M , il 

*

G BW

n p con t = w/v , t = w/v

  n n p p

prodotto guadagno*larghezza di t t

  

n p

2  

banda vale approssimativamente: (v = vel. di sat.)

 

2

Nella progettazione e realizzazione degli APD occorre garantire che la moltiplicazione sia

uniforme attraverso la sezione del dispositivo, evitando picchi di campo elettrico

localizzati che possono dar vita a fenomeni di breakdown.

Le correnti di dispersione (leakage) ai bordi della giunzione, e le variazioni del campo

elettrico legate a fenomeni di curvatura, sono limitate attraverso la creazione di anelli di

guardia (guard ring).

Il processo di moltiplicazione è per sua natura statistico perché il parametro M fluttua.

Per questo motivo i diodi APD sono caratterizzati da rumore generalmente molto

elevato. FOTOTRANSISTOR

Il fototransistor è un dispositivo optoelettronico per la rivelazione di luce molto più

sensibile del fotodiodo. Esso sfrutta il guadagno di corrente interno di un BJT per

amplificare la fotocorrente prodotta dalla radiazione.

La raccolta avviene alla giunzione

base-collettore, che per questo

motivo ha una superficie maggiore

rispetto al caso di un BJT normale.

Il terminale di base normalmente

non è polarizzato, per cui l’effetto

fotovoltaico al diodo B-C (p-n) alza il

potenziale di base riducendo la

barriera alla giunzione E-B.

Ne consegue un aumento dell’iniezione di elettroni da E verso C. La corrente di emettitore è:

 

I I I

E ph ph - ELEVATO RUMORE )

- BASSA VELOCITA’ ( grande area

Charge Coupled Devices - CCD

L’applicazione più comune dei CCD è

nei sensori di immagini. Il sensore è

organizzato come un array di singoli

sensori (condensatori MOS o fotodiodi)

parzialmente esposti alla radiazione.

I fotoni incidenti generano localmente

coppie e-h che vengono separati dal

campo. Il numero di elettroni

accumulati è funzione dell’intensità

luminosa, della sua composizione

spettrale e del tempo di esposizione.

La struttura periodica consente il

trasferimento degli elettroni lungo la

riga, in fondo alla quale è presente un

“dispositivo di misura”, in grado di

convertire il numero di elettroni in un

potenziale.

La generazione termica concorre ad accumulare elettroni nei pixel, per cui ogni sensore

deve essere svuotato prima dell’esposizione ed il tempo di esposizione deve essere breve.


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Atreyu

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+1 anno fa


DESCRIZIONE DISPENSA

In questo materiale didattico relativo ai fotodiodi di metallo-semiconduttore vengono trattati i seguenti argomenti. Polarizzazione del fotodiodo. Potenziale fotovoltaico.Amplificatore a transimpedenza per fotodiodo. Sensori di posizione basati su fotodiodi. Fotodiodi a valanga (apd). Fototransistor. Charge coupled devices - ccd. Sensori di immagini integrati. Sensori integrati di immagini. Sensori integrati di immagini a colori. Pirometro. Rumore nei dispositivi a semiconduttore.


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in ingegneria elettronica
SSD:
A.A.: 2011-2012

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Atreyu di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Dispositivi elettronici a semiconduttore e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Mediterranea - Unirc o del prof Della Corte Francesco Giuseppe.

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