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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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FOTODIODI METALLO-SEMICONDUTTORE

Il problema dell’assorbimento di fotoni nella regione neutra frontale può essere risolto

ricorrendo a diodi metallo-semiconduttore. Se il metallo utilizzato è trasparente o molto

sottile, l’assorbimento in questo strato può essere trascurabile.

E > h > q utile per la rivelazione di fotoni a

g B

bassa energia

h > Eg e V < V (pol. inversa), simile al caso del

m

pin, ma senza regione neutra frontale, utile per la

rivelazione di fotoni ad alta energia ( grande)

(pol. inversa), moltiplicazione a

h > Eg e V > V

m

valanga Fotodiodo Au/Si con strato

antiriflesso in ZnS

Anche i fotodiodi ad eterogiunzione consentono di abbattere in modo considerevole

il numero di fotoni assorbiti nella regione superficiale.

In questo esempio la regione frontale n

è composta da InP, che ha una E = 1.3

g

eV (950 nm), mentre la regione di

assorbimento è in In Ga As con E

0.53 0.47 g

= 0.73 eV (1670 nm). I fotoni con >

950 nm attraversano l’InP per essere

assorbiti nella rcs, che invece è

trasparente ai fotoni con > 1670 nm.

Per ottenere un’elevata R, è

fondamentale l’assenza di difetti

reticolari all’interfaccia.

P-GaAs =1.55 m

Fotodiodo integrato per

Esempio

Una barra di semiconduttore intrinseco con concentrazione intrinseca trascurabile al

buio è esposta ad una sorgente luminosa. 18 -3 -1

a) assumendo una generazione uniforme g =510 cm s , determinare la

n

  s

2 -1 -1

conducibilità del semiconduttore. Utilizzare = =100 cm V s e = =10

n p n p

b) determinare quanto tempo occorre affinché la conducibilità diminuisca di e=2.71

volte dopo lo spegnimento della sorgente luminosa.

Esempio

A causa dell’assorbimento, non è sempre possibile ipotizzare una foto-generazione

uniforme in un semiconduttore. Infatti la generazione vale localmente: g (x) = g (0)

n n

exp(- x) in cui è il coefficiente di assorbimento del materiale.

Assumendo che la regione intrinseca è completamente

19 -3 -1

svuotata, che la generazione superficiale è g =10 cm s ,

o

 m

-1 , che l’area di giunzione

che l’assorbimento è = 0.01

2

è 1 mm , calcolare la fotocorrente che si genera nella

regione svuotata. POLARIZZAZIONE DEL

FOTODIODO

Il modo più semplice di utilizzare un

fotodiodo consiste nel polarizzarlo

inversamente attraverso un

resistore, misurando su questo la

caduta prodotta dalla corrente

fotogenerata.

Per correnti elevate c’è il rischio di

portare il dispositivo a funzionare in

polarizzazione diretta (zona non

lineare).

Il guadagno di transimpedenza

per segnali variabili è:

v R

o 

i 1 sRC

ph J

e quindi per avere elevato guadagno

occorre R grande. Ma questo riduce

la banda passante.

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


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Atreyu

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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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