O que é fotodiodo PIN? | São 5+ características e usos importantes

Tópico de discussão: Fotodiodo PIN

O que é fotodiodo PIN?

Um fotodiodo é um diodo de junção PN que opera em polarização reversa. Como o nome sugere, o fotodiodo PIN é um tipo particular de fotodiodo no qual uma camada intrínseca é colocada entre uma camada do tipo p fortemente dopada e uma camada do tipo n fortemente dopada. Como a resistividade diminui com o aumento da impureza e vice-versa, as camadas p e n têm resistividade muito baixa, enquanto a resistividade na camada I é muito alta. O fotodiodo PIN possui uma grande região de depleção que é usada na recepção de luz.

Fotodiodo PIN
“Eis o fotodiodo!” by tobo está licenciado sob CC BY-SA 2.0

Fotodiodo PIN Símbolo

Símbolo de fotodiodo PIN

A representação simbólica do fotodiodo PIN é a mesma do diodo de junção pn padrão, exceto pelas setas para baixo sobre o diodo, que indicam luz.

Estrutura do fotodiodo PIN

Estrutura do fotodiodo PIN

O PIN-fotodiodo compreende três camadas - camada p, camada I ou intrínseca e camada n. A camada P é dopada com uma impureza trivalente e a camada N é dopada com uma impureza pentavalente. A camada I é não dopada ou muito levemente dopada. O terminal P atua como ânodo e o terminal N atua como cátodo. Ao contrário do geral Diodo de junção PN, a largura da camada intrínseca no fotodiodo PIN é maior.

Pode ser construído de duas maneiras:

  • Estrutura Planar: Nesse tipo de estrutura, um fino filme epitaxial é fabricado na camada p.
  • Estrutura da mesa: Nesse tipo de estrutura, camadas semicondutoras já dopadas crescem na camada intrínseca.

Diagrama de circuito de fotodiodo PIN

Diagrama de circuito do fotodiodo PIN

O fotodiodo PIN funciona como fotodetector apenas quando está funcionando em polarização reversa. O ânodo é conectado ao terminal negativo da bateria. O lado positivo da bateria é conectado ao cátodo por meio de um resistor.

Operação do fotodiodo pino | Princípio de funcionamento do fotodiodo PIN

  • Quando a polarização reversa é aplicada ao dispositivo, a região de depleção começa a se expandir na camada intrínseca. A largura vai aumentando até atingir a espessura da camada I.
  • Como resultado, a região de esgotamento fica livre de quaisquer operadoras de celular. Portanto, nenhuma corrente flui. Neste ponto, nenhuma recombinação elétron-buraco ocorre na região de depleção.
  • Quando a luz de energia suficiente ( h? ≥ energia do bandgap do semicondutor) entra na região I, cada fóton absorvido gera um par elétron-buraco. Esses pares experimentam uma grande força devido ao campo elétrico de barreira presente na região de depleção. Essa força separa os pares e os portadores de carga se movem em direções opostas e a corrente é gerada. Assim, a energia óptica é convertida em energia elétrica.
  • Como a corrente é gerada a partir da energia luminosa, é chamada fotocorrente e escrito como Ip.

Características do fotodiodo PIN

  • Resistividade: Ele oferece baixa resistividade nas camadas P e N (menos que 1kΩ / cm) e alta resistividade na camada I (até 100 kΩ / cm)
  • capacitância: Como a capacitância é inversamente proporcional ao intervalo entre as camadas P e N, a capacitância neste fotodiodo é menor do que o diodo padrão.    

CodeCogsEqn 39 convert.io

Onde ?0= valor dielétrico do espaço livre

             ?r= constante dielétrica do semicondutor

             A = área da camada intrínseca

             d = largura da região de depleção

  • Queda de tensão: A camada intrínseca alarga a região de depleção, devido à qual a tensão de ruptura é muito alta.
  • O fluxo da corrente: O fluxo de corrente é diretamente proporcional à quantidade de luz incidente no detector.
  • Condição de polarização direta: Se for operado no modo de polarização direta, a largura da camada de depleção reduz e a corrente flui. Nesse caso, o diodo se comporta como um resistor variável.
  • Eficiência quântica(?): É referido ao número de pares de elétron-buraco gerados por fóton com energia h?
  • Responsividade: Ele mede o ganho de saída por entrada (fóton).

Modos de operação no fotodiodo PIN

Possui basicamente dois modos de operação -

  • Modo fotovoltaico imparcial 
  • Modo fotocondutivo com polarização reversa 

Curvas de fotodiodo IV PIN

gráfico 1
gráfico 2

Diagrama de pino de fotodiodo

Configuração de pinos

Configuração de pino de fotodiodo

               Nome do pin              identificação
                  Cátodo             Mais curto em comprimento
                   anódio              Maior em comprimento

Fotodiodo de 3 pinos

Fotodiodo de 3 pinos
Fotodiodo Si PIN
crédito da imagem: HAMAMATSU Instrumentos

Os fotodiodos de três pinos são fotodiodos de silicone de alta velocidade especialmente projetados para detectar luz infravermelha próxima. Em baixa polarização, esses dispositivos fornecem a facilidade de características de banda larga, o que os torna utilizáveis ​​para comunicação óptica e outras fotometria.

Ruído no fotodiodo PIN

O ruído se refere a qualquer ocorrência indesejável ou erro no sinal de informação recebido. É o amálgama de energias perturbadoras provenientes de diferentes fontes.

A seguir estão os ruídos atribuídos ao ruído total de um fotodiodo:

  • Quantum ou ruído de tiro
  • Ruído de corrente escura
  • Ruído térmico

Enquanto os primeiros dois tipos de ruídos são gerados a partir da natureza estatística do procedimento de conversão de fóton em elétron, o ruído térmico está associado ao circuito do amplificador.

Ruído quântico ou de disparo: 

Isso acontece devido ao processo de conversão do próton para o elétron. O processo de Poisson é seguido aqui. Valor médio do quadrado do ruído do tiro iq na fotocorrente ip é,

CodeCogsEqn 40 convert.io

Onde, q = carga de um elétron

             B = largura de banda

Ruído de corrente escura:

A corrente escura é a corrente que flui através do circuito quando nenhuma luz incide no fotodetector. Tem dois componentes principais- ruído de corrente escura em massa e ruído de corrente de fuga de superfície. A corrente escura em massa é o resultado de buracos e elétrons gerados termicamente na junção PN.

Valor médio do quadrado do ruído de corrente escura em massa idb na corrente escura id é,

CodeCogsEqn 41 convert.io

Valor médio quadrático do ruído da corrente de fuga de superfície ids na superfície de fuga de corrente iL é,

CodeCogsEqn 42 convert.io

Ruído Térmico:

Também é chamado de ruído de Johnson. O ruído térmico do resistor de carga é muito maior do que o ruído térmico do amplificador, pois a resistência de carga tem um valor menor do que a resistência do amplificador.

Portanto, o valor médio quadrático do ruído térmico ir devido à resistência de carga RL

CodeCogsEqn 43 convert.io

 Onde KB= Constante de Boltzmann

             T = temperatura absoluta

             B = largura de banda

Fotodiodo PIN InGaAs

InGaAs (arsenieto de gálio e índio) é uma liga de arsenieto de índio e arsenieto de gálio. O arsenieto de gálio pode converter eletricidade em luz coerente com eficiência.

InGaAs PIN-Photodiode ou fotodetectores são dispositivos optoeletrônicos capazes de fornecer eficiência quântica muito alta que pode variar de 800 a 1700 nm. Eles exibem baixa capacitância em largura de banda estendida, alta linearidade, alta sensibilidade devido ao aumento da resistência, baixa corrente escura e uniformidade na área ativa do detector. Todas essas características ajudam a aumentar a flexibilidade e oferecem uma ampla gama de aplicações.

GaAs PIN Fotodiodo

GaAs (arsenieto de gálio) é um semicondutor que possui alta mobilidade de elétrons e alta velocidade de elétrons do que o silício. Ele pode funcionar em frequências muito altas.

Fotodiodos GaAs PIN são usados ​​na detecção de sinais ópticos em 850 nm. Possui uma grande área de ativação que garante uma resposta estável e sensível. Isso também pode ser usado em telecomunicações ópticas como receptores ópticos, em máquinas de teste, etc. Os fotodiodos GaAs fornecem resposta rápida, baixa corrente escura e alta confiabilidade.

Detector de fotodiodo PIN

O fotodetector é usado para converter o sinal de luz em sinal elétrico, sua amplificação e processamento posterior. Em sistemas de fibra óptica, o fotodetector é um elemento essencial. Fotodiodos semicondutores estão entre os detectores mais amplamente usados, pois oferecem excelente desempenho, são pequenos em tamanho e baixo custo.

Exemplo: fotodiodo de arseneto de gálio, fotodiodo de arsenieto de gálio e índio, etc.

Fotodiodo PIN em comunicação óptica

 Os fotodetectores são usados ​​intensamente no setor automotivo, para fins médicos, equipamentos de segurança, câmeras, indústria, astronomia e, o mais importante, nas comunicações. Existem dois mecanismos fotoelétricos distintos disponíveis para fotodetecção:

  1. Efeito externo: Tubos PMT ou fotomultiplicadores
  2. Efeito interno: fotodiodos de junção PN, fotodiodos PIN, fotodiodos de avalanche         

Princípio de fotodetecção:       

  • Ocorre fotogeração de par elétron-buraco
  • A junção do PIN é polarizada reversa
  • A região de depleção vê deriva do portador
  • O par elétron-buraco se move na direção oposta e causa fotocorrente

Detector de radiação de fotodiodo PIN | Detector de gama fotodiodo PIN

Os fotodiodos PIN são capazes de detectar fótons individuais na radiação gama. Um fotodiodo PIN, um comparador e quatro amplificadores operacionais são usados ​​juntos neste processo.  

 Na condição de polarização reversa, quando os fótons atingem a região de depleção, eles produzem uma pequena carga diretamente proporcional à energia dos fótons. O sinal resultante fica amplificado e filtrado pelos amplificadores operacionais. Comparador distingue o sinal e o ruído. A saída final do comparador mostra um pulso alto toda vez que um fóton gama com energia mínima necessária atinge o fotodiodo PIN.

Receptor de fotodiodo PIN

Receptores óticos são responsáveis ​​pela conversão de energia ótica em elétrica. O elemento mais importante do receptor óptico é o fotodiodo.

O receptor deve primeiro detectar sinais distorcidos e fracos e então, com base na versão amplificada desse sinal, decidir que tipo de dados foi enviado. Erros provenientes de várias fontes podem ser encontrados associados ao sinal. Portanto, os sinais devem ser controlados e processados ​​com a máxima precisão, pois a consideração do ruído é um fator significativo no projeto do receptor.

Fotodiodo PIN de silicone

Os fotodiodos de silicone ou Si PIN podem acomodar diferentes aplicações. Devido à estrutura do PIN, ele produz uma resposta rápida e alta frequência quântica para detectar fótons. Eles são capazes de detecção de luz na faixa de 250 nm a 1.1 μm. Ele detecta radiação de alta energia em altas frequências. A largura da região de depleção varia de 0.5 a 0.7 mm.

Detector de fotodiodo Si PIN

Em fotodiodos PIN, a região de depleção quase coincide com a camada intrínseca. A geração da portadora de carga ocorre devido à radiação incidente.

 Junto com a radiação de luz, radiação gama, radiação X, partículas também podem gerar portadores de carga.

Quando os fótons se encontram com o contato metálico do diodo, ele produz pares de elétron-buraco em grande número. Eletrodos os coletam e o sinal é gerado. Os pares de elétron-buraco que são mais móveis ajudam a receber sinais facilmente detectáveis. Esses são posteriormente processados ​​por meio de um amplificador de baixo ruído, e o analisador detecta a quantidade de radiação dos pulsos.

Matriz de fotodiodo PIN

Os arranjos de fotodíodos são geralmente usados ​​em máquinas de raios-X, digitalizando o objeto na imagem linha por linha. Os raios X são transformados em luz através do cristal cintilador. Em seguida, o fotodiodo mede a intensidade da luz.

Fotodiodo PIN de alta velocidade

Os fotodiodos PIN de alta velocidade são preferidos por seu acionamento preciso em relação à intensidade do sinal, sensibilidade aprimorada, baixa tensão operacional e alta largura de banda.

Amplificador de fotodiodo PIN

Amplificadores operacionais são usados ​​com um resistor de feedback para converter fotocorrente em tensão mensurável. É também chamado de amplificador de impedância trans.

Aplicação de fotodiodo de pino

Os fotodiodos PIN são um dos fotodiodos mais populares que possuem características variadas, tornando-os adequados para diferentes aplicações. Além da detecção de fotos, ele é usado em reprodutores de DVD, unidades de CD, interruptores, tratamento médico e muito mais.

  • ‌ Retificador de alta tensão: A camada intrínseca fornece uma maior separação entre a região P e N, permitindo que tensões reversas mais altas sejam toleradas.
  • Interruptores de micro-ondas controlados por RF e DC: A camada intrínseca aumenta a distância entre as camadas P e N. Também diminui a capacitância, aumentando assim o isolamento na condição de polarização reversa.
  • Células fotodetectoras e fotovoltaicas: A conversação do leve ao atual ocorre na região de esgotamento. Como a largura da camada intrínseca é maior, melhora o desempenho de captura de luz.
  • RF e atenuadores variáveis
  • ‌ Circuito modulador RF
  • Máquina de ressonância magnética

Vantagens e desvantagens do fotodiodo PIN

Vantagens do fotodiodo PIN

  • ‌Tem alta sensibilidade à luz.
  • ‌A velocidade de resposta é alta.
  • ‌Sua largura de banda é ampla.
  • ‌ O custo de implementação é baixo.
  • ‌ Gera baixo ruído.
  • ‌ A sensibilidade à temperatura é baixa.
  • ‌ É pequeno em tamanho.
  • ‌ Longevidade melhor do que diodos padrão.

Desvantagens do fotodiodo PIN

  • ‌Ele só pode ser operado na condição de polarização reversa.
  • ‌ A tensão aplicada deve ser baixa.
  • ‌ É sensível a todo tipo de luz.
  • ‌ As especificações de temperatura devem ser mantidas.

Perguntas Frequentes:

Qual é a utilidade da capacitância polar no fotodetector PIN?

A capacitância polar significa que a capacitor placas são eletrodos com polaridade positiva e negativa. Em um fotodetector PIN, as camadas P e N atuam como eletrodos, e como a largura da camada de depleção é vasta; o valor da capacitância é baixo. Devido à baixa capacitância, a velocidade melhora.

Qual é a vantagem do fotodiodo PIN?

Possui alta sensibilidade, baixo ruído, ampla largura de banda e baixo custo de implementação. a explicação detalhada está na seção superior.

O que significa I em Fotodiodo PIN?

I em fotodiodo PIN significa camada intrínseca.

Qual é a diferença entre um fotodiodo regular e um fotodiodo PIN?

O aumento da camada intrínseca torna os fotodiodos PIN capazes de transportar mais corrente e também melhora a resposta de frequência. A explicação detalhada está na seção superior.

Quais são as desvantagens do fotodiodo PIN?

É altamente sensível à luz e pode funcionar bem apenas em polarização reversa.

O que é fotodiodo e seu símbolo?

Um fotodiodo é um semicondutor que converte a energia da luz em energia elétrica.

Símbolo

O que é uma matriz de fotodiodo?

É um sensor utilizado em fotodetecção, espectrofotometria, etc.

Qual é o fotodiodo mais comumente usado?

O fotodiodo PIN é o mais comumente usado foto-diodo.

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