โฟโต้ไดโอด

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
โฟโต้ไดโอด
โฟโตดิโอ.jpg
โฟโตไดโอดหนึ่ง Ge (บนสุด) และ Si (ล่าง) สามตัว
พิมพ์พาสซีฟ , ไดโอด
หลักการ ทำงานเปลี่ยนแสงให้เป็นกระแส
การกำหนดค่าพิน ขั้วบวกและแคโทด
สัญลักษณ์อิเล็กทรอนิกส์
IEEE 315-1975 (1993) 8.5.4.1.svg

โฟโตไดโอดเป็นไดโอดสารกึ่งตัวนำที่ไวต่อแสง [1]มันสร้างกระแสเมื่อมันดูดซับโฟตอน

แพ็คเกจของโฟโตไดโอดช่วยให้แสง (หรือรังสีอินฟราเรดหรือรังสีอัลตราไวโอเลตหรือรังสีเอกซ์) เข้าถึงส่วนที่บอบบางของอุปกรณ์ แพคเกจอาจรวมถึงเลนส์หรือตัวกรองแสง อุปกรณ์ที่ออกแบบมาเพื่อใช้เป็นโฟโตไดโอดโดยเฉพาะจะใช้จุดเชื่อมต่อ PINแทน จุดเชื่อมต่อ p–nเพื่อเพิ่มความเร็วในการตอบสนอง โฟโตไดโอดมักจะมีเวลาตอบสนองช้าลงเมื่อพื้นที่ผิวของพวกมันเพิ่มขึ้น โฟโตไดโอดได้รับการออกแบบให้ทำงานแบบไบอัสย้อนกลับ [2]เซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้สร้างพลังงานไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์คือโฟโตไดโอดที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่

โฟโตไดโอดถูกนำมาใช้ในเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรมเพื่อวัดความเข้มของแสง ไม่ว่าจะเพื่อประโยชน์ของตัวมันเองหรือเป็นการวัดคุณสมบัติอื่นๆ (เช่น ความหนาแน่นของควัน) โฟโตไดโอดสามารถใช้เป็นตัวรับข้อมูลที่เข้ารหัสบนลำแสงอินฟราเรด เช่นเดียวกับในรีโมทคอนโทรลใน ครัวเรือน โฟโตไดโอดสามารถใช้เพื่อสร้างออปโตคัปเปลอร์ ช่วยให้สามารถส่งสัญญาณระหว่างวงจรโดยไม่ต้องมีการเชื่อมต่อโลหะโดยตรงระหว่างวงจร ทำให้สามารถแยกออกจากความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าสูงได้

หลักการทำงาน

โฟโตไดโอดเป็นโครงสร้าง PINหรือ จุดเชื่อม ต่อp–n เมื่อโฟตอนที่มีพลังงานเพียงพอกระทบกับไดโอด มันจะสร้างคู่อิเล็กตรอน - โฮ ล กลไกนี้เรียกอีกอย่างว่า เอฟเฟกต์ ตาแมวภายใน หากการดูดกลืนเกิดขึ้นในบริเวณการพร่อง ของทางแยก หรือความยาวการแพร่กระจายหนึ่งระยะ สารพาหะเหล่านี้จะถูกกวาดออกจากทางแยกโดยสนามไฟฟ้าในตัวของบริเวณพร่อง ดังนั้นโฮลจะเคลื่อนไปทางขั้วบวกและอิเล็กตรอนไปทางขั้วลบและกระแสโฟ โตเคอเรนต์มีการผลิต กระแสรวมที่ไหลผ่านโฟโตไดโอดคือผลรวมของกระแสมืด (กระแสที่เกิดขึ้นในกรณีที่ไม่มีแสง) และกระแสโฟโต ดังนั้นกระแสมืดจะต้องถูกทำให้เล็กที่สุดเพื่อเพิ่มความไวของอุปกรณ์ให้ได้สูงสุด [3]

ในลำดับแรก สำหรับการกระจายสเปกตรัมที่กำหนด กระแสแสงจะแปรผันตามสัดส่วนเชิงเส้นกับการแผ่รังสี [4]

โหมดเซลล์แสงอาทิตย์

IV คุณลักษณะของโฟโตไดโอด เส้นโหลดเชิงเส้นแสดงถึงการตอบสนองของวงจรภายนอก: I=(แรงดันไบแอสประยุกต์-แรงดันไดโอด)/ความต้านทานรวม จุดตัดกับเส้นโค้งแสดงถึงกระแสและแรงดันที่เกิดขึ้นจริงสำหรับค่าไบอัส ความต้านทาน และการส่องสว่างที่กำหนด

ในโหมดเซลล์แสงอาทิตย์ (ค่าไบอัส เป็นศูนย์ ) กระแสไฟจะไหลเข้าสู่ขั้วบวกผ่านการลัดวงจรไปยังขั้วลบ ถ้าวงจรเปิดอยู่หรือมีโหลดอิมพีแดนซ์จำกัดกระแสโฟโต้ที่ออกจากอุปกรณ์ แรงดันไฟฟ้าจะก่อตัวขึ้นในทิศทางที่ไบอัสไดโอดไปข้างหน้า นั่นคือขั้วบวกเทียบกับแคโทด หากวงจรลัดวงจรหรืออิมพีแดนซ์ต่ำ กระแสไปข้างหน้าจะใช้โฟโตปัจจุบันทั้งหมดหรือบางส่วน โหมดนี้ใช้ประโยชน์จาก เอ ฟเฟกต์เซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ เซลล์แสงอาทิตย์แบบดั้งเดิมเป็นเพียงโฟโตไดโอดที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่ เพื่อให้ได้กำลังไฟฟ้าที่เหมาะสมที่สุด เซลล์แสงอาทิตย์จะทำงานที่แรงดันไฟฟ้าที่ทำให้เกิดกระแสไปข้างหน้าเพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับโฟโตเคอร์เรนต์ [4]

โหมดโฟโตคอนดักทีฟ

ในโหมดโฟโตคอนดักทีฟ ไดโอดจะถูกไบอัสแบบย้อนกลับนั่นคือ แคโทดขับเคลื่อนด้วยขั้วบวกเมื่อเทียบกับแอโนด สิ่งนี้จะลดเวลาตอบสนองลงเนื่องจากอคติย้อนกลับเพิ่มเติมจะเพิ่มความกว้างของเลเยอร์การพร่อง ซึ่งลดความจุ ของทางแยก และเพิ่มพื้นที่ด้วยสนามไฟฟ้าซึ่งจะทำให้อิเล็กตรอนถูกรวบรวมอย่างรวดเร็ว อคติย้อนกลับยังสร้างกระแสมืดโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงมากนักในกระแสแสง

แม้ว่าโหมดนี้จะเร็วกว่า แต่โหมดโฟโตคอนดักทีฟสามารถแสดงสัญญาณรบกวนอิเล็กทรอนิกส์ได้มากขึ้นเนื่องจากเอฟเฟกต์กระแสมืดหรือหิมะถล่ม [5]กระแสไฟรั่วของไดโอด PIN ที่ดีนั้นต่ำมาก (<1 nA) จนเสียงของ Johnson–Nyquistของความต้านทานโหลดในวงจรทั่วไปมักจะครอบงำ

อุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง

โฟโตไดโอด Avalancheเป็นโฟโตไดโอดที่มีโครงสร้างที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับการทำงานที่มีไบอัสย้อนกลับสูง ซึ่งเข้าใกล้แรงดันพังทลายย้อนกลับ ซึ่งช่วยให้แต่ละ พาหะที่ สร้างด้วยภาพถ่ายสามารถคูณด้วย avalanche breakdownส่งผลให้ได้รับภายในโฟโตไดโอด ซึ่งเพิ่มการตอบสนอง ที่มีประสิทธิภาพ ของอุปกรณ์ [6]

สัญลักษณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับโฟโต้ทรานซิสเตอร์

โฟโต้ทรานซิสเตอร์เป็นทรานซิสเตอร์ที่ไวต่อแสง โฟโต้ทรานซิสเตอร์ชนิดทั่วไปคือโฟโต้ทรานซิสเตอร์ แบบ สองขั้วโดยเนื้อแท้แล้วคือทรานซิสเตอร์แบบสองขั้ว ที่ ห่อหุ้มไว้ในกล่องใสเพื่อให้แสงสามารถไปถึงทางแยกของฐานและตัวสะสม มันถูกคิดค้นโดย Dr. John N. Shive (มีชื่อเสียงจากเครื่องสร้างคลื่น ) ที่ Bell Labs ในปี 1948 [7] : 205 แต่ไม่มีการประกาศจนกระทั่งปี 1950 [8]อิเล็กตรอนที่เกิดจากโฟตอนในฐาน– จุดต่อตัวสะสมถูกฉีดเข้าไปในฐาน และกระแสโฟโตไดโอดนี้จะถูกขยายโดยอัตราขยายของทรานซิสเตอร์ในปัจจุบัน β (หรือ h fe). หากใช้ฐานและขาคอลเลกเตอร์และปล่อยอิมิตเตอร์ทิ้งไว้ โฟโต้ทรานซิสเตอร์จะกลายเป็นโฟโตไดโอด ในขณะที่โฟโต้ทรานซิสเตอร์มีการตอบสนองต่อแสงที่สูงกว่า แต่ก็ไม่สามารถตรวจจับระดับแสงที่ต่ำได้ดีไปกว่าโฟโต้ไดโอด [ ต้องการอ้างอิง ]โฟโต้ทรานซิสเตอร์ยังมีเวลาตอบสนองที่นานกว่ามากอีกด้วย โฟโต้ ทรานซิสเตอร์อีกประเภทหนึ่งคือ โฟโต้ทรานซิสเตอร์ แบบเอฟเฟกต์สนาม (หรือที่เรียกว่าโฟโต้เฟต) เป็นทรานซิสเตอร์แบบเอฟเฟกต์ภาคสนามที่ไวต่อแสง photoFET ​​ต่างจากโฟโตไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์ตรงที่ควบคุมกระแสเดรนจากแหล่งจ่ายด้วยการสร้างแรงดันเกท

โซลาริสเตอร์เป็น โฟโต้ทรานซิสเตอร์ แบบไร้เกทสองขั้ว โฟโต้ทรานซิสเตอร์หรือโซลาริสเตอร์แบบสองขั้วขนาดกะทัดรัดได้รับการสาธิตในปี 2561 โดยนักวิจัยICN2 แนวคิดใหม่คือแหล่งพลังงานแบบทูอินวันพร้อมอุปกรณ์ทรานซิสเตอร์ที่ทำงานด้วยพลังงานแสงอาทิตย์โดยใช้ประโยชน์จากเอฟเฟกต์แบบเมมเรซิสทีฟในการไหลของพาหะที่สร้างด้วยแสง [9]

วัสดุ

วัสดุที่ใช้ทำโฟโตไดโอดมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการกำหนดคุณสมบัติของมัน เนื่องจากโฟตอนที่มีพลังงานเพียงพอในการกระตุ้นอิเล็กตรอนทั่วแถบแบนด์ของวัสดุเท่านั้นที่จะผลิตโฟโตเคอเรนต์ที่มีนัยสำคัญ

วัสดุที่ใช้กันทั่วไปในการผลิตโฟโตไดโอดแสดงอยู่ในตารางด้านล่าง [10]

วัสดุ
ช่วงความยาวคลื่นสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า (นาโนเมตร)
ซิลิคอน 190–1100
เจอร์เมเนียม 400–1700
อินเดียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ 800–2600
ตะกั่ว(II) ซัลไฟด์ <1,000–3500
สารปรอท แคดเมียมเทลลูไรด์ 400–14000

เนื่องจาก bandgap ที่ใหญ่กว่า โฟโตไดโอดที่ใช้ซิลิคอนจึงสร้างสัญญาณรบกวนน้อยกว่าโฟโตไดโอดที่ใช้เจอร์เมเนียม

วัสดุไบนารี เช่น MoS 2และกราฟีนกลายเป็นวัสดุใหม่สำหรับการผลิตโฟโตไดโอด [11]

เอฟเฟกต์โฟโตไดโอดที่ไม่ต้องการและต้องการ

จุดต่อ p–n ใดๆ หากสว่างขึ้น อาจเป็นโฟโตไดโอด อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ เช่น ไดโอด ทรานซิสเตอร์ และไอซีประกอบด้วยจุดแยก p-n และจะทำงานไม่ถูกต้องหากได้รับแสงจากรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (แสง) ที่ไม่ต้องการซึ่งมีความยาวคลื่นที่เหมาะสมในการสร้างกระแสไฟ [12] [13]สิ่งนี้หลีกเลี่ยงได้โดยการห่อหุ้มอุปกรณ์ไว้ในตัวเรือนทึบแสง หากตัวเรือนเหล่านี้ไม่ทึบแสงจนถึงการแผ่รังสีพลังงานสูง (รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา) ไดโอด ทรานซิสเตอร์ และไอซีอาจทำงานผิดปกติได้[14]เนื่องจากกระแสโฟโต้ที่เหนี่ยวนำ การแผ่รังสีพื้นหลังจากบรรจุภัณฑ์ก็มีความสำคัญเช่นกัน [15] การแข็งตัวของรังสีช่วยลดผลกระทบเหล่านี้

ในบางกรณี เอฟเฟ็กต์นั้นต้องการจริงๆ เช่น การใช้LEDเป็นอุปกรณ์ที่ไวต่อแสง (ดูLED เป็นเซ็นเซอร์วัดแสง ) หรือแม้แต่สำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงานซึ่งบางครั้งเรียกว่าไดโอดเปล่งแสงและดูดซับแสง (LEAD) [16]

คุณสมบัติ

การตอบสนองของโฟโต้ไดโอดซิลิคอนกับความยาวคลื่นของแสงที่ตกกระทบ

พารามิเตอร์ประสิทธิภาพที่สำคัญของโฟโตไดโอด ได้แก่ การตอบสนองเชิงสเปกตรัม กระแสมืด เวลาตอบสนอง และพลังงานเทียบเท่าสัญญาณรบกวน

การตอบสนองทางสเปกตรัม
การตอบสนองทางสเปกตรัมคืออัตราส่วนของกระแสโฟโต้ที่สร้างขึ้นต่อพลังงานแสงที่ตกกระทบ ซึ่งแสดงเป็น A / Wเมื่อใช้ในโหมดโฟโตคอนดักทีฟ การขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นอาจแสดงเป็นประสิทธิภาพควอนตัมหรืออัตราส่วนของจำนวนพาหะที่สร้างด้วยแสงต่อโฟตอนที่ตกกระทบซึ่งเป็นปริมาณที่ไม่มีหน่วย
กระแสมืด
กระแสมืดคือกระแสที่ไหลผ่านโฟโตไดโอดเมื่อไม่มีแสง เมื่อทำงานในโหมดโฟโตคอนดักทีฟ กระแสมืดรวมถึงกระแสแสงที่เกิดจากการแผ่รังสีพื้นหลังและกระแสอิ่มตัวของชุมทางสารกึ่งตัวนำ กระแสไฟมืดต้องได้รับการพิจารณาด้วยการสอบเทียบหากใช้โฟโตไดโอดเพื่อทำการวัดพลังงานแสงที่แม่นยำ และยังเป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนเมื่อใช้โฟโตไดโอดในระบบสื่อสารด้วยแสง
เวลาตอบสนอง
เวลาตอบสนองเป็นเวลาที่เครื่องตรวจจับต้องตอบสนองต่ออินพุตออปติคัล โฟตอนที่ถูกดูดซับโดยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์จะสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮล ซึ่งจะเริ่มเคลื่อนที่ในวัสดุภายใต้ผลกระทบของสนามไฟฟ้าและทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ระยะเวลาที่จำกัดของกระแสนี้เรียกว่าการแพร่กระจายของเวลาขนส่ง และสามารถประเมินได้โดยใช้ทฤษฎีบทของราโม เราสามารถแสดงได้ด้วยทฤษฎีบทนี้ว่าประจุทั้งหมดที่สร้างขึ้นในวงจรภายนอกคือeและไม่ใช่ 2e อย่างที่คาดหวังได้จากการปรากฏตัวของพาหะทั้งสอง แท้จริงแล้วอินทิกรั ลของกระแสที่เกิดจากทั้งอิเล็กตรอนและโฮลเมื่อเวลาผ่านไปจะต้องเท่ากับ e ความต้านทานและความจุของโฟโตไดโอดและวงจรภายนอกทำให้เกิดเวลาตอบสนองอื่นที่เรียกว่าค่าคงที่เวลา RC (). การรวมกันของ R และ C นี้รวมการตอบสนองของโฟโต้เมื่อเวลาผ่านไป และทำให้การตอบสนองของอิมพัลส์ของโฟโตไดโอดยาวขึ้น เมื่อใช้ในระบบสื่อสารด้วยแสง เวลาตอบสนองจะเป็นตัวกำหนดแบนด์วิธที่ใช้ได้สำหรับการมอดูเลตสัญญาณและการส่งข้อมูล
พลังงานเทียบเท่าเสียงรบกวน
พลังงานเทียบเท่าสัญญาณรบกวน (NEP) คือพลังงานออปติคัลอินพุตขั้นต่ำในการสร้างกระแสไฟ ซึ่งเท่ากับกระแสสัญญาณรบกวน rms ใน  แบนด์วิดท์ 1 เฮิรตซ์ NEP เป็นพลังงานขั้นต่ำที่ตรวจจับได้ การตรวจจับ ลักษณะที่เกี่ยวข้อง() คือส่วนผกผันของ NEP (1/NEP) และการตรวจจับเฉพาะ () คือการตรวจจับคูณด้วยรากที่สองของพื้นที่ () ของเครื่องตรวจจับด้วยแสง () สำหรับแบนด์วิธ 1 Hz การตรวจจับเฉพาะทำให้สามารถเปรียบเทียบระบบต่างๆ ได้โดยอิสระจากพื้นที่เซ็นเซอร์และแบนด์วิธของระบบ ค่าการตรวจจับที่สูงขึ้นแสดงว่าอุปกรณ์หรือระบบมีสัญญาณรบกวนต่ำ [17]แม้ว่าการให้ () ในแค็ตตาล็อกจำนวนมากเป็นตัวชี้วัดคุณภาพของไดโอด ในทางปฏิบัติ แทบจะไม่เคยเป็นพารามิเตอร์หลักเลย

เมื่อใช้โฟโตไดโอดในระบบการสื่อสารด้วยแสง พารามิเตอร์ทั้งหมดเหล่านี้มีส่วนทำให้ความไวของตัวรับแสงซึ่งเป็นกำลังไฟฟ้าเข้าขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับตัวรับเพื่อให้ได้อัตราข้อผิดพลาดบิตที่ ระบุ

แอปพลิเคชั่น

โฟโตไดโอด P–n ใช้ในแอปพลิเคชันที่คล้ายคลึงกันกับโฟโตดีเต็กเตอร์อื่นๆ เช่นโฟโตคอนดักเตอร์อุปกรณ์คู่ชาร์จ (CCD) และหลอดโฟ โตมัลติพลายเออร์ อาจใช้เพื่อสร้างเอาต์พุตที่ขึ้นอยู่กับการส่องสว่าง (อะนาล็อกสำหรับการวัด) หรือเพื่อเปลี่ยนสถานะของวงจร (ดิจิทัลสำหรับการควบคุมและการสลับหรือสำหรับการประมวลผลสัญญาณดิจิทัล)

โฟโตไดโอดใช้ใน อุปกรณ์ อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคเช่นเครื่องเล่นซีดีเครื่องตรวจจับควันอุปกรณ์ทางการแพทย์[18] และตัวรับสัญญาณสำหรับ อุปกรณ์ควบคุมระยะไกลอินฟราเรด ที่ ใช้ควบคุมอุปกรณ์จากโทรทัศน์ถึงเครื่องปรับอากาศ อาจใช้โฟโตไดโอดหรือโฟโตคอนดักเตอร์สำหรับการใช้งานหลายประเภท โฟโตเซ็นเซอร์ทั้งสองประเภทอาจใช้สำหรับการวัดแสง เช่น ในมาตรวัดแสงของกล้องหรือเพื่อตอบสนองต่อระดับแสง เช่น ในการเปิดไฟถนนในตอนกลางคืน

โฟโตเซนเซอร์ทุกประเภทอาจใช้เพื่อตอบสนองต่อแสงตกกระทบหรือแหล่งกำเนิดแสงซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของวงจรหรือระบบเดียวกัน โฟโตไดโอดมักจะรวมกันเป็นส่วนประกอบเดียวโดยมีอิมิตเตอร์ของแสง โดยปกติจะเป็นไดโอดเปล่งแสง (LED) เพื่อตรวจจับการมีสิ่งกีดขวางเชิงกลกับลำแสง ( สวิตช์ออปติคัลแบบสล็อต ) หรือต่อวงจรดิจิตอลหรืออนาล็อกสองวงจรในขณะที่รักษาการแยกทางไฟฟ้า ที่สูงมาก ระหว่างกัน เพื่อความปลอดภัย ( ออปโตคัป เปลอร์ ) การรวมกันของ LED และโฟโตไดโอดยังใช้ใน ระบบ เซ็นเซอร์ หลาย ตัวเพื่อระบุลักษณะเฉพาะของผลิตภัณฑ์ประเภทต่างๆ ตามค่า การดูดกลืนแสง

โฟโตไดโอดมักจะใช้สำหรับการวัดความเข้มของแสงอย่างแม่นยำในทางวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรม โดยทั่วไปจะมีการตอบสนองเชิงเส้นมากกว่าตัวนำแสง

นอกจากนี้ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในแอปพลิเคชันทางการแพทย์ต่างๆ เช่น เครื่องตรวจจับสำหรับการตรวจเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ (ควบคู่กับ เครื่องฉาย แสง ) เครื่องมือวิเคราะห์ตัวอย่าง ( อิม มูโนแอสเซย์) และ เครื่องวัด ค่า ออกซิเจนในเลือด ของชีพจร

ไดโอด PINนั้นเร็วกว่าและไวกว่าไดโอด p-n Junction มาก ดังนั้นจึงมักใช้สำหรับการสื่อสารด้วยแสงและในการควบคุมแสง

โฟโตไดโอด P–n ไม่ได้ใช้วัดความเข้มของแสงที่ต่ำมาก หากจำเป็นต้องใช้ความไวแสงสูง โฟโตได โอดถล่มอุปกรณ์คู่ประจุไฟฟ้าที่มีความเข้มข้นมากขึ้นหรือหลอด โฟโตมัลติพลายเออร์ จะใช้สำหรับการใช้งานต่างๆ เช่นดาราศาสตร์สเปกโทรสโกปีอุปกรณ์การมองเห็นตอนกลางคืนและการหา ระยะด้วยเลเซอร์

เปรียบเทียบกับโฟโตมัลติพลายเออร์

ข้อดีเมื่อเปรียบเทียบกับตัวคูณโฟโต้ : [19]

  1. ความเป็นเชิงเส้นที่ยอดเยี่ยมของกระแสไฟขาออกที่เป็นฟังก์ชันของแสงที่ตกกระทบ
  2. การตอบสนองทางสเปกตรัมตั้งแต่ 190 นาโนเมตรถึง 1100 นาโนเมตร ( ซิลิกอน ) ความยาวคลื่นที่ ยาวกว่า ด้วยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ อื่นๆ
  3. เสียงเบา
  4. ทนทานต่อความเครียดเชิงกล
  5. ราคาถูก
  6. น้ำหนักเบาและกะทัดรัด
  7. อายุการใช้งานยาวนาน
  8. ประสิทธิภาพ ควอนตัมสูงโดยทั่วไป 60–80% [20]
  9. ไม่ต้องใช้ไฟฟ้าแรงสูง

ข้อเสียเมื่อเทียบกับตัวคูณโฟโต้ :

  1. พื้นที่ขนาดเล็ก
  2. ไม่มีอัตราขยายภายใน (ยกเว้นโฟโตไดโอด avalancheแต่โดยทั่วไปอัตราขยายคือ 10 2 –10 3เมื่อเทียบกับ 10 5 -10 8สำหรับโฟโตมัลติพลายเออร์)
  3. ความไวโดยรวมต่ำกว่ามาก
  4. การนับโฟตอนทำได้เฉพาะกับโฟโตไดโอดที่ออกแบบมาเป็นพิเศษซึ่งมักจะระบายความร้อนด้วยวงจรอิเล็กทรอนิกส์พิเศษ
  5. เวลาตอบสนองสำหรับการออกแบบจำนวนมากช้าลง
  6. ผลแฝง

โฟโตไดโอดที่ตรึงไว้

โฟโตไดโอดที่ตรึง (PPD) มีการฝังแบบตื้น (P+ หรือ N+) ในชั้นการแพร่กระจายแบบ N หรือแบบ P ตามลำดับ เหนือชั้นซับสเตรตแบบ P หรือแบบ N (ตามลำดับ) ในลักษณะที่ชั้นการแพร่ระหว่างกลางสามารถ หมดสิ้นจากพาหะส่วนใหญ่ เช่น บริเวณฐานของทรานซิสเตอร์สองขั้วทางแยก PPD (ปกติคือ PNP) ใช้ในเซ็นเซอร์ CMOS แอคทีฟพิกเซล ; ตัวแปรต้นของ NPN ที่มีเลเยอร์ N บนสุดที่โอเวอร์คล็อกถูกประดิษฐ์ขึ้นที่ Sony ในปี 1975 เพื่อใช้ในเซ็นเซอร์ภาพ CCD

เซ็นเซอร์ภาพของอุปกรณ์คู่การชาร์จในช่วงแรกประสบปัญหา ความล่าช้า ของชัตเตอร์ สิ่งนี้ได้รับการแก้ไขอย่างมากด้วยการประดิษฐ์โฟโตไดโอดแบบตรึง [21]มันถูกคิดค้นโดยNobukazu Teranishi , Hiromitsu Shiraki และ Yasuo Ishihara ที่NECในปี 1980 [21] [22]พวกเขาตระหนักว่าความล่าช้าสามารถกำจัดได้หากสามารถถ่ายโอนพาหะนำสัญญาณจากโฟโตไดโอดไปยัง CCD สิ่งนี้นำไปสู่การประดิษฐ์โฟโตไดโอดแบบตรึง ซึ่งเป็นโครงสร้างเครื่องตรวจจับด้วยแสงที่มีความล่าช้าต่ำสัญญาณรบกวน ต่ำ ประสิทธิภาพควอนตัมสูงและกระแสมืดต่ำ [21]มีการรายงานสู่สาธารณะเป็นครั้งแรกโดย Teranishi และ Ishihara ร่วมกับ A. Kohono, E. Oda และ K. Arai ในปี 1982 โดยมีการเพิ่มโครงสร้างป้องกันการบานสะพรั่ง [21] [23]โครงสร้างตัวตรวจจับแสงแบบใหม่ที่ประดิษฐ์ขึ้นที่ NEC ได้รับการตั้งชื่อว่า "โฟโตไดโอดที่ปักหมุด" (PPD) โดย BC Burkey ที่ Kodak ในปี 1984 ในปี 1987 PPD เริ่มถูกรวมเข้ากับเซ็นเซอร์ CCD ส่วนใหญ่ และกลายเป็นอุปกรณ์ติดตั้งในกล้องวิดีโออิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค และ กล้องถ่าย ภาพนิ่งดิจิทัล [21]

ในปี 1994 Eric Fossumขณะทำงานที่ Jet Propulsion Laboratory (JPL) ของ NASA ได้เสนอการปรับปรุงเซ็นเซอร์CMOSนั่นคือการรวมโฟโตไดโอดที่ตรึงไว้ เซ็นเซอร์ CMOS ที่มีเทคโนโลยี PPD ประดิษฐ์ขึ้นครั้งแรกในปี 1995 โดยทีมร่วมของ JPL และKodakซึ่งรวมถึง Fossum ร่วมกับ PPK Lee, RC Gee, RM Guidash และ TH Lee ตั้งแต่นั้นมา PPD ได้ถูกนำไปใช้ในเซ็นเซอร์ CMOS เกือบทั้งหมด เซ็นเซอร์ CMOS พร้อมเทคโนโลยี PPD ได้รับการพัฒนาและปรับปรุงเพิ่มเติมโดย RM Guidash ในปี 1997, K. Yonemoto และ H. Sumi ในปี 2000 และ I. Inoue ในปี 2003 ซึ่งส่งผลให้เซ็นเซอร์ CMOS บรรลุประสิทธิภาพการถ่ายภาพเทียบเท่ากับเซ็นเซอร์ CCD และหลังจากนั้น เกินเซ็นเซอร์ CCD [21]

อาร์เรย์โฟโต้ไดโอด

ชิปอาร์เรย์โฟโตไดโอดหนึ่งมิติที่มีไดโอดมากกว่า 200 ตัวในแนวขวางตรงกลาง
อาร์เรย์โฟโตไดโอดสองมิติที่มีขนาดเพียง 4 × 4 พิกเซลตรงบริเวณด้านซ้ายของ ชิปเซ็นเซอร์ ออปติคัลเมาส์ตัวแรก ค. 2525.

อาร์เรย์หนึ่งมิติของโฟโตไดโอดหลายร้อยหรือหลายพันสามารถใช้เป็นเซนเซอร์ ตำแหน่ง ได้ เช่น เป็นส่วนหนึ่งของเซนเซอร์วัดมุม [24] อาร์เรย์สองมิติใช้ในเซ็นเซอร์รับภาพและเมาส์ออปติคอ

ในบางแอปพลิเคชัน โฟโตไดโอดอาร์เรย์อนุญาตให้อ่านค่าแบบขนานความเร็วสูงได้ ซึ่งตรงข้ามกับการรวมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์การสแกนไว้ในอุปกรณ์ชาร์จคู่ (CCD) หรือเซ็นเซอร์CMOS ชิปเมาส์ออปติคัลที่แสดงในภาพมีการเข้าถึงแบบขนาน (ไม่ใช่มัลติเพล็กซ์) ไปยังโฟโตไดโอดทั้ง 16 ตัวในอาร์เรย์ 4 × 4

เซ็นเซอร์รับภาพแบบพาสซีฟพิกเซล

เซ็นเซอร์พิกเซลแบบพาสซีฟ ( PPS) เป็นโฟโตไดโอดอาร์เรย์ประเภทหนึ่ง เป็นสารตั้งต้นของเซ็นเซอร์แอคทีฟพิกเซล (APS) [21]เซ็นเซอร์พิกเซลแบบพาสซีฟประกอบด้วยพิกเซลแบบพาสซีฟซึ่งอ่านได้โดยไม่ต้องขยายโดยแต่ละพิกเซลประกอบด้วยโฟโตไดโอดและสวิตช์มอ สเฟต [25]ในโฟโตไดโอดอาร์เรย์ พิกเซลประกอบด้วยจุดแยก p–n ตัวเก็บประจุรวมและมอ สเฟตเป็น ทรานซิสเตอร์ที่ เลือก โฟโตไดโอดอาร์เรย์เสนอโดย G. Weckler ในปี 1968 ก่อน CCD [26]นี่เป็นพื้นฐานสำหรับ PPS [21]

บาง ครั้งสัญญาณรบกวนของโฟโตไดโอดอาร์เรย์ก็เป็นข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพ ไม่สามารถประดิษฐ์เซ็นเซอร์แอกทีฟพิกเซลที่มีขนาดพิกเซลใช้งานได้จริงในปี 1970 เนื่องจากเทคโนโลยีไมโคร ลิโทกราฟีที่จำกัดในขณะนั้น [26]

ดูเพิ่มเติม

อ้างอิง

สาธารณสมบัติ บทความนี้รวมเนื้อหาสาธารณสมบัติจาก Federal Standard 1037C การบริหารบริการทั่วไป . เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อ 2022-01-22

  1. ^ แพร์ซอล, โทมัส (2553). Photonics Essentials พิมพ์ครั้งที่ 2 แมคกรอว์-ฮิลล์ ไอเอสบีเอ็น 978-0-07-162935-5. เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อ 2021-08-17 . สืบค้นเมื่อ2021-02-25 .
  2. คอคส์, เจมส์ เอฟ. (2544). พื้นฐานของอิเลคทรอนิคส์เชิงเส้น: รวมและแยก การเรียนรู้ Cengage หน้า 91–. ไอเอสบีเอ็น 978-0-7668-3018-9.
  3. ↑ Tavernier, Filip and Steyaert , Michiel (2011)เครื่องรับออปติคัลความเร็วสูงพร้อมโฟโตไดโอดในตัวใน CMOSระดับนาโน สปริงเกอร์. ไอ1-4419-9924-8 _ บทที่ 3จากแสงสู่กระแสไฟฟ้า – โฟโตไดโอด 
  4. ↑ a b Häberlin , ไฮน์ริช (2012). เซลล์แสงอาทิตย์: การออกแบบและปฏิบัติระบบ จอห์น ไวลีย์ แอนด์ ซันส์ หน้า SA3–PA11–14. ไอเอสบีเอ็น 9781119978381. สืบค้นเมื่อ19 เมษายน 2562 .
  5. ^ "หมายเหตุการใช้งานโฟโต้ไดโอด – Excelitas – ดูหมายเหตุ 4" (PDF ) เก็บถาวรจากต้นฉบับ(PDF) เมื่อ 2014-11-13 สืบค้นเมื่อ2014-11-13
  6. แพร์ซอล, โทมัส; พอลแล็ค, มาร์ติน (2528). สารกึ่งตัวนำแบบผสม โฟโตไดโอด สารกึ่งตัวนำและสารกึ่งโลหะ เล่ม ที่22D เอลส์เวียร์. หน้า 173–245. ดอย : 10.1016/S0080-8784(08)62953-1 .
  7. ริออร์แดน, ไมเคิล ; ฮอดเดสัน, ลิเลียน (2541). Crystal Fire: การประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์และการกำเนิดของยุคสารสนเทศ ไอเอสบีเอ็น 9780393318517.
  8. ^ "โฟโต้ทรานซิสเตอร์" . บันทึกห้องปฏิบัติการเบลล์ . พฤษภาคม 2493
  9. เปเรซ-โทมัส, อามาดอร์; ลิม่า, อันเดอร์สัน ; บิลลอน, เควนติน; เชอร์ลี่ย์, เอียน ; คาตาลัน, กุสเตา ; ลีรา-กันตู, โมนิกา (2018). "ทรานซิสเตอร์พลังงานแสงอาทิตย์และหน่วยความจำโฟโตเฟอร์โรอิเล็กทริก" . วัสดุการทำงานขั้นสูง 28 (17): 1707099. doi : 10.1002/adfm.201707099 . hdl : 10261/199048 . ISSN 1616-3028 . 
  10. ^ จัดขึ้น G, Introduction to Light Emitting Diode Technology and Applications, CRC Press, (ทั่วโลก, 2008) ช. 5 น. 116.ไอ1-4200-7662-0 
  11. ^ หยิน Zongyou; ลี่, ไห่; หลี่ หง ; เจียง, หลิน; ชิ, ยูเมง; ซัน, อิงฮุย; ลู, แก๊งค์; จาง ชิง; เฉิน, เซียวตง ; จาง หัว (21 ธันวาคม 2554). "โฟโต้ทรานซิสเตอร์แบบชั้นเดียว MoS" เอซีเอ สนาโน 6 (1): 74–80. arXiv : 1310.8066 . ดอย : 10.1021/nn2024557 . PMID 22165908 . S2CID 27038582 _  
  12. Shanfield, Z. et al (1988)การตรวจสอบผลกระทบของรังสีต่ออุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์และวงจรรวม[ ลิงก์ตาย ] , DNA-TR-88-221
  13. ↑ Iniewski , Krzysztof (ed.) (2010), Radiation Effects in Semiconductors , CRC Press, ISBN 978-1-4398-2694-2 
  14. ^ เซลเลอร์, HR (1995). "ความล้มเหลวที่เกิดจากรังสีคอสมิกในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง" โซลิดสเตตอิเลคทรอนิคส์ . 38 (12): 2041–2046. รหัส: 1995SSEle..38.2041Z . ดอย : 10.1016/0038-1101(95)00082-5 .
  15. พฤษภาคม TC; วูดส์ MH (1979) "ข้อผิดพลาดแบบนุ่มนวลที่เกิดจากอนุภาคแอลฟาในความทรงจำไดนามิก" ธุรกรรม IEEE บนอุปกรณ์อิเล็กตรอน 26 (1): 2–9. รหัส : 1979ITED ...26....2M . ดอย : 10.1109/T-ED.1979.19370 . S2CID 43748644 _ อ้างถึงในBaumann, RC (2004) "ข้อผิดพลาดแบบซอฟต์ในวงจรรวมเชิงพาณิชย์". วารสารระหว่างประเทศของอิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูงและระบบ . 14 (2): 299–309. ดอย : 10.1142/S0129156404002363 . อนุภาคแอลฟาที่ปล่อยออกมาจากการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติของไอโซโทปของยูเรเนียม ทอเรียม และไอโซโทปลูกซึ่งปรากฏอยู่ในสิ่งเจือปนในวัสดุบรรจุภัณฑ์นั้นพบว่าเป็นสาเหตุหลักของ [อัตราความผิดพลาดแบบอ่อน] ใน [ความทรงจำเข้าถึงโดยสุ่มแบบไดนามิก]
  16. ↑ แอร์ซเบอร์เกอร์, อาร์โน ( 2016-06-21 ). "Halbleitertechnik จาก LED fehlt จาก Doppelpfeil" . อิเล็กทรอนิกส์ (ในภาษาเยอรมัน) เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อ 2017-02-14 . สืบค้นเมื่อ2017-02-14 .
  17. Brooker, Graham (2009) Introduction to Sensors for Ranging and Imaging , สำนักพิมพ์ไซเทค หน้า 87.ไอ9781891121746 
  18. E. Aguilar Pelaez et al., "การลดกำลังไฟ LED เพื่อการลดค่าความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดของผู้ป่วย," 2007 การประชุมนานาชาติประจำปีครั้งที่ 29 ของ IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Lyon, 2007, pp. 2296-2299 ดอย: 10.1109/IEMBS.2007.4352784, URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4352784&isnumber=4352185
  19. ^ คู่มือทางเทคนิคโฟโตไดโอด เก็บเมื่อ 2007-01-04 ที่ Wayback Machineบนเว็บไซต์ Hamamatsu
  20. นอลล์, FG (2010). การตรวจหาและวัดรังสี , พิมพ์ครั้งที่ 4. ไวลีย์, โฮโบเกน, นิวเจอร์ซีย์ หน้า 298.ไอ978-0-470-13148-0 
  21. อรรถเป็น c d อี f g h ฟอสซัม เอริค ร. ; ฮอนดงวา, DB (2014). "การทบทวนโฟโต้ไดโอดแบบตรึงสำหรับเซ็นเซอร์ภาพ CCD และ CMOS" . วารสาร IEEE ของสมาคมอุปกรณ์อิเล็กตรอน 2 (3): 33–43. ดอย : 10.1109/JEDS.2014.2306412 .
  22. ^ สิทธิบัตรสหรัฐอเมริกา 4,484,210: อุปกรณ์ถ่ายภาพโซลิดสเตตที่มีความล่าช้าของภาพลดลง
  23. เทรานิชิ, โนบุซากุ ; โคโฮโนะ, อ.; อิชิฮาระ, ยาสุโอะ ; โอดะ, อี.; Arai, K. (ธันวาคม 2525). "ไม่มีโครงสร้างโฟโตไดโอดภาพล่าช้าในเซ็นเซอร์ภาพ CCD แบบอินเตอร์ไลน์" การประชุมอุปกรณ์อิเลคตรอนระหว่างประเทศ พ.ศ. 2525 : 324–327. ดอย : 10.1109/IEDM.1982.190285 . S2CID 44669969 _ 
  24. ^ เกาเหว่ย (2553). นาโนมาตรวิทยาที่ แม่นยำ: เซ็นเซอร์และระบบการวัดสำหรับการผลิตนาโน สปริงเกอร์. หน้า 15–16 ไอเอสบีเอ็น  978-1-84996-253-7.
  25. ^ Kozlowski แอลเจ; ลู, เจ; ไคลน์ฮานส์ เรา; Liu, T. (14 กันยายน 2541). "การเปรียบเทียบรูปแบบพิกเซลแบบพาสซีฟและแบบแอ็คทีฟสำหรับอิมเมจที่มองเห็นได้ CMOS" . อิเล็กทรอนิกส์ที่อ่านค่าอินฟราเรด IV . สมาคมระหว่างประเทศเพื่อทัศนศาสตร์และโฟโตนิกส์ 3360 : 101–110. รหัส: 1998SPIE.3360..101K . ดอย : 10.1117/12.584474 . S2CID 123351913 _ 
  26. อรรถa b ฟอสซัม เอริค อาร์. (12 กรกฎาคม 2536) บลูค, มอร์ลีย์ เอ็ม. (เอ็ด). "เซ็นเซอร์แบบแอคทีฟพิกเซล: CCDs เป็นไดโนเสาร์หรือไม่" การดำเนินการของ SPIE ฉบับที่ พ.ศ. 2443: อุปกรณ์ชาร์จคู่และเซ็นเซอร์ออปติคัลโซลิดสเตต III สมาคมระหว่างประเทศเพื่อทัศนศาสตร์และโฟโตนิกส์ 1900 : 2–14. รหัส : 1993SPIE.1900 ....2F . CiteSeerX 10.1.1.408.6558 . ดอย : 10.1117/12.148585 . S2CID 10556755 _  

ลิงค์ภายนอก