Fotodioda - budowa, działanie, zastosowanie
Fotodioda jest półprzewodnikowym detektorem promieniowania optycznego, który przekształca strumień fotonów w prąd elektryczny dzięki wewnętrznemu efektowi fotoelektrycznemu. Stanowi podstawowy element torów optoelektronicznych, od czujników światła po szybkie odbiorniki światłowodowe. Jej własności wynikają z doboru materiału, geometrii złącza oraz warunków polaryzacji, co pozwala równoważyć czułość, szybkość i szumy. Artykuł opisuje definicję, konstrukcję, mechanizmy działania oraz praktyczne zastosowania fotodiod.
Czym jest fotodioda?
Fotodioda to złącze półprzewodnikowe p-n, które generuje mierzalny prąd pod wpływem absorpcji fotonów o energii przekraczającej przerwę energetyczną materiału. Może pracować w trybie fotowoltaicznym (bez polaryzacji, generując siłę elektromotoryczną) lub fotoprzewodzącym (z polaryzacją zaporową, gdzie prąd jest proporcjonalny do mocy optycznej). W odróżnieniu od ogniwa słonecznego, typowa fotodioda jest zoptymalizowana do szybkości i niskiej pojemności, a nie do maksymalnej mocy wyjściowej.
Jej czułość prądowa, określana jako responsywność, zależy od długości fali i materiału; dla krzemu osiąga typowo 0,2-0,65 A/W w zakresie 400-900 nm, a dla InGaAs 0,7-1,0 A/W w pobliżu 1000-1700 nm. Parametry użytkowe ograniczają prąd ciemny i związane z nim szumy, co wpływa na minimalną wykrywalną moc optyczną i dynamiczny zakres sygnału. W porównaniu do fototranzystorów fotodiody zapewniają krótszy czas odpowiedzi i lepszą liniowość kosztem braku wewnętrznego wzmocnienia (z wyjątkiem fotodiod lawinowych). Charakterystyka widmowa jest pochodną przerwy energetycznej: krzem (Eg ≈ 1,12 eV) traci czułość powyżej ok. 1100 nm, a german (Eg ≈ 0,66 eV) rozszerza zakres do około 1,6-1,8 μm kosztem wyższego prądu ciemnego. Fotodiody znajdują zastosowanie w precyzyjnych pomiarach optycznych oraz szybkiej komunikacji, gdzie liczą się stabilność i powtarzalność parametrów.
Budowa fotodiody
Budowa fotodiody determinuje parametry elektryczne, widmowe i szumowe poprzez geometrię złącza, profil domieszkowania oraz obróbkę powierzchni. Dominują struktury PIN, w których warstwa o małym domieszkowaniu zapewnia szeroki obszar zubożony i niską pojemność przy umiarkowanym napięciu wstecznym. Poniżej przedstawiono elementy konstrukcyjne i ich wpływ na sprawność, prąd ciemny i pasmo.
Struktura PIN
Warstwa i w fotodiodzie PIN jest słabo domieszkowana, zwykle o grubości od kilkuset nanometrów do kilkudziesięciu mikrometrów, w zależności od materiału i docelowej długości fali. Obszary p+ i n+ są silnie domieszkowane (rzędu 10^18-10^19 cm^-3), aby uzyskać niską rezystancję kontaktów i ostre przejścia potencjału. Przy polaryzacji wstecznej obszar zubożony rozszerza się niemal w całości w warstwę i, co minimalizuje pojemność złącza i skraca czas dryfu nośników. Grubość i dopasowuje się tak, by bilansować głębokość absorpcji i czas tranzytu, unikając ograniczeń pasma przez transit-time.
Obszar zubożony i pojemność złącza
Pojemność złącza maleje wraz ze wzrostem szerokości obszaru zubożonego i odwrotnie proporcjonalnie do napięcia wstecznego w zakresie przed przebiciem. Dla struktur o średnicy aktywnej 0,3-5 mm pojemności typowo mieszczą się od pojedynczych pikofaradów do kilkudziesięciu pikofaradów. Wysoka przenikalność elektryczna materiału oraz duża powierzchnia aktywna zwiększają pojemność, co obniża górną częstotliwość graniczną toru TIA. Projekt uwzględnia także nieidealności krawędzi, gdzie lokalne zawężenie obszaru zubożonego może zwiększać prąd powierzchniowy.
Profil domieszkowania i kształtowanie pola
Profil domieszkowania determinuję rozkład pola elektrycznego, a tym samym efektywny dryf fotonośników i stabilność przed przebiciem krawędziowym. Gradienty domieszek i przejścia stopniowane ograniczają związane z nimi bariery potencjału i umożliwiają łagodne przejście pola w regionach przejściowych. W strukturach z dużą warstwą i dąży się do pola bliskiego jednorodnemu, aby utrzymać jednakowy czas dryfu w całym obszarze. Parametry implantacji i termicznego wygrzewania kalibruje się tak, aby uzyskać docelową głębokość i profil koncentracji akceptorów i donorów.
Technologia planarowa złącz
Złącze realizuje się w technologii planarowej przez implantację jonową lub dyfuzję z precyzyjną kontrolą energii i dawki. Tlenkowanie i osadzanie azotku krzemu zabezpiecza powierzchnię oraz definiuje okna aktywne i pola ochronne. Planarowe krawędzie złącza zmniejszają koncentrację pola w narożach, w odróżnieniu od struktur mesa wymagających dodatkowej pasywacji bocznych ścian. Sekwencja procesowa obejmuje również litografię pod pierścienie ochronne, metalizację kontaktów i końcową obróbkę termiczną.
Pasywacja dielektryczna powierzchni
Warstwy SiO2 i Si3N4 redukują gęstość pułapek powierzchniowych, obniżając prąd upływu i rekombinację powierzchniową. Ładunki stałe w dielektrykach kształtują lokalne pole przy powierzchni, co wymaga doboru grubości i stosu (np. SiO2/Si3N4), aby uniknąć kanałów przewodzenia. Niska szybkość rekombinacji powierzchniowej poprawia odpowiedź impulsową i ogranicza efekt ogona po impulsie świetlnym. Stabilność pasywacji testuje się termicznie i wilgotnościowo, aby ocenić dryft prądu ciemnego w czasie.
Powłoki przeciwodblaskowe
Pojedyncze warstwy ćwierćfalowe z SiO2 lub Si3N4 minimalizują odbicie dla jednej długości fali, a wielowarstwowe stosy poszerzają pasmo niskiej reflektancji. Dobór współczynników załamania i grubości optycznej pozwala zejść z odbiciem poniżej 1-2% w zakresie roboczym. Materiały o niskiej absorpcji i wysokiej wytrzymałości laserowej ograniczają nagrzewanie i degradację pod wysokim strumieniem fotonów. Projekt powłoki uwzględnia kąt padania oraz polaryzację wiązki, szczególnie w aplikacjach ze skośnym sprzężeniem światłowodu.
Pierścienie ochronne
Guard ring łagodzi rozkład pola na krawędzi złącza, przesuwając maksimum natężenia wgłąb pasywowanej struktury. Stosuje się układy pływające lub polaryzowane, a w rozwiązaniach o dużej średnicy także kilka współosiowych pierścieni. Geometria i odległość od aktywnego obszaru są dobierane eksperymentalnie, aby minimalizować prąd powierzchniowy bez utraty czułego pola. W procesie montażu należy zachować czystość krawędzi, gdyż cząstki i zanieczyszczenia znacząco pogarszają działanie pierścieni.
Dobór materiału półprzewodnika
Krzem zapewnia wysoką sprawność w zakresie UV-NIR, lecz jego przerwa energetyczna ogranicza czułość powyżej około 1100 nm. InGaAs na podłożu InP obejmuje pasmo 900-1700 nm dzięki wysokiemu współczynnikowi absorpcji w bliskiej podczerwieni. German rozszerza zakres do ok. 1800 nm, ale cechuje się wyższym prądem ciemnym i większą podatnością na szum generacyjny. Selekcja materiału obejmuje też kompatybilność procesową, stałą dielektryczną i współczynnik rozszerzalności dla stabilności pakietowania.
Struktury lawinowe i obszar mnożenia
Fotodiody lawinowe integrują obszar o wysokim polu dla jonizacji zderzeniowej, wymagający precyzyjnej kontroli grubości na poziomie setek nanometrów. W heterostrukturach InGaAs/InP stosuje się układ Separate Absorption, Grading, Multiplication, który separuje absorpcję od mnożenia i redukuje szum nadmiarowy. Pole w regionie mnożenia utrzymuje się typowo na poziomie setek kV/cm, aby uzyskać stały współczynnik wzmocnienia przy akceptowalnej prędkości przebicia. Projekt zawiera rezystor rozpraszający i układ kształtowania krawędzi pola, by stabilizować punkt pracy przy zmianach temperatury.
Aktywny obszar i sprzężenie optyczne
Średnica aktywna dobierana jest kompromisowo między łatwością sprzężenia wiązki a pojemnością i prądem ciemnym zależnym od powierzchni. Dla sprzężenia światłowodowego 9/125 µm stosuje się pola 30-80 µm w fotodiodach zintegrowanych falowodowo, a w detekcji swobodnej wiązki średnice rzędu milimetrów. Mikrosoczewki i profilowane okna poprawiają efektywność zbierania przy zachowaniu niskiej dywergencji. Wersje z wejściem skośnym wymagają korekcji powłok AR i geometrii, by ograniczyć odbicia i przesunięcia punktu skupienia.
Metalizacja i warstwy kontaktowe
Stosy Ti/Pt/Au lub Ti/W/Au zapewniają dobre przyleganie i niską rezystancję kontaktu do krzemu p+ lub n+. Przy oświetleniu od frontu stosuje się siatki metaliczne o wysokiej przeźroczystości lub transparentne przewodniki, aby minimalizować zacienienie. Rezystancja szeregowa wynikająca z warstw kontaktowych i rozkładu prądu w półprzewodniku ogranicza pasmo i wpływa na płaskość odpowiedzi częstotliwościowej. Rozmieszczenie padów i szerokość ścieżek projektuje się tak, aby zminimalizować pętle prądowe i indukcyjność połączeń.
Obudowy i okna optyczne
Hermetyczne obudowy TO z oknem kwarcowym lub szafirowym zapewniają niską absorpcję i stabilność środowiskową. Wersje z ferrulą lub pigtail światłowodowym minimalizują straty sprzężeniowe i wrażliwość na odchyłki pozycjonowania. Pakiety SMD o krótkich wyprowadzeniach i bezpośrednim montażu na PCB ograniczają indukcyjność i pojemności pasożytnicze toru. Dobór materiału okna i jego powłok AR dostraja się do zakresu widmowego i mocy optycznej aplikacji.
Mechanizmy prądu ciemnego
Prąd ciemny obejmuje składniki generacyjno-rekombinacyjne w obszarze zubożonym, upływy powierzchniowe oraz tunelowanie przy wysokim polu. Udział poszczególnych mechanizmów rośnie wraz z temperaturą i polem, a także ze wzrostem powierzchni krawędzi aktywnego obszaru. Pasywacja i dobrze zaprojektowane pierścienie ochronne ograniczają komponent powierzchniowy, a niski defektowy poziom pułapek zmniejsza składnik SRH. Charakterystyki I-V w funkcji temperatury umożliwiają rozdzielenie mechanizmów i kalibrację napięcia pracy.
Zależności temperaturowe
Dark current zwykle rośnie wykładniczo z temperaturą, z efektywną energią aktywacji zbliżoną do połowy przerwy energetycznej materiału. Zmiana przerwy energetycznej powoduje niewielki dryft czułości spektralnej i przesunięcie długofalowego progu absorpcji. Wzrost temperatury redukuje napięcie przebicia w APD i zwiększa współczynnik szumu, wymagając kompensacji napięcia polaryzacji. Konstrukcja pakietu o niskiej rezystancji termicznej oraz opcjonalne chłodzenie Peltiera stabilizują parametry w szerokim zakresie warunków.
Konstrukcje tylnooświetlane
Tylnooświetlane fotodiody uzyskuje się przez przerzedzenie podłoża i przygotowanie okna wejściowego od strony n- lub p- zależnie od materiału. Eliminacja metalizacji czołowej nad aktywnym obszarem ogranicza zacienienie i poprawia równomierność odpowiedzi. Wymagana jest dodatkowa pasywacja tylnej powierzchni oraz ewentualny transparentny kontakt przewodzący. Kontrola naprężeń i planarity po przerzedzaniu zabezpiecza przed mikropęknięciami i degradacją czasu życia nośników.
Działanie fotodiody
Fotodioda przetwarza strumień fotonów na prąd elektryczny poprzez absorpcję w półprzewodniku i separację wygenerowanych nośników w polu wewnętrznym złącza. Odpowiedź układu zależy od materiału, geometrii, warunków polaryzacji oraz od zjawisk transportowych i szumów. Parametry takie jak responsywność, pasmo przenoszenia i prąd ciemny wynikają z tych mechanizmów i ograniczeń.
Absorpcja fotonów i generacja par
Foton o energii większej od przerwy energetycznej wzbudza elektron do pasma przewodnictwa, pozostawiając dziurę w paśmie walencyjnym. Szybkość generacji nośników zależy od współczynnika absorpcji i lokalnej gęstości strumienia fotonów, co prowadzi do eksponencjalnego profilu w głąb materiału. Materiały o bezpośredniej przerwie energetycznej charakteryzują się dużym współczynnikiem absorpcji i płytką absorpcją, a materiały pośrednie wymagają większej grubości aktywnej. Efektywność generacji jest ograniczana przez odbicie na powierzchni oraz przez transmisję fotonów poza warstwę aktywną.
Separacja ładunku w obszarze zubożonym
Pole elektryczne w obszarze zubożonym powoduje dryf elektronów i dziur w przeciwnych kierunkach, co prowadzi do efektywnej separacji par. Dla nośników wygenerowanych wewnątrz zubożenia prawdopodobieństwo zebrania zbliża się do jedności, o ile nie dochodzi do rekombinacji na defektach. Szerokość zubożenia i rozkład pola determinują czas tranzytu oraz udział dryfu w transporcie. Wysokie natężenie pola ogranicza rekombinację czasoprzestrzenną, lecz przy ekstremalnych gęstościach nośników może być osłabiane przez ładunek przestrzenny.
Dyfuzja nośników z obszarów neutralnych
Nośniki wygenerowane poza obszarem zubożonym docierają do złącza dyfuzją jako mniejszościowe, z prawdopodobieństwem zebrania zależnym od długości dyfuzji. Długość dyfuzji jest określana przez współczynnik dyfuzji i czas życia, które są wrażliwe na czystość materiału i pułapki. Rekombinacja objętościowa i powierzchniowa zmniejsza sprawność zbierania przy dużej odległości od zubożenia. W odpowiedzi częstotliwościowej wkład dyfuzyjny powoduje ogon czasowy i ogranicza pasmo przy grubszych warstwach neutralnych.
Głębokość absorpcji a profil generacji
Współczynnik absorpcji silnie zależy od długości fali, co determinuje, czy generacja zachodzi głównie przy powierzchni czy w głębi. Krótsze fale (UV, niebieska) absorbowane są płytko i wymagają niskiej rekombinacji powierzchniowej oraz cienkich warstw martwych. Dłuższe fale (bliska podczerwień) wnikają głębiej, dlatego szerokość zubożenia i grubość podłoża decydują o sprawności zbierania. Projekt warstw antyrefleksyjnych i profilowania domieszkowania ma na celu dopasowanie profilu generacji do regionów o wysokiej sprawności kolekcji.
Responsywność spektralna
Responsywność to stosunek prądu fotodiodowego do mocy optycznej i rośnie z długością fali do momentu osiągnięcia granicy absorpcji materiału. Za progiem spektralnym spada do zera z powodu braku wzbudzeń międzypasmowych. Kształt krzywej wpływa na czułość sygnałów w wąskich pasmach i determinuje dobór materiału do okna pracy źródła światła. Straty na odbiciu i niedoskonałe zbieranie obniżają responsywność względem wartości idealnej wynikającej z wewnętrznej sprawności kwantowej.
Sprawność kwantowa zewnętrzna
Sprawność kwantowa zewnętrzna określa udział fotonów padających, które generują zebrane ładunki, obejmując straty optyczne i transportowe. Różni się od sprawności wewnętrznej, która pomija odbicie i transmisję, koncentrując się na mechanizmach generacji i kolekcji. Zmniejszają ją odbicie powierzchniowe, rekombinacja przy powierzchni oraz niedostateczna szerokość zubożenia względem głębokości absorpcji. Poprawę uzyskuje się przez pasywację powierzchni, warstwy antyrefleksyjne i optymalizację profili domieszek.
Polaryzacja zaporowa i szerokość zubożenia
Polaryzacja zaporowa zwiększa szerokość obszaru zubożonego, co obniża pojemność i skraca czas tranzytu nośników dryfujących. Wzrost pola przyspiesza nośniki do prędkości nasycenia, co poszerza pasmo odpowiedzi. Nadmierna polaryzacja może jednak zwiększyć prąd ciemny przez generację w polu i zbliżyć układ do przebicia. Dobór napięcia jest kompromisem między szybkością, szumem i niezawodnością długoterminową.
Pojemność złącza i ograniczenie pasma
Pojemność złącza maleje wraz z szerokością zubożenia i odwrotnie koreluje z napięciem zaporowym i poziomami domieszek. Razem z impedancją obciążenia określa stałą czasową RC, która ogranicza górną częstotliwość użyteczną. Duże pole powierzchni detektora i pojemności pasożytnicze obudowy dodatkowo zawężają pasmo. Minimalizacja pojemności wymaga małej apertury, wysokiej polaryzacji zaporowej i starannego projektu ścieżek o niskiej indukcyjności.
Czas tranzytu i odpowiedź częstotliwościowa
Czas tranzytu wyznacza czas potrzebny nośnikom na przebycie obszaru zubożonego i zależy od prędkości dryfu oraz grubości zubożenia. Przy wysokich polach prędkość osiąga nasycenie, ograniczając dalsze skracanie czasu tranzytu. Wkład dyfuzyjny z regionów neutralnych dodaje długi ogon odpowiedzi i może dominować przy długich długościach dyfuzji. Charakterystyka częstotliwościowa jest wypadkową ograniczeń RC i czasów transportu, co definiuje efektywną szerokość pasma.
Szumy strzałowe i prądowe
Szum strzałowy wynika z dyskretnego charakteru ładunku i jest proporcjonalny do pierwiastka z sumy prądów przepływających w paśmie pomiarowym. Składnik ten obejmuje zarówno prąd sygnałowy, jak i prąd ciemny, a w fotodiodach lawinowych jest dodatkowo powiększany przez szumy mnożenia. Zwiększenie pasma detekcji podnosi poziom szumu przez rozszerzenie szerokości filtru. Redukcja prądu ciemnego i ograniczenie pasma do sygnałowego zakresu zmniejszają wariancję prądu.
Szum termiczny i 1/f
Szum Johnsona-Nyquista elementów rezystancyjnych zależy od temperatury, pasma i wartości rezystancji w torze. W niskich częstotliwościach pojawia się dodatkowy komponent typu 1/f związany z pułapkami i modulacją przewodnictwa. Pojemności i indukcyjności pasożytnicze kształtują widmo szumu poprzez filtry dolno- i górnoprzepustowe. Dobór topologii odczytu ograniczający rezystancje źródła oraz właściwe ekranowanie poprawiają stosunek sygnału do szumu.
Prąd ciemny i mechanizmy SRH
Prąd ciemny jest determinowany przez generację z centrów pułapkowych w obszarze zubożonym zgodnie z modelem Shockleya-Reada-Halla. Wzrasta z temperaturą w sposób quasi-wykładniczy oraz z napięciem zaporowym przez powiększenie objętości zubożenia i aktywację pól. Dodatkowy wkład pochodzi z prądów powierzchniowych i tunelowania w wysokich polach. Ograniczanie defektów, pasywacja krawędzi i kontrola domieszkowania redukują prąd ciemny i fluktuacje.
NEP i specyficzna detektywność D*
Minimalna moc optyczna wykrywalna dla SNR=1 w paśmie 1 Hz definiuje NEP i wynika z ilorazu łącznego szumu prądowego i responsywności. Niższe NEP oznacza wyższą czułość przy danym paśmie i temperaturze pracy. Detektywność D* normalizuje NEP względem powierzchni i pasma, umożliwiając porównywanie detektorów o różnych rozmiarach. Wartości D* zależą od responsywności spektralnej, prądu ciemnego oraz architektury odczytu.
Nieliniowość i ładunek przestrzenny
Przy dużych gęstościach foto-nośników lokalne pole elektryczne jest ekranowane, co zmniejsza szybkość dryfu i efektywną szerokość zubożenia. Prowadzi to do kompresji odpowiedzi i wydłużenia czasu narastania impulsu. Zjawisko jest wzmacniane przez rezystancję szeregową, która obniża napięcie zaporowe w miarę wzrostu prądu. Projekt ograniczający gęstość strumienia na piksel i zapewniający niską rezystancję ścieżek redukuje nieliniowość.
Fotodiody lawinowe i wzmocnienie M
W fotodiodach lawinowych w polu bliskim przebicia zachodzi jonizacja zderzeniowa powodująca mnożenie nośników o współczynniku M zależnym od napięcia i temperatury. M zwiększa prąd sygnałowy, ale wprowadza nadmiarowy szum mnożenia opisany współczynnikiem F. Wyższa temperatura obniża wydajność jonizacji, przez co dla stałego napięcia mnożenie maleje. Pasmo przenoszenia zależy dodatkowo od czasu formowania lawiny i rezystancji-kapacytancji struktury.
Zastosowanie fotodiody
Fotodiody znajdują zastosowanie w systemach, w których natężenie lub modulacja światła musi zostać przekształcona na sygnał elektryczny o przewidywalnych parametrach. Dobór struktury detektora, materiału półprzewodnikowego i toru analogowego determinuje czułość, szumy, pasmo i zakres dynamiki. Architektura układu pomiarowego jest dopasowywana do geometrii wiązki, długości fali oraz sposobu modulacji sygnału optycznego.
Odbiorniki światłowodowe
W telekomunikacji fotodiody PIN i APD konwertują sygnał w paśmie C/L na prąd, współpracując z niskoszumnym wzmacniaczem transimpedancyjnym o pasmie dopasowanym do przepływności. Wybór APD zwiększa czułość dzięki wzmocnieniu lawinowemu M kosztem dodatkowego czynnika szumu F i wymaga stabilizacji napięcia przebicia względem temperatury. Istotne są mała pojemność złącza i ograniczenie prądu ciemnego, ponieważ redukują prąd szumowy i poprawiają stosunek sygnał/szum. Filtry optyczne i kontrola mocy wejściowej zapobiegają nasyceniu oraz zmniejszają wpływ światła spoza kanału.
Odbiorniki koherentne z fotodiodami zbalansowanymi
W odbiornikach koherentnych para zbalansowanych fotodiod w układzie 90° hybrydy miesza sygnał z lokalnym oscylatorem, realizując detekcję heterodynową I/Q. Wysoka zgodność responsywności i pojemności obu diod poprawia tłumienie trybu wspólnego oraz ogranicza szum od LO. Pasmo układu przekracza dziesiątki gigaherców, a projekt TIA w topologii różnicowej zapewnia szerokie pasmo i niski poziom szumów przy dużym prądzie LO. Stosuje się InGaAs dla 1550 nm, a kontrola obciążenia optycznego chroni przed nieliniowościami i zjawiskami termicznymi.
Systemy LiDAR czasu przelotu
W LiDAR preferowane są fotodiody o małej pojemności i krótkim czasie narastania, aby precyzyjnie odtwarzać impulsy o szerokości nanosekundowej. Dla 905 nm stosuje się krzem, a dla 1550 nm InGaAs, co wraz z filtracją wąskopasmową redukuje tło słoneczne. TIA o dużej impedancji transimpedancyjnej i niskim prądzie szumowym podnosi zasięg detekcji, a układy bramkowania ograniczają saturację od odbić bliskich. Zarządzanie zakresem dynamiki uwzględnia zmianę energii echa z odległością i odbiciowością celu.
Detekcja pojedynczych fotonów SPAD
Fotodiody SPAD pracują powyżej napięcia przebicia w trybie Geigera, generując impuls prądowy po detekcji pojedynczego fotonu. Quenching aktywny lub pasywny skraca czas martwy i ogranicza afterpulsing, a jitter czasowy rzędu dziesiątek pikosekund umożliwia precyzyjne pomiary ToF. Matryce SPAD zwiększają efektywną aperturę i umożliwiają obrazowanie czasu przelotu, przy czym istotny jest kompromis między fill factor a układami per-pixel. Kontrola temperatury i selekcja technologii redukują DCR oraz poprawiają jednorodność parametrów.
Spektrometria i fotometria
W spektrometrach fotodiody Si i InGaAs dobiera się do zakresu fal, kalibrując responsywność A/W względem wzorców odniesienia. Niskie rozproszenie i kontrola światła pasożytniczego ograniczają błędy pomiaru linii spektralnych i fotometryczne nieliniowości. Tor elektryczny z programowalnym wzmocnieniem i korekcją ciemnego prądu utrzymuje stałą dokładność w szerokim zakresie mocy optycznej. Integracja z kulą Ulbrichta pozwala na pomiar strumienia całkowitego i kształtowanie geometrii wiązki.
Radiometria wzorcowa
Układy pułapkowe z kilku fotodiod w konfiguracji wielokrotnego odbicia zapewniają przewidywalną efektywną absorpcję i stabilną responsywność. Stosowane są jako przenośne wzorce mocy optycznej, gdzie stabilizacja temperatury minimalizuje dryft czułości. Szum równoważny mocy NEP i wykrywalność D* definiują graniczną czułość, a pasmo wyznacza zdolność do pomiaru sygnałów modulowanych. Precyzyjny tor prądowo-napięciowy z rezystorem wzorcowym i niskoszumnym woltomierzem umożliwia śledzenie niepewności pomiarowej.
Monitorowanie mocy w laserach i wzmacniaczach
Fotodiody monitorujące w sprzężeniach odczepowych mierzą ułamek mocy wyjściowej, dostarczając sygnał do pętli APC lub AGC. Wymagana jest dobra liniowość, odporność na nasycenie i niski dryft temperaturowy, aby utrzymać stabilny punkt pracy źródła. W diodach laserowych stosuje się detektory back-facet do kontroli emisji w czasie rzeczywistym. Filtry i tłumiki optyczne dostosowują poziom mocy do zakresu liniowego TIA i ograniczają ryzyko przegrzania.
Pulsoksymetria medyczna
Fotodiody odbierają sygnały w dwóch pasmach, zwykle 660 nm i 940 nm, a algorytm ratio-of-ratios estymuje saturację tlenową. Przełączanie diod LED i synchroniczna detekcja eliminują zakłócenia od światła otoczenia, a filtracja adaptacyjna redukuje artefakty ruchowe. TIA o bardzo niskim prądzie wejściowym i szerokim zakresie dynamiki umożliwia pomiar składowej pulsacyjnej na tle dużej składowej stałej. Stabilizacja temperaturowa i ekranowanie EMI utrzymują spójność pomiarów w warunkach klinicznych.
Detekcja gazów NDIR i TDLAS
W NDIR fotodiody z filtrem pasmowym mierzą osłabienie promieniowania w liniach absorpcyjnych, a modulacja źródła i demodulacja lock-in poprawiają SNR. W TDLAS stosuje się precyzyjnie strojone lasery i fotodiody o niskim szumie do detekcji sygnałów 2f, co umożliwia wykrywanie śladowych stężeń. Dobór materiału detektora do zakresu średniej i bliskiej podczerwieni (InGaAs, InAsSb) zapewnia właściwą responsywność. Kontrola ścieżki optycznej i kompensacja temperatury ograniczają dryft bazowy i interferencje wodne.
Czujniki pozycjonujące PSD i kwadrantowe
Fotodiody PSD i kwadrantowe umożliwiają wyznaczenie położenia plamki na podstawie rozkładu prądów w elektrodach. Wymagana jest dobrana optyka, aby zapewnić odpowiedni rozmiar plamki względem apertury i liniowość odpowiedzi. Szybki tor analogowy pozwala śledzić ruch w czasie rzeczywistym, a proporcjonalne wzmocnienia korygują różnice kanałów. Polaryzacja wsteczna zmniejsza pojemność i poprawia pasmo, co wpływa na dokładność w dynamicznych zastosowaniach.
Enkodery inkrementalne
W enkoderach fotodiody odbierają modulowany przez podziałkę sygnał, przekształcając przesunięcie kątowe lub liniowe na przebiegi kwadraturowe. Filtracja spektralna i modulacja źródła zmniejszają wpływ oświetlenia otoczenia i migotania sieciowego. Precyzja zależy od jakości maski, kontrastu optycznego i pasma toru TIA/komparatora. Stabilność temperaturowa i kontrola szczeliny powietrznej między podziałką a zespołem optycznym ograniczają błędy interpolacji.
Bariery optyczne i kurtyny bezpieczeństwa
Fotodiody pracują w parach z emiterami, wykrywając przerwanie wiązki w czujnikach szczelinowych i kurtynach wielowiązkowych. Stosuje się modulację nośną i detekcję synchroniczną, aby odseparować sygnał od oświetlenia słonecznego i refleksów. Układy posiadają szybkie komparatory progowe i watchdog czasowy do wykrywania zakryć częściowych i manipulacji. Odpowiednio dobrany filtr IR i obudowa ograniczają odbicia wewnętrzne i fałszywe alarmy.
Detekcja płomienia w paśmie UV
Fotodiody szerokopasmowe z materiałów GaN/SiC, czułe w UVC, pozwalają na selektywną detekcję płomienia z pominięciem światła słonecznego. Układ TIA o dużej rezystancji sprzężenia i niskim prądzie ciemnym umożliwia wykrywanie bardzo małych sygnałów. Filtry spektralne i okna kwarcowe zabezpieczają kanał przed zanieczyszczeniami i ograniczają starzenie. Analiza temporalna migotania płomienia poprawia rozróżnianie między sygnałem użytecznym a zakłóceniami.
Fotodioda stanowi precyzyjny przetwornik optoelektroniczny, którego własności wynikają z fizyki półprzewodników, doboru materiału i konstrukcji złącza. Zrozumienie zależności między responsywnością, szumami, pojemnością i warunkami polaryzacji pozwala projektować układy o pożądanym paśmie i czułości. Skuteczne wykorzystanie wymaga także dopasowania optycznego oraz prawidłowego toru wzmacniającego, aby zachować liniowość i niski poziom szumów. Dzięki temu fotodiody pozostają podstawą nowoczesnych systemów pomiarowych i komunikacyjnych.
Komentarze