Karakteristik Berbagai Teknologi Fotodioda

Pelajari tentang perbedaan antara fotodioda silikon dan fotodioda yang terbuat dari bahan semikonduktor lain.

Dalam artikel ini, kita akan membahas beberapa jenis teknologi fotodioda yang berbeda serta kelebihan dan kekurangan semikonduktor yang digunakan untuk membuatnya—yaitu silikon

Ini adalah bagian keempat dari seri fotodioda kami, yang akan mempersiapkan Anda untuk mempelajari lebih lanjut tentang penggunaan fotodioda dalam rangkaian peka cahaya dan aplikasinya. Jika Anda ingin membaca sisanya, lihat tautan di bawah.

• Jika Anda ingin mempelajari dasar-dasarnya, mulailah dengan artikel pertama, yang membahas fisika cahaya dan bagaimana sambungan pn digunakan untuk membentuk dioda.
• Bagian kedua berfokus pada sambungan pn yang peka terhadap cahaya.
• Bagian ketiga meliputi dioda fotokonduktif dan fotovoltaik.
• Bagian terakhir membahas rangkaian ekivalen fotodioda.

Fotodioda Silikon

Silikon jelas bukan bahan semikonduktor yang eksotis, tetapi silikon membuat fotodioda yang bagus. Fotodioda silikon adalah pilihan yang sangat baik untuk banyak aplikasi cahaya tampak.

Ini adalah batasan utama yang perlu diingat dengan silikon:silikon sensitif terutama terhadap panjang gelombang cahaya tampak. Di banyak sistem, seperti peredup cahaya yang merespons tingkat cahaya sekitar, inilah yang Anda inginkan. Fotodioda silikon yang disempurnakan dengan IR akan memberi Anda lebih banyak kepekaan terhadap panjang gelombang di wilayah inframerah-dekat, jika itu penting dalam aplikasi Anda.

Plot dari Buku Pegangan Fotodioda Silikon Hamamatsu ini menunjukkan respons spektral untuk berbagai produk fotodetektor silikon mereka. QE adalah singkatan dari efisiensi kuantum.

Fotodioda silikon adalah detektor cahaya serba guna yang hebat. Mereka dapat diandalkan dan tersedia secara luas, respons listriknya terhadap pencahayaan sangat linier, dan memiliki kinerja bandwidth dan arus gelap yang baik. Faktanya, fotodioda dengan arus gelap dan kecepatan tertinggi yang dijual oleh Thorlabs adalah perangkat silikon.

Detektor Inframerah

Indium Antimonide (InSb)

Ketika saya memikirkan fotodioda, materi pertama yang muncul di benak saya adalah InSb. Ini jauh lebih jarang daripada silikon, tetapi itu tertanam dalam kesadaran teknik saya karena salah satu proyek perusahaan terpenting yang pernah saya kerjakan dibangun di sekitar serangkaian fotodioda InSb.

InSb sensitif terhadap inframerah panjang gelombang pendek dan panjang gelombang menengah dan menawarkan kinerja yang sangat baik untuk aplikasi yang harus mendeteksi tanda panas alih-alih cahaya tampak. Namun, untuk memanfaatkan InSb secara maksimal, Anda harus melakukan upaya ekstra—yaitu, mendinginkan fotodioda ke suhu kriogenik. Mereka membuat benda yang disebut dewar yang menampung dioda dan menyimpan nitrogen cair. Anda mengisi dewar dengan LN2, dan kemudian detektor InSb Anda siap untuk sensitivitas maksimum.

Indium Gallium Arsenide (InGaAs) dan Germanium (Ge)

InGaAs banyak digunakan sebagai bahan detektor inframerah yang cepat dan sensitif. Tidak seperti InSb, biasanya digunakan pada suhu kamar, dan memiliki sedikit responsivitas ekstra pada panjang gelombang yang lebih pendek:InSb meluas hingga sekitar 1 m, sedangkan kisaran InGaAs turun menjadi sekitar 0,7 m.

Germanium mirip dengan InGaAs dalam hal respons spektral, dan bekerja pada suhu kamar. InGaAs dapat mencapai rasio signal-to-noise yang jauh lebih tinggi.

Merkuri Kadmium Tellurida (HgCdTe)

Mercury cadmium telluride memiliki peran penting sebagai detektor untuk aplikasi IR panjang gelombang. Respon spektral InGaAs dan InSb meruncing masing-masing pada 2-3 m dan 5-6 m, sedangkan HgCdTe meluas hingga 16 m. Long-wavelength IR (LWIR) digunakan untuk deteksi dan pencitraan termal pasif.

Seperti detektor InSb, detektor HgCdTe didinginkan hingga suhu kriogenik. Ini adalah ketidaknyamanan yang besar, dan banyak perangkat menggunakan mikrobolometer tanpa pendingin untuk pencitraan LWIR; mikrobolometer merespons langsung energi panas, berbeda dengan fotodioda, yang merespons foton insiden dalam radiasi elektromagnetik. Mikrobolometer lebih murah, lebih kecil, dan lebih hemat energi; HgCdTe menghasilkan citra berkualitas lebih tinggi.

Detektor Ultraviolet

Meskipun silikon sensitif terutama terhadap panjang gelombang yang terlihat, fotodioda silikon dapat dioptimalkan untuk meningkatkan respons UV. Perangkat ini disebut fotodioda silikon yang disempurnakan dengan UV. Itulah salah satu pendekatan untuk mengukur sinar UV.

Anda mungkin akrab dengan silikon karbida (SiC). Ini adalah bahan semikonduktor yang semakin menonjol yang dikaitkan terutama dengan MOSFET berdaya tinggi, tetapi ternyata dioda SiC sangat baik sebagai detektor UV.

Fotodioda silikon karbida adalah perangkat kokoh yang secara alami hanya sensitif terhadap sinar UV pada pita 200 nm hingga 400 nm.

Ini adalah respons spektral ternormalisasi dari fotodioda silikon karbida yang diproduksi oleh Komponen Optik Elektro.

Respon spektral terbatas ini berarti bahwa fotodioda SiC tidak memerlukan penyaringan optik dalam sistem yang harus mencegah cahaya tampak atau inframerah mengganggu pengukuran UV. Fotodioda silikon yang disempurnakan dengan UV hanya itu—ditingkatkan untuk sensitivitas UV. Mereka mempertahankan kepekaannya terhadap cahaya tampak, dan faktanya mereka jauh lebih sensitif terhadap cahaya tampak daripada UV.

Hubungan matematis antara daya cahaya yang datang dan arus foto yang dihasilkan disebut responsivitas. Responsivitas puncak SiC agak rendah dibandingkan dengan responsivitas puncak silikon, tetapi responsivitas puncak silikon tidak relevan dengan aplikasi UV karena terjadi jauh dari panjang gelombang UV. Responsivitas SiC mirip dengan responsivitas silikon jika kita hanya melihat bagian spektrum 200–400 nm.

Rekap

Fotodioda silikon memberikan pengukuran pencahayaan kinerja tinggi yang nyaman dalam spektrum yang terlihat. Bahan standar untuk pendeteksian inframerah adalah indium antimonide (InSb), indium gallium arsenide (InGaAs), germanium (Ge), dan mercury cadmium telluride (HgCdTe). Untuk aplikasi UV, silikon yang disempurnakan dengan UV adalah pilihan, dan silikon karbida layak dipertimbangkan jika Anda memerlukan operasi suhu tinggi yang andal atau jika detektor Anda harus mengabaikan cahaya tampak dan inframerah.

Artikel selanjutnya dalam seri Pengenalan Fotodioda:Memahami Rangkaian Setara Fotodioda