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光电二极管(Photodiode)的简介与标定指引

内容

什么是光电二极管(Photodiode)?

  传感器(Sensor)的种类与应用范围非常广泛,若依照所感测的物理特性分类,列举如下表所示:

物理特性传感器种类
光传感器、紫外线传感器、影像感测组件、图像传感器
超声波传感器
电量传感器
磁敏传感器、磁阻传感器、磁传感器
温度温度传感器
湿度湿度传感器
气体传感器
压力压力传感器
位移位移传感器、线位移感测组件、加速度传感器、碰撞传感器、震动传感器

  随着AI与5G时代的来临,影像辨识、机器视觉、自驾车…等应用领域对于光学感测的需求正急遽爬升。因此,本篇内容将以光传感器为主,并且将重点聚焦在光电二极管(Photodiode)的介绍。

  光电二极管是一种半导体 p-n 结器件,当光子在光电二极管中被吸收时产生电流,即发生光电转换。光电二极管可能包含滤光片、内置透镜,并且可能具有大或小的表面积。随着表面积的增加,光电二极管的响应时间通常会变慢。常见的接收日照而产生电力的传统太阳能电池,就是一种大面积的光电二极管。

  光电二极管与普通的半导体二极管并无太大的差异,不同之处在于它们可以暴露在外(用于检测真空紫外线或 X 射线)或封装有可透光的窗口,或者连接光纤管,以允许光线到达器件的感光部分。许多光电二极管的设计采用的是 PIN 结而不是 p-n 结,以提高响应速度。并且设计在反向偏置电压下工作。

光电二极管有哪些种类?

  依据RF Wireless World的分类,光电二极管大致分为以下四种类型,分别是PIN型、雪崩型、p-n型和肖特基二极管:

    • PIN型二极管:又称移相开关二极管,和普通的二层结构的p-n接面二极管相比,PIN型二极管引入了I层:即在普通p-n接面二极管的由P型半导体材料组成的P层和由N型半导体材料组成的N层中间,插入一层低掺杂的纯度接近于本征半导体材料组成的I层。如果I层材料为低掺杂的P型半导体,则该二极管可称为π型PIN二极管;如果I层材料为低掺杂的N型半导体,则该二极管可称为ν型PIN二极管。在PIN型二极管中,P层和N层通常由高掺杂的半导体材料组成。由于I层的存在,PIN型二极管通常比普通的二极管拥有更宽的空乏层,更大的接面电阻和更小的接面电容。在射频与微波级别的电路中,PIN型二极管经常被用作微波开关、移相器和衰减器。
PIN型二极管示意图

PIN型二极管示意图

    • 雪崩光电二极管(APD):也称为累崩光电二极管或崩溃光电二极管,是一种半导体光侦测器,其工作原理类似于光电倍增管。APD在施加更高的反向偏置电压(硅材料通常为 100-200 V)后,利用电离碰撞(雪崩击穿)的影响,可以获得大约 100 的内部电流增益。一些硅 APD 使用的掺杂技术不同于传统 APD,可以允许施加更高的电压 (>1500 V) 而不会被击穿,从而获得更大的增益 (>1000)。一般来说,反向电压越高,增益越大。APD主要用于雷射测距机和长距离光纤通信,此外,也开始被用于正电子断层摄影和粒子物理等领域 。APD阵列也已被商业化。
雪崩光电二极管示意图

雪崩光电二极管示意图

    • p-n型光电二极管:将 P 型半导体与 N 型半导体相互结合,形成 p-n 接面二极管(p-n junction diode)时,P 型材料内的电洞与 N 型材料内的电子会在接合面结合,使得在结合面附近的区域内缺乏载子,形成空乏区(Depletion region)或空间电荷区(Space charge region),如下图所示。直观上会认为 N 型半导体中的电子会不断的透过接合面与 P 型半导体的电洞结合,直到所有的电子与电洞都消失;实际的情形却是,靠近接合面的 N 型半导体失去一些电子,变成正离子,P 型半导体失去一些电洞变成负离子,这些正负离子会集中在接合面附近,阻止电子与电洞的继续结合(正离子排斥电洞,负离子排斥电子),并达到平衡,使得接合面附近只有离子,没有载子(电子或电洞)。
p-n光电二极管示意图

p-n光电二极管示意图

    • 肖特基二极管:使用Au薄膜与N型半导体结代替P型半导体,主要用于紫外线等短波光的检测。
肖特基二极管示意图

肖特基二极管示意图

光电二极管的运作原理是什么?

  光电二极管是将光讯号变成电讯号的半导体器件。它的核心部分也是一个p-n结,和普通二极管相比,在结构上不同的是,为了便于接收入射光照,PN结面积尽量做的大一些,电极面积尽量小些,而且PN结的结深很浅,一般小于1微米。

  维基百科说明光电二极管的工作原理:当一个具有充足能量的光子冲击到二极管上,它将激发一个电子,从而产生自由电子(同时有一个带正电的电洞)。这样的机制也被称作是内光电效应。如果光子的吸收发生在结的空乏层,则该区域的内电场将会消除其间的屏障,使得电洞能够向着阳极的方向运动,电子向着阴极的方向运动,于是光电流就产生了。实际的光电流是暗电流和光照产生电流的加总,因此暗电流必须被最小化来提高组件对光的灵敏度。

    • 光电压模式 (Photovoltaic mode):当偏压为0时,光电二极管工作在光电压模式,这时流出光电二极管的电流被抑制,两端电势差积累到一定数值。
    • 光电导模式 (Photodiode mode):当工作在这一模式时,光电二极管常常被逆向偏压,急剧的降低了其响应时间,但是噪声的增加是伴随的代价。同时,空乏层的宽度增加,从而降低了结电容,同样使得响应时间减少。逆向偏压会造成微量的电流(饱和电流),这一电流与光电流同向。对于指定的光谱分布,光电流与入射光照度之间呈线性比例关系。

  总的来说,光电二极管的工作是一个吸收的过程,它将光的变化转换成反向电流的变化,光照产生电流和暗电流的总合就是光电流,因此光电二极管的暗电流应尽量最小化来提器件对光的灵敏度,光的强度与光电流成正比,因而就可以把光信号转换成电信号。

光电二极管的工作曲线

光电二极管的工作曲线 (引用自维基百科)

如何评价光电二极管的好坏? 一般会测试那些参数?

   当光电二极管展现出响应度高、暗电流小、响应时间短、结电容小、等效噪声功率低的特性,即会被评价为好的光电二极管。前述的这些关键性能参数说明如下:

    • 响应度:响应度定义为光电导模式下产生的光电流与激发光照的比例,单位为安培/瓦特(A/W)。响应特性也可以表达为量子效率,如下图所示,即光照产生的载流子数量与激发光照光子数的比例。
不同波长响应器件的EQE光谱

不同波长响应器件的EQE光谱

    • 暗电流:在光电导模式下,当不接受光照时,通过光电二极管的电流被定义为暗电流。暗电流包括了辐射电流以及半导体结的饱和电流。暗电流必须预先测量,特别是当光电二极管被用作精密的光功率测量时,暗电流产生的误差必须认真考虑并加以校正。
多种Dark IV曲线扫描

多种Dark IV曲线扫描

    • 响应时间:一个光子被半导体材料吸收,将会产生一对电子-空穴对,并在偏压电场的作用下分别向两个相反的方向运动,进而产生电流。电流产生时间受到载流子渡越时间限制,可通过Ramo定理进行估算。同时,光电二极管的电阻和电容与外电流产生另一个时间响应,称为RC时间常数。RC进一步延迟了器件的响应。在光通信系统中,器件的响应时间决定了可接受光信号的调制频率。
恒定光强脉冲光的光电流时间响应

恒定光强脉冲光的光电流时间响应

    • 等效噪声功率:等效噪声功率(Noise-equivalent power, NEP)是指能够产生有效光电流所需的最小光功率,与1赫兹时的噪声功率均方根值相等。与此相关的另一个重要特性被称作是探测能力(detectivity, D*),它相当于是等效噪声功率的倒数。等效噪声功率大约等于光电二极管的最小可探测输入功率。当光电二极管用于光通信系统时,所有这些参数都会影响光接收器的灵敏度,即接收器达到指定误码率所需的最小输入功率。
针对不同器件的等效噪声功率图

针对不同器件的等效噪声功率图

针对不同器件的探测能力图

针对不同器件的探测能力图

    • 变光强光电流与响应度变化测试 (Linearity Dynamic Range, LDR):LDR是评估光电器件特性的一项重要指标。由光电流与光强的测试可以得到响应度 (mA/W) 变化,是常用于表征光电器件优劣的参数。
LDR 实测结果

LDR实测结果

    • -3 dB 频率响应测试:-3 dB点指的是当光源调制频率上升,器件响应跟不上光源的开关变化,出现响应光电流随之下降的情况,达到-3 dB的强度时,作为标记性能的频率。
频率响应测试

光电二极管的应用介绍

  • 提供随着受光光强来输出相应的模拟电讯号:p-n接面型光电二极管与其他类型的光探测器一样,在诸如光敏电阻、感光耦合组件以及光电倍增管等设备中有着广泛应用。它们能够根据所受光的照度来输出相应的模拟电讯号(例如:测量仪器)或者在数字电路的不同状态间切换(例如:控制开关、数字讯号处理)。
  • 用于控制开关众多消费电子产品:例如CD播放器、烟雾探测器以及控制电视机、空调的红外线遥控设备中也有应用。对于许多应用产品来说,可以使用光电二极管或者其他光导材料。它们都可以被用于测量光,常常工作在照相机的测光器、路灯亮度自动调节等。
  • 与发光组件共组成光电耦合组件:所有类型的光传感器都可以用来检测突发的光照,或者探测同一电路系统内部的发光。光电二极管常常和发光组件(通常是发光二极管)被合并在一起组成一个模块,这个模块常被称为光电耦合组件,这样就能通过接收到光照的情况来分析外部机械组件的运动情况(例如光斩波器)。光电二极管另外一个作用就是在模拟电路以及数字电路之间充当中介,这样两段电路就可以通过光讯号耦合起来,这可以提高电路的安全性。
  • 在科学研究和工业中,光电二极管常常被用来精确测量光强,因为它比其他光导材料具有更良好的线性。在医疗应用设备中,光电二极管也有着广泛的应用,例如X射线计算机断层成像以及脉搏探测器。

  除此之外,因应5G时代影像辨识﹅机器视觉﹅自驾车…等需求的快速崛起,光电二极管于下列两类的应用至关重要:

  1. 环境光感测 (Ambient Light Sensing, ALS):为了追求更佳的使用者体验,所有的智能型手机与新款汽车,均已标准配置ALS。这让手机面板与汽车仪表板,可以依据环境光感测的讯号,自动调整明暗。让使用者无论是拿着手机进出室内外,或者是驾车进出隧道,仍能清楚阅读手机面板或汽车仪表板所显示的信息。
环境光传感器(ALS)已成为现代智能型手机与新款车用数字仪表的标准配置

环境光传感器(ALS)已成为现代智能型手机与新款车用数字仪表的标准配置

2.三维感测 (3D Sensing):根据Yole Development机构的研究,3D Sensing的市场规模从2019年至2025年的年复合成长率(CAGR)将达到20%。而使用直接飞行时间(Direct Time of Fly, dToF)技术搭配单光子雪崩二极管数组(Single Photon Avalanche Diode Array, SPAD Array),是目前的主流解决方案。

2019~2025三维感测(3D Sensing)的市场规模预估

2019~2025三维感测(3D Sensing)的市场规模预估

光电二极管的最新发展? 有哪些新型的光电二极管?

目前新型的光电二极管主要有三种:OPD, QD PD & PPD,详述如下:

  • 有机光电二极管 (Organic Photodiode, OPD)
    有机体光电二极管器件是建立在由碳基分子或聚合物材料上,而非传统的无机半导体如硅所构成的材料。其制造装置采用了简单的解决方案和喷墨打印技术,所以比制造传统电子器件的设备来得便宜且简化。目前,这项技术已广泛应用于显示器、太阳能电池和其他装置。

    一些应用的结果显示着,使用聚乙烯亚胺所生产出的器件具有低水平的暗电流,也就是说,这种光电探测器可以用来捕捉可见光的微弱讯号。

    有机光电二极管被应用在新型仪器-脉搏血氧仪,它可用来测量心律和血氧浓度。使用多个有机光电二极管同时工作,光强度比传统器件低10倍。这样,可穿戴式健康监测器就能产生更好的生理信息,并不需要频繁更换电池来持续监测。至于其它的应用还包括非接触式手势识别和控制的人机接口。

    有机光电二极管能够显示几十个飞安培范围内的电子噪声电流值,并能显示几百个飞瓦的等效噪声功率值。除了响应时间,有机光电二极管的主要效能指标可以与硅相匹敌,因此,众多的研究者们还在持续努力提高其应用前景。

  • 量子点光电二极管 (Quantum Dot Photodiode, QD PD)
    相较于传统半导体红外多光谱侦测器而言,溶液可加工、宽光谱可调节的胶体量子点(CQD)更适合于制造各种低成本高效能的光电器件。而双端胶体量子点双频段探测器,用于实现双波段红外成像。在该探测器中,光电二极管依旧是关键组件。
  1. 利用Ag2Te和Bi2Se3的胶体奈米晶体薄层,研制一种双端胶体量子点双频段探测器,它能在接口上产生空间稳定的p和n掺杂。高密度胶体量子点整流光电二极管采用n-p-n结构,中间设有一个小的空穴隧道屏障。选用短波红外(<2500 nm, SWIR)和中波红外(3000~5000 nm, MWIR)两种尺寸的HgTe量子点。
  2. 能够在两个不同的带宽上提供可切换的频谱响应,透过改变偏置电压的极性和幅度,双频检测器能够在SWIR模式与MWIR模式之间迅速切换(最高100 kHz)。实验显示,量子点光电二极管于双频红外成像和远距离温度监测,具有优秀效能。

  • 钙钛矿光电二极管 (Perovskite Photodiode, PPD)
    近几年,钙钛矿材料越来越受到瞩目,目前最常研究的材料有Methylammonium lead halide (MAPbX3, X=Cl, Br, and I) 等钙钛矿结构。钙钛矿受到瞩目的原因是发现具有良好的光电特性、材料便宜、可以在常温下制备,可以节省能源的损耗。

    率先评估卤素钙钛矿材料应用在光二极管的研究团队是来自加州大学洛杉矶分校的Yang Yang教授,在他的研究中清楚地比较了接口层对于组件性能之影响。研究中指出PCBM之上加入Hole Blocking Layer将大幅改善组件特性,其中比较的材料包括Bathocuproine(BCP)与Poly[(9,9-bis(3’-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene)](PFN)。

    荷兰埃因霍温理工大学 Gerwin H. Gelinck、荷兰应用科学研究组织 Eric A. Meulenkamp 等人于2021年11月发表:经由溶液处理的金属卤化物钙钛矿光电探测器 (PPD),前面板和氧化物薄膜晶体管 (TFT) 背板构建了图形数组 (VGA;640×480 像素) 扫描仪,能够捕获全彩图像和高分辨率指纹。透过对 PPD 前面板的优化和像素 ECL 的使用,在可见光波段获得了106 mA cm2的低暗电流密度、66%的外量子效率 (EQE) 和1.3×1012 Jones的高光电探测率。研究团队使用光侦测器特性分析仪进行分析,研究结果显示当低噪声电流与高外部量子效率结合时,可在波长 550 nm 至 770 nm 的范围内实现高光电侦测。研究人员也实际展示传感器可用于文件扫描和生物指纹识别,其可挠性还能卷绕在半径为 0.6 cm 的物体上。

量测新型光电二极管所面临的挑战?

传统的量子效率系统在新型光电探测器面临许多测试方法挑战。如:

  1. 偏置电压无法超过12V:传统量子效率系统使用锁相放大器,其承受直流电压无法过大,因此在一般的量子效率测试仪,电偏压无法施加超过电偏压12V。
  2. 无法做噪声频率分析。无法直接测得NEP与D*。

光焱科技针对新世代的光电探测器(PD)提供了完整解决方案,命名为PD-QE。PD-QE系统是光焱科技在过去十年的小光斑(power mode)基础上,进化开发完成的产品。

随着 5G 与移动装置的兴起与普及,越来越多新型光传感器被应用于我们的日常生活中。为了能更好的应用在行动装置上,这些先进光传感器的组件感光面积越做越小。但这些应用却对先进光传感器的光感测性能要求却越来越高。在感光面积微缩的过程中,也带来量子效率精准测量的挑战。例如,传统聚光型小光斑在不同波长下,色散差造成焦点位移可到 mm 等级。难以将所有的光子都聚焦到微米等级的感光面积中。因此,难以准确测得全光谱量子效率曲线。光焱科技APD-QE 采用独家光束空间均匀化技术,利用 ASTM 标准的”Irradiance Mode”测试方式,与各种先进探针台形成完整的微米级光传感器全光谱量子效率测试解决方案。APD-QE 已被应用于多种先进光传感器的测试中,例如在iPhone光达与其多种光传感器、Apple Watch 血氧光传感器、TFT 影像传感器、有源主动像素传感器(APS)、高灵敏度间接转换 X 射线传感器等。

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