Diode die bij lichtinval lading (stroom) opwekt. Wordt gebruikt als lichtgevoelig element in de pixels van beeldsensoren.
Japanse benaming: フォトダイオード
“Fotodiode” komt voor in 22 oefenvragen uit 5 onderwerpen, bijv. Beeldsensoren en optische componenten, Siliciumfotonica, PN-overgang en diode.
Vakgebied: Beeldsensoren en optische componenten
Een foton met een energie boven de bandgap creëert een elektron-gatpaar. Als het paar in of nabij de depletiezone van een PN-junctie ontstaat, scheidt het ingebouwde veld de ladingdragers en vloeit er een fotostroom. Sperspanning verbreedt de depletiezone en verlaagt de junctiecapaciteit, wat een snellere respons geeft, terwijl werken zonder voorspanning een lagere donkerstroom geeft voor nauwkeurige meting van zwak licht. De fotostroom is over vele decaden vrijwel evenredig met de lichtintensiteit; de responsiviteit van silicium is ongeveer 0,5 tot 0,6 A/W rond 800 tot 900 nm. Een transimpedantieversterker zet de stroom meestal om in een spanning.
De bandgap van 1,12 eV van silicium legt een absorptiekant rond 1,1 µm, en langgolvig zichtbaar en nabij-infrarood licht wordt zwak geabsorbeerd: de absorptiediepte is ongeveer 1,5 µm bij 550 nm, ongeveer 20 µm bij 850 nm en meer dan 50 µm bij 940 nm. Dunne fotodiodes hebben daarom een slechte infraroodgevoeligheid, en bij telecomgolflengten worden germanium of verbindingshalfgeleiders gebruikt. Donkerstroom, die thermisch wordt gegenereerd via grensvlaktoestanden, defecten en metaalverontreiniging, vloeit ook zonder licht; in beeldsensoren verdubbelt die ruwweg per 6 tot 8 °C, wat ruis en hot pixels veroorzaakt.
In een pixel van een CMOS-beeldsensor verzamelt een pinned photodiode elektronen tijdens de belichting. Het n-gebied ligt begraven onder een zwaar gedoteerde p+-oppervlaktelaag die donkerstroom door grensvlaktoestanden onderdrukt en het gebied volledig laat depleteren, zodat een transfertransistor alle lading naar een floating diffusion kan verplaatsen. Bemonsteren vóór en na de overdracht, correlated double sampling genoemd, heft de resetruis op. De full-well-capaciteit varieert van enkele duizenden elektronen in kleine pixels tot ongeveer 100.000 in grote. Omdat een fotodiode alleen intensiteit meet, zijn voor kleur filters boven elke pixel nodig.
Een gewone fotodiode heeft geen interne versterking: één geabsorbeerd foton levert hooguit één elektron-gatpaar op. Een lawinefotodiode (APD) wordt vlak onder de doorslag voorgespannen, zodat impactionisatie de fotostroom tientallen tot honderden keren vermenigvuldigt, waardoor zwakke signalen in optische ontvangers en LiDAR boven de versterkerruis uitkomen. Een single-photon avalanche diode (SPAD) wordt boven de doorslag voorgespannen in Geigermodus, waarin één foton een grote puls veroorzaakt. Dezelfde PN-junctie die zonder voorspanning wordt gebruikt om vermogen te leveren, is in wezen een zonnecel.
Antwoord: B. Sperspanning aanleggen en de in de uitputtingslaag door licht gegenereerde ladingdragers als stroom afnemen
Als een fotodiode in sperrichting wordt voorgespannen, wordt de uitputtingslaag breder, worden de daar door licht gegenereerde elektronen en gaten snel door het veld gescheiden en vloeit een fotostroom evenredig met de lichtsterkte. Sperspanning verkleint de junctiecapaciteit, zodat de respons ook sneller wordt. Omdat de fotostroom over meerdere decaden evenredig is met de hoeveelheid licht, wordt ze gebruikt voor lichtmeters, ontvangst in optische communicatie en het uitlezen van cd’s en dvd’s. De zonnecelmodus zonder voorspanning heeft weinig donkerstroom en is geschikt voor nauwkeurige meting van zwak licht.
Antwoord: C. Transimpedantieversterker (stroom-spanningsomzetter)
Bij een transimpedantieversterker is de inverterende ingang virtuele aarde, zodat de gehele ingangsstroom door de terugkoppelweerstand vloeit en de uitgang −(ingangsstroom × terugkoppelweerstand) is. 1 µA door 1 MΩ geeft bijvoorbeeld 1 V. Doordat de spanning over de fotodiode vrijwel op 0 blijft, is de respons snel en de lineariteit goed. Een kleine condensator parallel aan de terugkoppelweerstand voorkomt oscillatie; de schakeling wordt gebruikt in ontvangers voor optische communicatie, optische sensoren en detectieschakelingen van CT-scanners.
Sperspanning verbreedt de depletiezone, zodat meer door licht gegenereerde ladingdragers snel worden verzameld, en verlaagt de junctiecapaciteit, wat de respons versnelt. De keerzijde is een hogere donkerstroom dan bij werken zonder voorspanning.
Een standaardfotodiode levert één elektron-gatpaar per geabsorbeerd foton, zonder versterking. Een APD wordt dicht bij de doorslag voorgespannen, zodat lawinevermenigvuldiging de fotostroom intern versterkt en veel zwakker licht kan worden gedetecteerd.
Een foton van 1.550 nm heeft een energie van ongeveer 0,8 eV, onder de bandgap van 1,12 eV van silicium, dus het kan geen elektron-gatparen creëren. Bij die golflengte worden detectoren van germanium of InGaAs gebruikt.
Als een fotodiode in sperrichting wordt voorgespannen, wordt de uitputtingslaag breder, worden de daar door licht gegenereerde elektronen en gaten snel door het veld gescheiden en vloeit een fotostroom evenredig met de lichtsterkte.
Wat is het juiste gebruikelijke gebruik van een fotodiode v…Doordat de spanning over de fotodiode vrijwel op 0 blijft, is de respons snel en de lineariteit goed.
Welke schakeling brengt de stroom van een fotodiode in de i…Als de n-laag van de fotodiode van het oppervlak af wordt ingebed en het oppervlak met een p+-laag met hoge concentratie wordt bedekt, worden de grensvlaktoestanden met gaten gevuld en wordt het ontstaan van elektronen onderdrukt, zodat de donkerstroom sterk afneemt.
Wat is het belangrijkste doel van een p+-laag met hoge conc…In een fotodiode vormen geabsorbeerde fotonen elektron-gatparen, die door het elektrische veld in de uitputtingslaag worden gescheiden en stroom worden.
Wat gebeurt er met de stroom (fotostroom) die vloeit als he…Als tussen fotodiode en overdrachtsgate een potentiaalbarrière of -put zit, blijft lading achter, wordt bij het signaal van het volgende frame opgeteld en ontstaat een nabeeld (image lag).
Welk probleem treedt bij een CMOS-beeldsensor op wanneer de…CMOS-beeldsensor Donkerstroom Pinned photodiode CMOS Uitputtingslaag (depletion layer) Transimpedantieversterker (TIA) Grensvlaktoestanden (interface traps) Correlated double sampling (CDS) Numerieke apertuur (NA) Junctiecapaciteit (depletiecapaciteit)