Que fatores afetam a linearidade de um fotodiodo pigial?

Ei! Como fornecedor de fotodiodos digitais, tenho recebido muitas perguntas ultimamente sobre quais fatores afetam a linearidade desses dispositivos. Então, pensei em sentar e escrever uma postagem no blog para compartilhar minhas idéias sobre esse assunto.

Primeiro, vamos examinar rapidamente o que significa linearidade no contexto de um fotodiodo pigial. Linearidade refere-se a quão bem a saída do fotodiodo (geralmente uma corrente ou tensão elétrica) varia em proporção direta à intensidade da luz de entrada. Num mundo ideal, a relação entre a luz de entrada e o sinal de saída seria uma linha reta perfeita. Mas, na realidade, existem vários fatores que podem causar desvios deste comportamento linear ideal.

1. Material Fotodiodo

O material usado para fazer o fotodiodo desempenha um papel importante na sua linearidade. Diferentes materiais semicondutores têm diferentes características de absorção e mecanismos de geração de portadores. Por exemplo, fotodiodos de silício (Si) são amplamente utilizados porque oferecem boa linearidade em uma ampla faixa de comprimentos de onda, normalmente da região visível ao infravermelho próximo. Eles têm uma estrutura de banda relativamente simples, o que permite uma geração mais previsível de pares elétron-buraco em resposta à luz incidente.

Por outro lado, materiais como o germânio (Ge) possuem um bandgap mais estreito. Embora possam detectar comprimentos de onda mais longos, eles são mais propensos a efeitos não lineares devido à maior probabilidade de recombinação de portadores e à presença de níveis de energia adicionais dentro do bandgap. Essas não idealidades podem fazer com que o sinal de saída se desvie de uma relação linear com a luz de entrada.

2. Intensidade da luz incidente

A intensidade da luz incidente é outro fator importante. Em baixos níveis de luz, a maioria dos fotodiodos tende a exibir boa linearidade. Isso ocorre porque o número de fótons que atingem o fotodiodo é relativamente pequeno e os portadores gerados podem ser coletados com eficiência e convertidos em um sinal elétrico.

Porém, à medida que a intensidade da luz aumenta, as coisas começam a ficar um pouco mais complicadas. Em altas intensidades, o fotodiodo pode ficar saturado. A saturação ocorre quando o fotodiodo gera tantas portadoras que os mecanismos internos do dispositivo não conseguem mais lidar com todas elas. Por exemplo, a eficiência da cobrança de cobrança pode diminuir ou as transportadoras podem começar a se recombinar antes de serem coletadas. Isso leva a um aumento não linear no sinal de saída, onde a saída não cresce mais proporcionalmente à luz de entrada.

3. Temperatura

A temperatura pode ter um impacto significativo na linearidade de um fotodiodo pigial. À medida que a temperatura aumenta, as propriedades do material semicondutor mudam. O bandgap do semicondutor diminui com o aumento da temperatura, o que afeta o coeficiente de absorção e a taxa de geração de portadoras.

Temperaturas mais altas também aumentam a taxa de recombinação de transportadores. Isto significa que algumas das portadoras geradas pela luz incidente são perdidas antes que possam contribuir para o sinal de saída. Como resultado, a relação entre a luz de entrada e o sinal de saída torna-se menos linear. Além disso, as mudanças de temperatura podem causar ruído térmico no fotodiodo, o que pode distorcer ainda mais o sinal de saída.

4. Tensão de polarização

A tensão de polarização aplicada ao fotodiodo é um parâmetro importante. Uma tensão de polarização adequada ajuda a garantir uma coleta eficiente de portadoras e uma resposta linear. Quando uma polarização reversa é aplicada a um fotodiodo, ela cria um campo elétrico dentro da região de depleção. Este campo elétrico ajuda a separar os pares elétron-buraco gerados pela luz incidente e a varrê-los em direção aos eletrodos.

Se a tensão de polarização for muito baixa, o campo elétrico pode não ser forte o suficiente para coletar todos os portadores de forma eficiente. Isso pode levar ao acúmulo de portadores e ao comportamento não linear. Por outro lado, se a tensão de polarização for muito alta, poderá causar efeitos de ruptura no fotodiodo, o que também perturba a relação linear entre a luz de entrada e o sinal de saída.

5. Crosstalk óptico e elétrico

Em aplicações onde vários fotodiodos são usados ​​nas proximidades, a diafonia óptica e elétrica pode afetar a linearidade. Crosstalk óptico ocorre quando a luz destinada a um fotodiodo vaza para os fotodiodos vizinhos. Isto pode causar um aumento indesejado no sinal de saída dos dispositivos vizinhos, levando a um comportamento não linear.

A diafonia elétrica, por outro lado, é causada pelo acoplamento de sinais elétricos entre diferentes fotodiodos ou entre o fotodiodo e outros componentes do circuito. Isto pode introduzir ruído e distorção no sinal de saída, fazendo com que ele se desvie de uma resposta linear.

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Referências

• Sze, SM e Ng, KK (2007). Física de Dispositivos Semicondutores. Wiley.
• Saleh, BEA e Teich, MC (2007). Fundamentos de Fotônica. Wiley.