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光電二極體(Photodiode)的簡介與標定指引

內容

什麼是光電二極體(Photodiode)?

  感測器(Sensor)的種類與應用範圍非常廣泛,若依照所感測的物理特性分類,列舉如下表所示:

物理特性感測器種類
光感測器﹅紫外線感測器﹅影像感測元件﹅圖像感測器
超聲波感測器
電量感測器
磁敏感測器﹅磁阻感測器﹅磁感測器
溫度溫度感測器
濕度濕度感測器
氣體感測器
壓力壓力感測器
位移位移感測器﹅線位移感測元件﹅加速度感測器﹅碰撞感測器﹅震動感測器

  隨著AI與5G時代的來臨,影像辨識﹅機器視覺﹅自駕車…等應用領域對於光學感測的需求正急遽爬升。因此,本篇內容將以光感測器為主,並且將重點聚焦在光電二極體(Photodiode)的介紹。

  光電二極體是一種半導體 p-n 結器件,當光子在光電二極體中被吸收時產生電流,即發生光電轉換。光電二極體可能包含濾光片、內置透鏡,並且可能具有大或小的表面積。隨著表面積的增加,光電二極管的響應時間通常會變慢。常見的接收日照而產生電力的傳統太陽能電池,就是一種大面積的光電二極體。

  光電二極體與普通的半導體二極體並無太大的差異,不同之處在於它們可以暴露在外(用於檢測真空紫外線或 X 射線)或封裝有可透光的窗口,或者連接光纖管,以允許光線到達器件的感光部分。許多光電二極體的設計採用的是 PIN 結而不是 p-n 結,以提高響應速度。並且設計在反向偏置電壓下工作。

光電二極體有哪些種類?

  依據RF Wireless World的分類,光電二極體大致分為以下四種類型,分別是PIN型、雪崩型、p-n型和肖特基二極體:
  • PIN型二極體:又稱移相開關二極體,和普通的二層結構的p-n接面二極體相比,PIN型二極體引入了I層:即在普通p-n接面二極體的由P型半導體材料組成的P層和由N型半導體材料組成的N層中間,插入一層低摻雜的純度接近於本徵半導體材料組成的I層。如果I層材料為低摻雜的P型半導體,則該二極體可稱為π型PIN二極體;如果I層材料為低摻雜的N型半導體,則該二極體可稱為ν型PIN二極體。在PIN型二極體中,P層和N層通常由高摻雜的半導體材料組成。由於I層的存在,PIN型二極體通常比普通的二極體擁有更寬的空乏層,更大的接面電阻和更小的接面電容。在射頻與微波級別的電路中,PIN型二極體經常被用作微波開關、移相器和衰減器。
Schematic diagram of PIN diode

PIN型二極體示意圖

  • 雪崩光電二極體(APD):也稱為累崩光電二極管或崩潰光電二極體,是一種半導體光偵測器,其工作原理類似於光電倍增管。APD在施加更高的反向偏置電壓(矽材料通常為 100-200 V)後,利用電離碰撞(雪崩擊穿)的影響,可以獲得大約 100 的內部電流增益。一些矽 APD 使用的摻雜技術不同於傳統 APD,可以允許施加更高的電壓 (>1500 V) 而不會被擊穿,從而獲得更大的增益 (>1000)。一般來說,反向電壓越高,增益越大。APD主要用於雷射測距機和長距離光纖通信,此外,也開始被用於正電子斷層攝影和粒子物理等領域 。APD陣列也已被商業化。
Photodiode

雪崩光電二極體示意圖

  • p-n 型光電二極體: 將 P 型半導體與 N 型半導體相互結合,形成 p-n 接面二極體(p-n junction diode)時,P 型材料內的電洞與 N 型材料內的電子會在接合面結合,使得在結合面附近的區域內缺乏載子,形成空乏區(Depletion region)或空間電荷區(Space charge region),如下圖所示。直觀上會認為 N 型半導體中的電子會不斷的透過接合面與 P 型半導體的電洞結合,直到所有的電子與電洞都消失;實際的情形卻是,靠近接合面的 N 型半導體失去一些電子,變成正離子,P 型半導體失去一些電洞變成負離子,這些正負離子會集中在接合面附近,阻止電子與電洞的繼續結合(正離子排斥電洞,負離子排斥電子),並達到平衡,使得接合面附近只有離子,沒有載子(電子或電洞)。
Photodiode

p-n光電二極體示意圖

  • 肖特基二極體:使用Au薄膜與N型半導體結代替P型半導體,主要用於紫外線等短波光的檢測。
Photodiode

肖特基二極體示意圖

光電二極體的運作原理是什麼?

  光電二極體是將光訊號變成電訊號的半導體器件。它的核心部分也是一個p-n結,和普通二極體相比,在結構上不同的是,為了便於接收入射光照,PN結面積儘量做的大一些,電極面積儘量小些,而且PN結的結深很淺,一般小於1微米。

 

  維基百科說明光電二極體的工作原理:當一個具有充足能量的光子衝擊到二極體上,它將激發一個電子,從而產生自由電子(同時有一個帶正電的電洞)。這樣的機制也被稱作是內光電效應。如果光子的吸收發生在結的空乏層,則該區域的內電場將會消除其間的屏障,使得電洞能夠向著陽極的方向運動,電子向著陰極的方向運動,於是光電流就產生了。實際的光電流是暗電流和光照產生電流的加總,因此暗電流必須被最小化來提高元件對光的靈敏度。

  • 光電壓模式 (Photovoltaic mode):當偏壓為0時,光電二極體工作在光電壓模式,這時流出光電二極體的電流被抑制,兩端電勢差積累到一定數值。
  • 光電導模式 (Photodiode mode):當工作在這一模式時,光電二極體常常被逆向偏壓,急劇的降低了其響應時間,但是雜訊的增加是伴隨的代價。同時,空乏層的寬度增加,從而降低了結電容,同樣使得響應時間減少。逆向偏壓會造成微量的電流(飽和電流),這一電流與光電流同向。對於指定的光譜分布,光電流與入射光照度之間呈線性比例關係。

 

  總的來說,光電二極體的工作是一個吸收的過程,它將光的變化轉換成反向電流的變化,光照產生電流和暗電流的總合就是光電流,因此光電二極體的暗電流應儘量最小化來提器件對光的靈敏度,光的強度與光電流成正比,因而就可以把光信號轉換成電信號。

photodiode

光電二極體的工作曲線 (引用自維基百科)

如何評價光電二極體的好壞? 一般會測試那些參數?

  當光電二極體展現出響應度高﹅暗電流小﹅響應時間短﹅結電容小﹅等效噪聲功率低的特性,即會被評價為好的光電二極體。前述的這些關鍵性能參數說明如下:

  • 響應度:響應度定義為光電導模式下產生的光電流與激發光照的比例,單位為安培/瓦特(A/W)。響應特性也可以表達為量子效率,如下圖所示,即光照產生的載流子數量與激發光照光子數的比例。
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不同波長響應器件的EQE光譜

  • 暗電流:在光電導模式下,當不接受光照時,通過光電二極體的電流被定義為暗電流。暗電流包括了輻射電流以及半導體結的飽和電流。暗電流必須預先測量,特別是當光電二極體被用作精密的光功率測量時,暗電流產生的誤差必須認真考慮並加以校正。
photodiode

多種Dark IV曲線掃描

  • 響應時間:一個光子被半導體材料吸收,將會產生一對電子-空穴對,並在偏壓電場的作用下分別向兩個相反的方向運動,進而產生電流。電流產生時間受到載流子渡越時間限制,可通過Ramo定理進行估算。同時,光電二極體的電阻和電容與外電流產生另一個時間響應,稱為RC時間常數。RC進一步延遲了器件的響應。在光通信系統中,器件的響應時間決定了可接受光信號的調制頻率。
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恆定光強脈衝光的光電流時間響應

  • 等效噪聲功率:等效噪聲功率(Noise-equivalent power, NEP)是指能夠產生有效光電流所需的最小光功率,與1赫茲時的噪聲功率均方根值相等。與此相關的另一個重要特性被稱作是探測能力(detectivity, D*),它相當於是等效噪聲功率的倒數。等效噪聲功率大約等於光電二極體的最小可探測輸入功率。當光電二極管用於光通信系統時,所有這些參數都會影響光接收器的靈敏度,即接收器達到指定誤碼率所需的最小輸入功率。
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針對不同器件的等效噪聲功率圖

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針對不同器件的探測能力圖

  • 變光強光電流與響應度變化測試 (Linearity Dynamic Range, LDR):LDR是評估光電器件特性的一項重要指標。由光電流與光強的測試可以得到響應度 (mA/W) 變化,是常用於表徵光電器件優劣的參數。
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LDR實測結果

  • -3 dB 頻率響應測試:-3 dB點指的是當光源調製頻率上升,器件響應跟不上光源的開關變化,出現響應光電流隨之下降的情況,達到-3 dB的強度時,作為標記性能的頻率。
Application

光電二極體的應用介紹

  • 提供隨著受光光強來輸出相應的類比電訊號:p-n接面型光電二極體與其他類型的光探測器一樣,在諸如光敏電阻、感光耦合元件以及光電倍增管等設備中有著廣泛應用。它們能夠根據所受光的照度來輸出相應的類比電訊號(例如:測量儀器)或者在數位電路的不同狀態間切換(例如:控制開關、數位訊號處理)。
  • 用於控制﹅開關眾多消費電子產品:例如CD播放器、煙霧探測器以及控制電視機、空調的紅外線遙控設備中也有應用。對於許多應用產品來說,可以使用光電二極體或者其他光導材料。它們都可以被用於測量光,常常工作在照相機的測光器、路燈亮度自動調節等。
  • 與發光元件共組成光電耦合元件:所有類型的光感測器都可以用來檢測突發的光照,或者探測同一電路系統內部的發光。光電二極體常常和發光元件(通常是發光二極體)被合併在一起組成一個模組,這個模塊常被稱為光電耦合元件,這樣就能通過接收到光照的情況來分析外部機械元件的運動情況(例如光斬波器)。光電二極體另外一個作用就是在類比電路以及數位電路之間充當中介,這樣兩段電路就可以通過光訊號耦合起來,這可以提高電路的安全性。
  • 在科學研究和工業中,光電二極體常常被用來精確測量光強,因為它比其他光導材料具有更良好的線性。在醫療應用設備中,光電二極體也有著廣泛的應用,例如X射線電腦斷層成像以及脈搏探測器。

 

除此之外,因應5G時代影像辨識﹅機器視覺﹅自駕車…等需求的快速崛起,光電二極體於下列兩類的應用至關重要:

 

  1. 環境光感測 (Ambient Light Sensing, ALS):為了追求更佳的使用者體驗,所有的智慧型手機與新款汽車,均已標準配置ALS。這讓手機面板與汽車儀表板,可以依據環境光感測的訊號,自動調整明暗。讓使用者無論是拿著手機進出室內外,或者是駕車進出隧道,仍能清楚閱讀手機面板或汽車儀表板所顯示的資訊。
Ambient Light Sensors (ALS)

環境光感測器(ALS)已成為現代智慧型手機與新款車用數位儀表的標準配置

2.三維感測 (3D Sensing):根據Yole Development機構的研究,3D Sensing的市場規模從2019年至2025年的年複合成長率(CAGR)將達到20%。而使用直接飛行時間(Direct Time of Fly, dToF)技術搭配單光子雪崩二極體陣列(Single Photon Avalanche Diode Array, SPAD Array),是目前的主流解決方案。

Photodiode

2019~2025三維感測(3D Sensing)的市場規模預估(from Yole Development

光電二極體的最新發展? 有哪些新型的光電二極體?

  目前新型的光電二極體主要有三種:OPD, QD PD & PPD,詳述如下:

  • 有機光電二極體 (Organic Photodiode, OPD):

  有機體光電二極體器件是建立在由碳基分子或聚合物材料上,而非傳統的無機半導體如矽所構成的材料。其製造裝置採用了簡單的解決方案和噴墨列印技術,所以比製造傳統電子器件的設備來得便宜且簡化。目前,這項技術已廣泛應用於顯示器、太陽能電池和其他裝置。

  一些應用的結果顯示著,使用聚乙烯亞胺所生產出的器件具有低水平的暗電流,也就是說,這種光電探測器可以用來捕捉可見光的微弱訊號。

  有機光電二極體被應用在新型儀器-脈搏血氧儀,它可用來測量心律和血氧濃度。使用多個有機光電二極體同時工作,光強度比傳統器件低10倍。這樣,可穿戴式健康監測器就能產生更好的生理資訊,並不需要頻繁更換電池來持續監測。至於其它的應用還包括非接觸式手勢識別和控制的人機介面。

  有機光電二極體能夠顯示幾十個飛安培範圍內的電子噪聲電流值,並能顯示幾百個飛瓦的等效噪聲功率值。除了響應時間,有機光電二極體的主要效能指標可以與矽相匹敵,因此,眾多的研究者們還在持續努力提高其應用前景。

  • 量子點光電二極體(Quantum Dot Photodiode, QD PD):

  相較於傳統半導體紅外多光譜偵測器而言,溶液可加工、寬光譜可調節的膠體量子點(CQD)更適合於製造各種低成本高效能的光電器件。而雙端膠體量子點雙頻段探測器,用於實現雙波段紅外成像。在該探測器中,光電二極體依舊是關鍵元件。

    1. 利用Ag2Te和Bi2Se3的膠體奈米晶體薄層,研製一種雙端膠體量子點雙頻段探測器,它能在介面上產生空間穩定的p和n摻雜。高密度膠體量子點整流光電二極體採用n-p-n結構,中間設有一個小的空穴隧道屏障。選用短波紅外(<2500 nm, SWIR)和中波紅外(3000~5000 nm, MWIR)兩種尺寸的HgTe量子點。
    2. 能夠在兩個不同的頻寬上提供可切換的頻譜響應,透過改變偏置電壓的極性和幅度,雙頻檢測器能夠在SWIR模式與MWIR模式之間迅速切換(最高100 kHz)。實驗顯示,量子點光電二極體於雙頻紅外成像和遠距離溫度監測,具有優秀效能。
  • 鈣鈦礦光電二極體 (Perovskite Photodiode, PPD):

  近幾年,鈣鈦礦材料越來越受到矚目,目前最常研究的材料有Methylammonium lead halide (MAPbX3, X=Cl, Br, and I) 等鈣鈦礦結構。鈣鈦礦受到矚目的原因是發現具有良好的光電特性、材料便宜、可以在常溫下製備,可以節省能源的損耗。

  率先評估鹵素鈣鈦礦材料應用在光二極體的研究團隊是來自加州大學洛杉磯分校的Yang Yang教授,在他的研究中清楚地比較了介面層對於元件性能之影響。研究中指出PCBM之上加入Hole Blocking Layer將大幅改善元件特性,其中比較的材料包括Bathocuproine(BCP)與Poly[(9,9-bis(3’-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene)](PFN)。

  荷蘭埃因霍溫理工大學 Gerwin H. Gelinck、荷蘭應用科學研究組織 Eric A. Meulenkamp 等人於2021年11月發表:經由溶液處理的金屬鹵化物鈣鈦礦光電探測器 (PPD),前面板和氧化物薄膜電晶體 (TFT) 背板構建了圖形陣列 (VGA;640×480 像素) 掃描器,能夠捕獲全彩圖像和高解析度指紋。透過對 PPD 前面板的優化和像素 ECL 的使用,在可見光波段獲得了106 mA cm2的低暗電流密度、66%的外量子效率 (EQE) 和1.3×1012 Jones的高光電探測率。研究團隊使用光偵測器特性分析儀進行分析,研究結果顯示當低噪聲電流與高外部量子效率結合時,可在波長 550 nm 至 770 nm 的範圍內實現高光電偵測。研究人員也實際展示傳感器可用於文檔掃描和生物指紋識別,其可撓性還能捲繞在半徑為 0.6 cm 的物體上。

量測新型光電二極體所面臨的挑戰?

  傳統的量子效率系統在新型光電探測器面臨許多測試方法挑戰。如:

  1. 偏置電壓無法超過12V:傳統量子效率系統使用鎖相放大器,其承受直流電壓無法過大,因此在一般的量子效率測試儀,電偏壓無法施加超過電偏壓12V。
  2. 無法做雜訊頻率分析。
  3. 無法直接測得NEP與D*。

  光焱科技針對新世代的光電探測器(PD)提供了完整解決方案,命名為PD-QE。PD-QE系統是光焱科技在過去十年的小光斑(power mode)基礎上,進化開發完成的產品。

  隨著 5G 與移動裝置的興起與普及,越來越多新型光感測器被應用於我們的日常生活中。為了能更好的應用在行動裝置上,這些先進光感測器的組件感光面積越做越小。但這些應用卻對先進光感測器的光感測性能要求卻越來越高。在感光面積微縮的過程中,也帶來量子效率精准測量的挑戰。例如,傳統聚光型小光斑在不同波長下,色散差造成焦點位移可到 mm 等級。難以將所有的光子都聚焦到微米等級的感光面積中。因此,難以準確測得全光譜量子效率曲線。光焱科技APD-QE 採用獨家光束空間均勻化技術,利用 ASTM 標準的”Irradiance Mode”測試方式,與各種先進探針台形成完整的微米級光感測器全光譜量子效率測試解決方案。APD-QE 已被應用于多種先進光感測器的測試中,例如在iPhone光達與其多種光感測器、Apple Watch 血氧光感測器、TFT 影像感測器、有源主動圖元感測器(APS)、高靈敏度間接轉換 X 射線感測器等。

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