Was ist eine PIN-Fotodiode?
Eine PIN-Fotodiode ist eine Art von Fotodiode, die eingestrahltes Licht in ein elektrisches Signal umwandelt.
Es gibt drei Haupttypen von Fotodioden: PN-Fotodioden, PIN-Fotodioden und APD (Avalanche-Fotodioden). Die PIN-Photodiode hat eine Struktur, bei der ein isolierender intrinsischer Halbleiter (I-Typ-Halbleiter) zwischen den P- und N-Typ-Halbleitern eingefügt ist.
Im Vergleich zu PN-Fotodioden, die aus einer PN-Kopplung zwischen P- und N-Typ-Halbleitern bestehen, zeichnen sich PIN-Fotodioden durch eine schnellere Reaktionszeit von der Lichteinstrahlung bis zur Umwandlung in ein elektrisches Signal aus.
Anwendungen von PIN-Fotodioden
PIN-Fotodioden zeichnen sich durch ihre hohe Empfindlichkeit und schnelle Reaktionszeit aus und sind die am häufigsten verwendeten Fotodioden.
Sie werden insbesondere als lichtempfangende Elemente in CCD- und CMOS-Sensoren in Digitalkameras, optischen Abtastern für CDs und DVDs, Fernbedienungsempfängern, Empfängern in optischen Kommunikationssystemen, Lichtdetektoren wie Photometern und Belichtungsmessern, Strichcode-, Schriftzeichenlesern, Sonnenlicht- und Tunnelsensoren für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, Röntgendetektoren und Röntgen- und Strahlungsdetektoren verwendet.
Funktionsweise von PIN-Fotodioden
Eine PIN-Fotodiode besteht aus einem P-Typ-Halbleiter und einem N-Typ-Halbleiter, zwischen denen sich ein isolierender I-Typ-Halbleiter befindet.
Der Bereich des P-Halbleiters ist der lichtempfindliche Bereich, die Seite des N-Halbleiters ist die Substratseite und der Bereich des I-Halbleiters ersetzt die Verarmungsschicht und wird zum lichtabsorbierenden Bereich. Die P-Schicht ist sehr dünn, um den Lichtempfang im Inneren zu erleichtern und die I-Schicht, die die lichtabsorbierende Schicht darstellt, ist relativ dick.
Wenn eine negative Vorspannung an der P-Seite und eine positive Vorspannung an der N-Seite angelegt wird, bewegen sich die Löcher in der P-Schicht zur negativen Seite und die Elektronen in der N-Schicht zur positiven Seite und die Zwischenschicht wird zu einer Verarmungsschicht mit fast keinen Ladungsträgern; da es in der I-Schicht keine Ladungsträger gibt, nimmt die Breite der Verarmungsschicht um die Dicke der I-Schicht zu.
Wird Licht mit einer Energie oberhalb der Bandlücke von der Seite der P-Schicht eingestrahlt, werden die Elektronen zu freien Elektronen angeregt und in ihrem Kielwasser entstehen Löcher. Die in der Verarmungsschicht erzeugten Elektronen wandern in die N-Schicht und die Löcher in die P-Schicht, wodurch in der PIN-Fotodiode ein Fotostrom fließt. Die Höhe des Stroms ist proportional zur Intensität des einfallenden Lichts.
Bei PIN-Fotodioden wird die breite Verarmungsschicht, die durch die I-Schicht gebildet wird, in Sperrichtung vorgespannt, was zu einer schnelleren Ladungsträgerübertragungsgeschwindigkeit als bei PN-Fotodioden und zu einer schnelleren Reaktionsgeschwindigkeit als Fotosensor führt. Auch die Empfindlichkeit ist aufgrund der breiten Verarmungsschicht, die den lichtabsorbierenden Bereich darstellt, höher.