Fotorilevatori

Fotorilevatori

I fotorivelatori sono dispositivi che producono una corrente elettrica proporzionale all'intensità della radiazione luminosa che incide sull'area attiva dei medesimi. Il funzionamento dei rivelatori di segnali ottici si basa sul meccanismo di assorbimento della radiazione elettromagnetica da parte della materia; nel seguito vedremo i due principali tipi di fotorivelatori: i fotodiodi p-i-n ed i fotodiodi valanga.

Ogni fotone incidente su di una porzione di semiconduttore intrinseco viene, teoricamente, assorbito producendo una coppia elettrone-lacuna nel materiale che, sotto l'azione di un campo elettrico esterno, contribuisce alla corrente di fotoconduzione. Ogni tipo di rivelatore fotoconduttivo richiede, per rivelare la presenza di radiazione luminosa, la presenza di una polarizzazione esterna ed, in particolare, in assenza di radiazione incidente la corrente nel circuito esterno è praticamente nulla dato il basso valore di conduttività del semiconduttore intrinseco. D'altra parte, in presenza di una radiazione incidente con potenza ottica utile P, il numero di portatori generati per assorbimento può essere rilevante e la corrente può assumere valori apprezzabili, provocando una cospicua caduta di tensione su di un resistore di polarizzazione collocato sul circuito esterno. Indicando con I_id la corrente prodotta per fotoconduzione in condizioni ideali di assorbimento totale ed assumendo che la radiazione luminosa abbia frequenza f₀, si può scrivere che

.

Per un fotorivelatore reale la corrente misurata è minore del valore ideale di un fattore < 1 chiamato efficienza quantistica del dispositivo, per cui si ha

ed, introducendo la responsivity del rivelatore di segnali ottici (misurata in A/W)

si ottiene la relazione che caratterizza fenomenologicamente il fotorivelatore

.

L'efficienza quantistica (o rendimento quantistico) può esprimersi in modo semplice tramite la relazione

ove R_S è il coefficiente di riflettività dell'interfaccia aria/semiconduttore, ₀ è il coefficiente di assorbimento per unità di lunghezza del materiale e d è la larghezza della zona di assorbimento. Ricordando le osservazioni fatte sull'emissione stimolata e sull'assorbimento , sappiamo che il coefficiente di assorbimento ₀, per un dato materiale, dipende fortemente dalla lunghezza d'onda . Tale dipendenza è riportata nella figura seguente per alcuni materiali semiconduttori impiegati nella fabbricazione di fotorivelatori.

Il Diodo Fotorivelatore p-i-n

Un semiconduttore intrinseco può, dunque, servire da fotorivelatore ma tale materiale non può essere usato per applicazioni pratiche in quanto possiede una scarsa responsivity ed una forte inerzia elettrica.
Un fotorivelatore di tipo diverso si può realizzare facilmente dotando il semiconduttore di un campo elettrico intrinseco tale da provocare, in un circuito esterno, una corrente di fotoconduzione anche in assenza di polarizzazione esterna; tale tipo di dispositivo prende il nome di fotovoltaico. Una condizione del genere può essere realizzata mediante una giunzione p-n in cui, grazie al drogaggio di tipo opposto sui due lati, le coppie elettrone-lacuna generate per assorbimento di un fotone nella zona di svuotamento vengono allontanate dalla giunzione per effetto del campo elettrico interno creando la corrente di fotoconduzione. Nella pratica la giunzione viene polarizzata inversamente con un circuito esterno per aumentare il campo interno ed, in tal modo, i portatori generati per assorbimento vengono rimossi più velocemente dalla zona attiva. Ciò consente di mantenere la concentrazione dei portatori generati per assorbimento modesta nei rispettivi stati eccitati ed, allo stesso tempo, di massimizzare il tasso di assorbimento del materiale (R_AS). Quando un fotone interagisce con la giunzione nella zona di svuotamento, la coppia elettrone-lacuna generata viene allontanata rapidamente dal campo esterno cosicché il movimento di portatori innescato (corrente di trascinamento) rinforza la debole corrente di conduzione inversa. Se, invece, la coppia elettrone-lacuna si trova al di fuori della zona attiva, per esempio nella zona p, la lacuna (portatore maggioritario) è libera di contribuire alla corrente di trascinamento immediatamente mentre l'elettrone (portatore minoritario) deve prima diffondere (corrente di diffusione) fino alla zona di svuotamento; analogamente nella zona n, fatte le debite modifiche. Questo meccanismo provoca una notevole inerzia elettrica, limitando la velocità di risposta e, quindi, la banda.
Un modo semplice per aumentare la banda del dispositivo consiste nell'interporre tra le due zone drogate (p ed n) una larga zona di semiconduttore intrinseco, creando il diodo p-i-n, come mostrato di seguito.

Poiché lo strato centrale è intrinseco, esso rappresenta una zona di alta resistenza al passaggio della corrente creando, dunque, una forte caduta di tensione ai propri estremi; la zona di svuotamento si prolunga attraverso tutto lo strato intrinseco, che ha una lunghezza (fino a 50 m) maggiore di quella degli strati p ed n, cosicché l'assorbimento nella zona di diffusione può essere trascurato e la corrente di trascinamento è nettamente prevalente; il diodo p-i-n è, dunque, un dispositivo a larga banda (centinaia di MHz). Un incremento di banda si ottiene realizzando dispositivi con materiali ternari (InGaAs), in cui la zona di svuotamento può essere ridotta (meno di 10 m) minimizzando il tempo di attraversamento così da avere una banda da qualche GHz fino a oltre i 10 GHz.

Per migliorare le prestazioni del fotorivelatore p-i-n si può utilizzare una eterostruttura in cui lo strato intrinseco è eterogeneo rispetto agli strati p ed n. Questa disposizione permette l'aumento del confinamento dell'assorbimento nella zona intrinseca alle frequenze di funzionamento: La E_g dello InGaAs ( 0.75 eV), per esempio, è tale da causare forte assorbimento nella banda 1.3 - 1.6 m mentre lo strato InP ha una E_g quasi doppia dello strato InGaAs ed è praticamente trasparente nella stessa banda, riducendo quasi a zero la componente diffusiva della fotocorrente. Poiché il dispositivo fotorivelatore è polarizzato inversamente, anche in completa assenza di potenza ottica incidente, nel circuito esterno scorre una piccola corrente di conduzione inversa I_d, detta corrente di buio (Dark Current), di cui si deve tenere conto in fase di progetto di rivelatori per segnali ottici con fotorivelatori a semiconduttore.