Projeto e caracterização de diodos PIn laterais-topologias, características e proposta de uma nova configuração

• Ano de defesa: 2017
• Autor(a) principal: Novo, C.
• Orientador(a): Giacomini, R.
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Centro Universitário FEI, São Bernardo do Campo
• Palavras-chave em Português: Diodos; Sensor de imagem; Eficiência quântica
• Link de acesso: https://repositorio.fei.edu.br/handle/FEI/298

A exploração científica e tecnológica no campo da óptica é atualmente limitada pela capacidade de detecção do sensor utilizado. Basicamente, estes fotodetectores são compostos por elementos sensíveis à radiação eletromagnética, que deveriam converter, com grande eficiência, um sinal óptico em um sinal elétrico. Entretanto, ainda existem lacunas de conhecimento no que diz respeito ao funcionamento dos detectores ópticos. Este trabalho consiste na análise profunda das características dos diodos PIN de silício em diferentes tecnologias, os quais são largamente utilizados como detectores ópticos em escala comercial pela indústria de semicondutores. Os diodos PIN laterais são compostos por uma região P+ e uma região N+, intercaladas por uma região intrínseca e são utilizados principalmente em sistemas de imagem em geral, sistemas de comunicações ópticas e sistemas para aplicações especiais, tais como indústria médica, indústria do meio ambiente, indústria de petróleo e gás, indústria de segurança, indústria automotiva, indústria espacial e bélica, entre outras. Além disso, também podem ser utilizados para determinar o comprimento de onda e a intensidade da radiação eletromagnética incidente em um sistema óptico. Para o bom uso nessas aplicações, é importante a análise mais profunda dos detectores de radiação eletromagnética PIN, operando em ambientes hostis, tais como temperaturas extremas e a utilização de terminais de controle para melhorar o seu desempenho. O foco deste trabalho é a análise da eficiência quântica, responsividade e relação sinal-ruído dos detectores sujeitos à variação de tecnologias de fabricação. Para que isto seja possível, alguns fotodiodos foram desenvolvidos integralmente para este trabalho, desde a elaboração do leiaute, até a sua fabricação e caracterização experimental através da emissão óptica de LEDs (Light Emiting Diodes), utilizando um microespectômetro que opera na faixa de 350 a 800nm. A análise foi dividida pelo tipo de aplicação requerida, já que o processo tecnológico envolvido é diferente para cada aplicação. Para os sensores de imagem foi demonstrado que a maior responsividade alcançada foi de 0,45 A/W para o vermelho e 0,035 A/W para o azul em temperatura ambiente. Já em altas temperaturas (T=500K), o dispositivo atingiu 0,77 e 0,052 A/W para o vermelho e azul, respectivamente. Já para o caso de aplicações especiais, a utilização da tecnologia SOI (Silicon On Insulator) apresentou-se como alternativa muito favorável, pois fornece a possibilidade de utilização do back-gate (porta traseira), cuja análise em conjunto com a variação da temperatura, foi inovadora na comunidade científica. No caso de baixas temperaturas (T=100K), a melhor condição de polarização é no modo de inversão, chegando a atingir 37,5% de eficiência com VBG de +6V. No caso de temperaturas superiores a 300K, a melhor condição é no modo acumulação, chegando a uma eficiência de 61,9% para T=300K e 84,52% para T=500K (ambas com VBG=-2V). Através de toda a análise desenvolvida, foi possível propor um projeto de dispositivo inovador, o qual foi chamado de diodo PG-PIN (Partially-Gated PIN Diode), que consiste em um diodo PIN lateral com porta parcial adjacente à região N+. A polarização do terminal de porta funciona como um sinal de controle capaz de alterar a resposta do dispositivo, resultando na determinação do comprimento e intensidade da radiação eletromagnética incidente. Este dispositivo é capaz de substituir a utilização de filtros de cor em um sistema óptico, fazendo com que o sistema seja mais vantajoso economicamente e com melhor desempenho.