Фотодиоды с плавающей поверхностью и одним переходом давно применяются в солнечных элементах — они просты и дешевы. Но для высокопроизводительных матриц в современных камерах используют другой тип — фотодиоды с закрепленной поверхностью и двойным переходом. Они не имеют остаточного изображения, обладают высокой светочувствительностью и применяются не только в сенсорах, но и в солнечных панелях.

Закрепленная (pinned) поверхность — слой полупроводника, потенциал которого жестко фиксирован. Это предотвращает накопление паразитных зарядов и ускоряет работу устройства.

В этой статье разберем, чем отличаются классические фотодиоды от новых и как их можно использовать в искусственном интеллекте. Например, предлагается чип для роботизированного зрения на основе 3D-структур: массив из N × N двойных фотодиодов, аналоговые компараторы, цифровая обработка и кэш-память объединены в единую систему. А в режиме без внешнего питания та же матрица работает как солнечная батарея, обеспечивая автономность.

Раньше для переноса заряда использовали ПЗС (приборы с зарядовой связью) — они требовали много энергии из-за перезарядки больших конденсаторов. Но с развитием CMOS-технологий их заменили компактные цифровые схемы с усилителями в каждом пикселе.

Современный сенсор состоит из трех ключевых частей:

• светочувствительный фотодиод,
• устройство переноса заряда,
• блок обработки сигнала.

Первый двойной PNP-фотодиод с закрепленным слоем изобрели в Philips в 1975 году. Проблема была в медленном отклике из-за высокого сопротивления подложки. Позже Sony усовершенствовала технологию, добавив фиксированный потенциал на поверхности — это ускорило работу и позволило реализовать электронный затвор без механических деталей.

Kodak в 1984 году подтвердил: закрепленный слой исключает остаточное изображение. С тех пор такие фотодиоды стали стандартом в камерах — сначала в аналоговых, теперь в цифровых.

Но их потенциал шире: они пригодны для солнечных панелей и новых применений, например, в системах машинного зрения.

Результаты опубликованы в издании Electronics and Signal Processing.

Этот подход может:

• Улучшить камеры в смартфонах и системах видеонаблюдения — более четкое изображение без задержек.
• Создать энергонезависимые датчики для IoT и робототехники.
• Увеличить КПД солнечных панелей за счет новой структуры фотодиодов.

Хотя технология перспективна, массовое внедрение может замедлить высокая стоимость производства. Сложные процессы ионной имплантации и отжига требуют дорогого оборудования.

Ранее российские ученые разработали прототип бескоопусного фотодиода.