Моделювання продуктивності фотодетекторного модуля на основі гетероструктури ZnO/Si

Іван В. Падалка; Ігор Степанович Вірт

doi:10.64915/2523-4455.mea.349815

Т. · № · 2026 лис 9, 2026 Мікросистеми та фізична електроніка

Моделювання продуктивності фотодетекторного модуля на основі гетероструктури ZnO/Si

ІП

Іван В. Падалка Україна

ІВ

д-р фіз.-мат. наук проф. Ігор Степанович Вірт Відповідальний Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка Україна

Сторінки349815.1-349815.12 Опублікованолис 9, 2026 ЛіцензіяВідкритий доступ

PDF (англійська)

ТОМ · № · 2026 Попередній доступ Переглянути випуск

Анотація

У цій статті описано властивості фотомодуля на основі фотоприймача з формувальним і підсилювальним каскадами для виявлення ультрафіолетового (УФ) випромінювання. У пристрої використано фоточутливу тонкоплівкову гетероструктуру метал-оксид/кремній (ZnO/Si), поєднану з каскадом формування сигналу на основі двох малошумливих операційних підсилювачів (ОП) та компаратора — LT118A та LT1716 відповідно. Створено модуль, що складається з монолітного сенсорного індикаторного фотопристрою, трансімпедансного підсилювача (ТІП) та цифрового імпульсного компаратора (ЦІК). За напруги зсуву 3 В забезпечено чутливість гетероструктури 0,02 А/Вт на довжині хвилі 365 нм. Ефективність перетворення фотонів на електрони в УФ у діапазоні є досить високою, із співвідношенням сигнал/шум SNR= (I_light-I_dark)/I_dark ≈ 320. На основі результатів моделювання у програмному середовищі LTspice розроблено та протестовано детектор випромінювання з двокаскадним підсилювачем — фотодіодний модуль (ФДМ). Поріг спрацьовування за інтенсивністю УФ-випромінювання задавався компаратором через встановлений рівень сигналу. Під час моделювання проведено вимірювання фотосигналу в режимах підсилення напруги та трансімпедандансу. Також проаналізовано смугу пропускання пристрою та порівняно рівні шумів каскаду за відсутності освітлення (у режимі темнового струму) й під час опромінення стандартним промисловим світлодіодом.

Ключові слова

#гетероструктура #оксид цинку #ультрафіолетове випромінювання #фотоприймальний модуль #сенсорна мережа

Посилання

H. Zheng, R. Ma, X. Wang, D. Li, J. Hu and D. Yang, "A transimpedance amplifier with 99.8-dBΩ transimpedance gain and 400-MHz bandwidth for pulsed ToF Lidar receiver applications," Microelectronics Journal, vol. 165, pp. 106845-1-8, 2025. doi: 10.1016/j.mejo.2025.106845
Z. Qi, L. Wang, Y. Liang, P. Liu, H. Zhu and Y. Wang, "Deep-ultraviolet light communication in sunlight using 275-nm LEDs," Appl. Phys. Lett., vol. 123, pp. 161109-1-7, 2023. doi: 10.1063/5.0169319
L. Reissig, S. Dalgleish and K. Awaga, "A differential photodetector: Detecting light modulations using transient photocurrents," AIP Advances, vol. 6, pp. 015306-1-7, 2016. doi: 10.1063/1.4939921
Y.-H. Kao, P.-P. Chao and C.-L. Wey, "Towards maximizing the sensing accuracy of an cuffless, optical blood pressure sensor using a high-order front-end filter," Microsystem Technologies, vol. 24, p. 4621–4630, 2018. doi: 10.1007/s00542-018-3877-3
E. Süleyman and M. Atasoyu, "45-nm CMOS Inverter Transimpedance Amplifier for LiDAR Applications," Journal of Brilliant Engineering, vol. 3, no. 4915, pp. 1-8, 2024. doi: 10.36937/ben.2024.4915
C. Xianga, Z. Li-Juna, L. Yana, S. Xing-Lina, L. Hang-Quana, X. Shuna, H. Yanga and R. Xue-Chang, "Development of multi-function digital optoelectronic integrated sensor," Optik, vol. 180, pp. 406-413, 2019. doi: 10.1016/j.ijleo.2018.11.108
P. M. E. Vázquez, F. E. Veiras, L. C. Brazzano and P. A. Sorichetti, "Design method of optical detection systems based on transimpedance amplifiers," Review of Scientific Instruments,, vol. 92, pp. 114704-1-11, 2021. doi: 10.1063/5.0054869
P. Wright, K. B. Ozanyan, S. Carey and H. Mccann, "Design of high-performance photodiode receivers for optical tomography," IEEE Sensors Journal, vol. 5, no. 2, pp. 281-288, 2005. doi: 10.1109/JSEN.2004.841869
I. V. Padalka and I. S. Virt, "UV photodetector module based on thin film zinc oxide Sensor," Electronics and Мicrosystem Technologies, vol. 21, no. 3, pp. 29-37, 2024. doi: 10.18524/1815-7459.2024.3.312193
E. Masetti, S. Cattini and L. Rovati, "A transimpedance preamplifier using a feedforward approach for robust rejection of DC photogenerated currents," Review of Scientific Instruments,, vol. 94, pp. 014705-1-8, 2023. doi: 10.1063/5.0130239
C. Ciofi, F. Crupi, C. Pace and G. Scandurra, "How to Enlarge the Bandwidth Without Increasing the Noise in OP-AMP-Based Transimpedance Amplifier," IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,, vol. 55, no. 3, pp. 814-819, 2006. doi: 10.1109/TIM.2006.8
X. Qiu, Y. Wang, Z. Li, F. Ni, R. Tian, Y. Wei, K. Gu and X. Hu, "Design of front end electronics based on a programmable transimpedance amplifier for an HIAF beam intensity detector," Radiation Detection, Technology and Methods, vol. 5, p. 440–450, 2021. doi: 10.1007/s41605-021-00269-2
S. Radovanovic, A. Annema and B. Nauta, "Bandwidth of integrated photodiodes in standard CMOS for CD/DVD applications," Microelectronics Reliability, vol. 45, p. 705–710, 2005. doi: 10.1016/j.microrel.2004.09.011
I. S. Virt and I. V. Padalka, "Development and modeling of a UV-photoresistant module based on thin-film Zinc Oxide," Sensor Electronics and Мicrosystem Technologies, vol. 22, no. 4, pp. 15-29, 2025. doi: 10.18524/1815-7459.2025.4.339704
I. Virt, I. Padalka, M. Chekailo, B. Cieniek and P. Potera, "Nanocomposite Thin Films: Structural, Electrical, and Optoelectronic Properties of n-ZnNiO/p-Si Heterostructures," Applied Science, vol. 16, no. 2392, pp. 1-15, 2026. doi: 10.3390/app16052392
T.-Y. Lin, R. J. Green and P. B. O’Connor, "A low noise single-transistor transimpedance preamplifier for Fourier-transform mass spectrometry using a T feedback network," Rev. Sci. Instrum., vol. 83, pp. 094102: 1-7, 2012. doi: 10.1063/1.4751851
Z.-C. Zeng and Z. D. Schultz, "A sensitive, low noise, DC to 12 MHz, large area photodiode preamplifier for photothermal heterodyne imaging," Review of Scientific Instruments, vol. 89, pp. 083105-1-5, 2018. doi: 10.1063/1.5036626
P. Cochems, A. Kirk and S. Zimmermann, "In-circuit-measurement of parasitic elements in high gain high bandwidth low noise transimpedance amplifiers," Review of Scientific Instruments, vol. 85, pp. 124703-1-7, 2014. doi: 10.1063/1.4902854
B. Su, X. Yang, H. Cui and D. R. Jones, "How to maximize the bandwidth without increasing the noise in op-amp-based transimpedance amplifiers using positive feedback," Review of Scientific Instruments, vol. 93, pp. 043004-1-8, 2022. doi: 10.1063/5.0079747
X. Yang, B. Su, Y. Wu, H. Zhang and D. R. Jones, "Enhanced bandwidth, high gain, low noise transimpedance amplifier for asynchronous optical sampling systems," Review of Scientific Instruments, vol. 90, pp. 063103-1-9, 2019. doi: 10.1063/1.5089117
S. Wang, W. Liu, X. Niu, G. Wu and R. Dong, "“Simulation of high signal-to-noise ratio resonant photodetector for homodyne measurement and its verification," Review of Scientific Instruments, vol. 96, pp. 013002-1-7, 2025. doi: 10.1063/5.0235927
S. Fuada, A. Putra, Y. Aska and T. Adiono, "A First Approach to Design Mobility Function and Noise Filter in VLC System Utilizing Low-cost Analog Circuits," International Journal of Recent Contributions from Engineering, Science & IT (iJES), vol. 14, no. 5(2), pp. 14-30, 2017. doi: 10.3991/ijes.v5i2.6700

Ліцензія

CCBY-SA 4.0

Creative Commons «Із зазначенням авторства — Поширення на тих самих умовах» 4.0 Міжнародна

Цей твір можна поширювати й адаптувати, зокрема з комерційною метою, за умови зазначення авторства та поширення похідних творів на тих самих умовах. Умови ліцензії ↗

§ 06 — Пов'язані

Схожі статті в цьому журналі

Пов'язані рецензовані дослідження, опубліковані в цьому журналі.

Усі випуски

Механічно перелаштовувана антена з іонно-полімерним металевим композитом

Artem Serhiyovych Chernov, Oleksii O. Malyshok, Victor Anatoliiovych Kazmirenko, Irina Petrivna Holubeva, Yuriy Vasylovych Prokopenko, Guy A. E. Vandenbosch

Розглядається актуальна задача створення антен для сучасних бездротових систем, здатних до роботи у різних частотних діапазонах. Зазвичай для перелаштування частоти…

#структура з відхиленням електрода #фільтена #перелаштування частоти #актюатор ІМПК

с. 343504.1-343504.6

10.20535/2523-4455.mea.343504

Модель генератора Маркса для генерації коронного розряду у повітрі

Andrii Viktorovych Melnyk, Oleh Mykolaiovych Bevza, Anatolii Ivanovych Kuzmichiev

У статті розглянуто роботу генератора Маркса з навантаженням у вигляді від'ємного коронного розряду в повітрі за атмосферного тиску та побудовано його електричну модель.…

#коронний розряд #генератор Маркса #висока напруга #іонізація

с. 324599.1-324599.8

10.20535/2523-4455.mea.324599

Взаємодія срібних наночастинок з підкладкою в умовах плазмонного резонансу

Yurii I. Mysiuk, Yurii B. Smachylo, Oleksandr V. Ilin, Tetiana Oleksandrivna Bulavinets, Iryna Y. Yaremchuk

Взаємодія між наночастинками металів і підкладками в умовах плазмонного резонансу відіграє вирішальну роль у різних оптичних застосуваннях. У цій роботі ми досліджуємо…

#наночастинки срібла #переріз екстинкції #підкладка #локалізований поверхневий плазмонний резонанс

с. 303929.1-303929.6

10.20535/2523-4455.mea.303929

Схожі статті

Mykola Fedorovych Zhovnir, Вимірювальний перетворювач кутових переміщень з використанням фазових набігань електричного поля поверхневих акустичних хвиль , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 22 № 5 (2017)
Andrii Volodymyrovych Osinsky, Andrii Volodymyrovych Diahiliev, Oleksandr Vasylovych Borysov, Nataliia Mykolaivna Liakhova, Marat Serhiiovych Onachenko, Nina Olehivna Sukhovii, Ihor Vitaliiovych Masol, Volodymyr Ivanovych Osinsky, Рекордна ефективність сонячних батарей на варізонних трінітрідах квантових енесторів-зоністорів , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 23 № 5 (2018)
Volodymyr Semenovych Lazebnyi, Chengliang Yin, Оцінювання ймовірнісних процесів у безпроводових мережах стандарту 802.11 , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 22 № 5 (2017)
Oleksandr Ivanovych Drozdenko, Oleksandr Hryhorovych Leiko, Випромінювання максимальної акустичної потужності системами гідроакустичних циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів з окружною поляризацією , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 23 № 2 (2018)
Liubomyr Mykolaiovych Korolevych, Natalia Maksimchuk, Oleksandr Vasyliovych Borysov, Вплив методів отримання тонких плівок оксиду церію на вольт-фарадні характеристики МДН-структур , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 24 № 3 (2019)
Oksana Yuriivna Kutova, Vladimir Ivanovych Tymofieiev, Mykhailo H. Dusheiko, Guillaume Brotons, Сенсор бета-лактоглобуліну на основі ІСПТ з підзатворним діелектриком СеО2 , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 24 № 4 (2019)
Іван Андрійович Вакуленко, канд. техн. наук, доц. Дмитро Анатолійович Миколаєць, канд. техн. наук, доц. Катерина Сергіївна Клен, Імітаційне моделювання фільтро-компенсаційного перетворювача для трифазної трипровідної мережі , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 31 № 2 (2026)
Анастасія Володимирівна Паренюк, PhD Дмитро Володимирович Паренюк, PhD, дослідник Катерина Л. Руденька, Практичний метод оцінювання безпечних звуків для осіб із ПТСР , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 31 № 2 (2026)
Sergey M. Osinov, Viktor Fedorovich Zavorotnyi, Boris Ivanovych Lupyna, Olexandr Vasylovych Borisov, Моделювання багатофункціанального терморезистивного перетворювача, що використовує технологію теплообміну , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 24 № 2 (2019)
Oksana Yuriivna Kutova, Tetyana Yuriivna Obukhova, Mykhailo Hryhorovych Dusheiko, Bogdan Oleksiyovych Loboda, Tetyana Ivanivna Borodinova, Serhii Viktorovych Tkach, Сенсори на польових та фототранзисторах з металевими наночастинками та пористим кремнієм , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 23 № 5 (2018)

1-10 з 45 Наступне

Ви також можете розпочати розширений пошук схожих статей для цієї статті.

[1] H. Zheng, R. Ma, X. Wang, D. Li, J. Hu and D. Yang, "A transimpedance amplifier with 99.8-dBΩ transimpedance gain and 400-MHz bandwidth for pulsed ToF Lidar receiver applications," Microelectronics Journal, vol. 165, pp. 106845-1-8, 2025. doi: 10.1016/j.mejo.2025.106845

[2] Z. Qi, L. Wang, Y. Liang, P. Liu, H. Zhu and Y. Wang, "Deep-ultraviolet light communication in sunlight using 275-nm LEDs," Appl. Phys. Lett., vol. 123, pp. 161109-1-7, 2023. doi: 10.1063/5.0169319

[3] L. Reissig, S. Dalgleish and K. Awaga, "A differential photodetector: Detecting light modulations using transient photocurrents," AIP Advances, vol. 6, pp. 015306-1-7, 2016. doi: 10.1063/1.4939921

[4] Y.-H. Kao, P.-P. Chao and C.-L. Wey, "Towards maximizing the sensing accuracy of an cuffless, optical blood pressure sensor using a high-order front-end filter," Microsystem Technologies, vol. 24, p. 4621–4630, 2018. doi: 10.1007/s00542-018-3877-3

[5] E. Süleyman and M. Atasoyu, "45-nm CMOS Inverter Transimpedance Amplifier for LiDAR Applications," Journal of Brilliant Engineering, vol. 3, no. 4915, pp. 1-8, 2024. doi: 10.36937/ben.2024.4915

[6] C. Xianga, Z. Li-Juna, L. Yana, S. Xing-Lina, L. Hang-Quana, X. Shuna, H. Yanga and R. Xue-Chang, "Development of multi-function digital optoelectronic integrated sensor," Optik, vol. 180, pp. 406-413, 2019. doi: 10.1016/j.ijleo.2018.11.108

[7] P. M. E. Vázquez, F. E. Veiras, L. C. Brazzano and P. A. Sorichetti, "Design method of optical detection systems based on transimpedance amplifiers," Review of Scientific Instruments,, vol. 92, pp. 114704-1-11, 2021. doi: 10.1063/5.0054869

[8] P. Wright, K. B. Ozanyan, S. Carey and H. Mccann, "Design of high-performance photodiode receivers for optical tomography," IEEE Sensors Journal, vol. 5, no. 2, pp. 281-288, 2005. doi: 10.1109/JSEN.2004.841869

[9] I. V. Padalka and I. S. Virt, "UV photodetector module based on thin film zinc oxide Sensor," Electronics and Мicrosystem Technologies, vol. 21, no. 3, pp. 29-37, 2024. doi: 10.18524/1815-7459.2024.3.312193

[10] E. Masetti, S. Cattini and L. Rovati, "A transimpedance preamplifier using a feedforward approach for robust rejection of DC photogenerated currents," Review of Scientific Instruments,, vol. 94, pp. 014705-1-8, 2023. doi: 10.1063/5.0130239

[11] C. Ciofi, F. Crupi, C. Pace and G. Scandurra, "How to Enlarge the Bandwidth Without Increasing the Noise in OP-AMP-Based Transimpedance Amplifier," IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,, vol. 55, no. 3, pp. 814-819, 2006. doi: 10.1109/TIM.2006.8

[12] X. Qiu, Y. Wang, Z. Li, F. Ni, R. Tian, Y. Wei, K. Gu and X. Hu, "Design of front end electronics based on a programmable transimpedance amplifier for an HIAF beam intensity detector," Radiation Detection, Technology and Methods, vol. 5, p. 440–450, 2021. doi: 10.1007/s41605-021-00269-2

[13] S. Radovanovic, A. Annema and B. Nauta, "Bandwidth of integrated photodiodes in standard CMOS for CD/DVD applications," Microelectronics Reliability, vol. 45, p. 705–710, 2005. doi: 10.1016/j.microrel.2004.09.011

[14] I. S. Virt and I. V. Padalka, "Development and modeling of a UV-photoresistant module based on thin-film Zinc Oxide," Sensor Electronics and Мicrosystem Technologies, vol. 22, no. 4, pp. 15-29, 2025. doi: 10.18524/1815-7459.2025.4.339704

[15] I. Virt, I. Padalka, M. Chekailo, B. Cieniek and P. Potera, "Nanocomposite Thin Films: Structural, Electrical, and Optoelectronic Properties of n-ZnNiO/p-Si Heterostructures," Applied Science, vol. 16, no. 2392, pp. 1-15, 2026. doi: 10.3390/app16052392

[16] T.-Y. Lin, R. J. Green and P. B. O’Connor, "A low noise single-transistor transimpedance preamplifier for Fourier-transform mass spectrometry using a T feedback network," Rev. Sci. Instrum., vol. 83, pp. 094102: 1-7, 2012. doi: 10.1063/1.4751851

[17] Z.-C. Zeng and Z. D. Schultz, "A sensitive, low noise, DC to 12 MHz, large area photodiode preamplifier for photothermal heterodyne imaging," Review of Scientific Instruments, vol. 89, pp. 083105-1-5, 2018. doi: 10.1063/1.5036626

[18] P. Cochems, A. Kirk and S. Zimmermann, "In-circuit-measurement of parasitic elements in high gain high bandwidth low noise transimpedance amplifiers," Review of Scientific Instruments, vol. 85, pp. 124703-1-7, 2014. doi: 10.1063/1.4902854

[19] B. Su, X. Yang, H. Cui and D. R. Jones, "How to maximize the bandwidth without increasing the noise in op-amp-based transimpedance amplifiers using positive feedback," Review of Scientific Instruments, vol. 93, pp. 043004-1-8, 2022. doi: 10.1063/5.0079747

[20] X. Yang, B. Su, Y. Wu, H. Zhang and D. R. Jones, "Enhanced bandwidth, high gain, low noise transimpedance amplifier for asynchronous optical sampling systems," Review of Scientific Instruments, vol. 90, pp. 063103-1-9, 2019. doi: 10.1063/1.5089117

[21] S. Wang, W. Liu, X. Niu, G. Wu and R. Dong, "“Simulation of high signal-to-noise ratio resonant photodetector for homodyne measurement and its verification," Review of Scientific Instruments, vol. 96, pp. 013002-1-7, 2025. doi: 10.1063/5.0235927

[22] S. Fuada, A. Putra, Y. Aska and T. Adiono, "A First Approach to Design Mobility Function and Noise Filter in VLC System Utilizing Low-cost Analog Circuits," International Journal of Recent Contributions from Engineering, Science & IT (iJES), vol. 14, no. 5(2), pp. 14-30, 2017. doi: 10.3991/ijes.v5i2.6700