Fotodetektor (PD) przetwarza otrzymane sygnałyoptycznysygnały na sygnały elektryczne, kończąc w ten sposób konwersję sygnału optycznego-na-elektryczny. Podstawowe wymagania dla PD to:
1) Posiada wystarczająco wysoką czułość na długości fali roboczej systemu, co oznacza, że może generować największy możliwy fotoprąd dla danej mocy światła padającego.
2) Ma wystarczająco dużą szybkość reakcji, odpowiednią dla-szybkich systemów lub systemów szerokopasmowych.
3) Ma najniższy możliwy szum, aby zminimalizować wpływ urządzenia na sygnał.
4) Charakteryzują się niewielkimi rozmiarami i długą żywotnością.
Obecnie powszechnie stosowane są dwa fotodetektory półprzewodnikowe: fotodiody PIN (PIN-PD) i fotodiody lawinowe (APD). W tej sekcji przedstawiono głównie zasady, wskaźniki wydajności i dwa powszechnie stosowane typy fotodetektorów.
Zasada działania fotodetektorów
Fotodetektory wykorzystują efekt fotoelektryczny materiałów półprzewodnikowych w celu uzyskania konwersji fotoelektrycznej. Efekt fotoelektryczny materiałów półprzewodnikowych pokazano na poniższym rysunku.
Gdy energia hv padającego fotonu jest mniejsza niż pasmo wzbronione E, efekt fotoelektryczny nie wystąpi niezależnie od intensywności padającego światła. Oznacza to, że aby wystąpił efekt fotoelektryczny, musi zostać spełniony następujący warunek:
Innymi słowy, światło padające o częstotliwości v < E/h nie może wywołać efektu fotoelektrycznego. Konwersja v na długość fali, λc=hc/E. Oznacza to, że tylko światło padające o długości fali λ < λc może generować fotogenerowane nośniki w tym materiale. Dlatego λc to maksymalna długość fali padającego światła wymagana do wytworzenia efektu fotoelektrycznego, znanego również jako długość fali odcięcia, a odpowiadająca mu długość fali v nazywana jest częstotliwością odcięcia. Każdy foton zaabsorbowany przez materiał półprzewodnikowy wygeneruje parę elektronów-dziur. Jeśli do materiału półprzewodnikowego zostanie przyłożone pole elektryczne, para elektron-dziura będzie przemieszczać się przez materiał półprzewodnikowy, tworząc fotoprąd.
Oprócz długości fali odcięcia, wydajność konwersji fotodiody zmniejsza się, gdy długość fali światła padającego jest zbyt krótka. W fotodiodzie padające fotony są absorbowane, tworząc pary elektronów-dziur. Gdy odległość x=0, moc optyczna wynosi P(0). Po odległości x pochłonięta moc optyczna wynosi:
We wzorze (λ) oznacza współczynnik absorpcji materiału będący funkcją długości fali.
Gdy długość fali padającego światła jest bardzo krótka, współczynnik absorpcji materiału jest bardzo duży. W rezultacie duża liczba fotonów jest absorbowana na powierzchni fotodiody, tworząc obszar pola zerowego-elektrycznego-. Wytworzone tutaj pary-elektronów muszą najpierw przedostać się do warstwy zubożonej, zanim zostaną zebrane przez obwód zewnętrzny. Jednakże w tym regionie nośniki mniejszościowe mają bardzo krótki czas życia i rozprzestrzeniają się bardzo powoli, często rekombinując przed zebraniem. Zmniejsza to skuteczność fotodetektora. Dlatego fotodiody wykonane z określonych materiałów mają określony zakres odpowiedzi długości fali. Na przykład zakres odpowiedzi długości fali fotodiod Si wynosi 0,5–10 μm, a fotodiod InGaAs 1,1–1,6 μm.
Charakterystyka fotodetektorów
wydajność kwantowa
Światło padające (moc P) zawiera dużą liczbę fotonów. Stosunek liczby fotonów, które można przekształcić w fotoprąd, do całkowitej liczby fotonów padających, nazywa się wydajnością kwantową i oblicza się ją za pomocą następującego wzoru:
We wzorze jest ładunek elektronu,=1.6 × 10⁻¹ stopnia; I jest wygenerowanym fotoprądem; h jest stałą Plancka; oraz v jest częstotliwością fotonu. Sprawność kwantowa waha się od 50% do 90%.
Jeżeli współczynnik odbicia padającej powierzchni wynosi r, a par-elektronów dziur wytworzonych w warstwie powierzchniowej pola zerowego-elektrycznego- nie można skutecznie przekształcić w fotoprąd, a moc padającego światła wynosi P(0), wówczas fotoprąd wynosi:
We wzorze jest współczynnik absorpcji obszaru zerowego-pola i warstwy zubożonej, grubość obszaru zerowego-pola i szerokość warstwy zubożonej. Wydajność wynosi wtedy:
reakcja na coś
Stosunek fotoprądu do mocy światła padającego w fotodetektorze nazywany jest reakcją (mierzoną w A/W).
Ta cecha wskazuje na skuteczność fotodetektora w przetwarzaniu sygnałów optycznych na sygnały elektryczne. Typowe wartości dla R wahają się od 0,5 do 1,0 A/W. Na przykład wartość R dla fotodetektora Si wynosi 0,65 A/W przy długości fali 900 nm; wartość R dla fotodetektora Ge wynosi 0,45 A/W (przy 1300 nm); a czułość InGaAs wynosi 0,9 A/W przy 1300 nm i 1,0 A/W przy 1550 nm.
Dla danej długości fali czułość jest stała, ale nie jest stała, jeśli weźmie się pod uwagę duży zakres długości fal. Wraz ze wzrostem długości fali padającego światła energia padających fotonów maleje, a gdy jest mniejsza niż pasmo wzbronione, czułość szybko spada na długości fali odcięcia.
Spektrum odpowiedzi
Aby wygenerować fotogenerowane nośniki, energia padającego fotonu musi być większa niż pasmo wzbronione materiału fotodetektora. Warunek ten można wyrazić następująco:
We wzorze λ oznacza długość fali odcięcia.
Innymi słowy, dla danego półprzewodnikowego materiału detekcyjnego można wykryć tylko światło o długości fali krótszej niż długość fali odcięcia, a wydajność kwantowa detektora zmienia się wraz z długością fali; cecha ta nazywana jest widmem odpowiedzi. Dlatego fotodetektory nie są uniwersalne, a widma odpowiedzi różnych materiałów są różne. Powszechnie stosowane fotoelektryczne materiały półprzewodnikowe obejmują Si, Ge, InGaAs, InGaAsP i GaAsP, a ich widma odpowiedzi pokazano na rysunku x.
Czas reakcji
Szybkość, z jaką fotoprąd generowany przez fotodiodę podąża za sygnałem światła padającego, jest zwykle wyrażana jako czas odpowiedzi. Czas reakcji to parametr odzwierciedlający zdolność fotodetektora do reagowania na przejściowe lub modulowane sygnały świetlne-o dużej prędkości. Wpływ na to mają głównie trzy następujące czynniki:
1) Czas przejścia fotonośników w obszarze wyczerpania.
2) Czas dyfuzji fotonośników generowanych poza obszarem wyczerpania.
3) Stała czasowa RC fotodiody i powiązanych z nią obwodów.
Czas odpowiedzi można wyrazić jako czas narastania i opadania impulsu wyjściowego fotodetektora. Gdy pojemność złącza fotodiody jest stosunkowo mała, czas narastania i opadania jest krótki i stosunkowo stały; gdy pojemność złącza fotodiody jest stosunkowo duża, czas reakcji jest ograniczony przez stałą czasową RC utworzoną przez rezystancję obciążenia i pojemność złącza, co skutkuje dłuższymi czasami narastania i opadania.
Ogólnie rzecz biorąc, specyfikacje techniczne fotodetektorów podają czas narastania. Dla fotodiod PIN czas narastania t0jest typowo<1 ns; for APDs, this value is less than 0.5 ns.
Ciemny prąd
Prąd ciemny odnosi się do prądu w fotodetektorze, gdy nie pada światło. Chociaż nie ma padającego światła, w określonej temperaturze zewnętrzna energia cieplna może wygenerować pewne darmowe ładunki w obszarze wyczerpania. Ładunki te przepływają pod wpływem napięcia polaryzacji zaporowej, tworząc ciemny prąd. Oczywiście im wyższa temperatura, tym więcej elektronów jest wzbudzanych przez temperaturę i tym większy jest prąd ciemny. W przypadku fotodiody PIN niech prąd ciemny w temperaturze T będzie I(T). Gdy temperatura wzrośnie do T, wówczas:
We wzorze C jest stałą empiryczną, a C=8 oznacza fotodiodę Si.
Prąd ciemny ostatecznie określa minimalną wykrywalną moc optyczną, czyli czułość fotodiody.
W zależności od użytego materiału półprzewodnikowego, prąd ciemny waha się od 0,1 do 500 nA.
