Fotodetektor (PD) pretvara primljeni signaloptičkisignala u električne signale, čime se dovršava pretvorba-optičkog u-električni signal. Osnovni zahtjevi za PD su:
1) Posjeduje dovoljno visoku osjetljivost na radnoj valnoj duljini sustava, što znači da može emitirati najveću moguću fotostruju za danu snagu upadnog svjetla.
2) Ima dovoljno veliku brzinu odziva, pogodnu za-brze ili širokopojasne sustave.
3) Ima najniži mogući šum kako bi se smanjio utjecaj uređaja na signal.
4) Imaju malu veličinu i dug radni vijek.
Trenutno postoje dva često korištena poluvodička fotodetektora: PIN fotodiode (PIN-PD) i lavinske fotodiode (APD). Ovaj odjeljak uglavnom predstavlja principe, pokazatelje učinkovitosti i dvije najčešće korištene vrste fotodetektora.
Princip rada fotodetektora
Fotodetektori koriste fotoelektrični učinak poluvodičkih materijala za postizanje fotoelektrične pretvorbe. Fotoelektrični učinak poluvodičkih materijala prikazan je na donjoj slici.
Kada je energija hv upadnog fotona manja od zabranjenog pojasa E, fotoelektrični efekt se neće pojaviti bez obzira na intenzitet upadne svjetlosti. Odnosno, za pojavu fotoelektričnog efekta mora biti ispunjen sljedeći uvjet:
Drugim riječima, upadna svjetlost s frekvencijom v < E/h ne može proizvesti fotoelektrični efekt. Pretvaranje v u valnu duljinu, λc=hc/E. To jest, samo upadna svjetlost valne duljine λ < λc može generirati fotogenerirane nositelje u ovom materijalu. Stoga je λc maksimalna valna duljina upadne svjetlosti potrebna za stvaranje fotoelektričnog efekta, također poznata kao granična valna duljina, a odgovarajući v naziva se granična frekvencija. Svaki foton apsorbiran od strane poluvodičkog materijala generira par elektron-rupa. Ako se na poluvodički materijal primijeni električno polje, par elektrona-šupljina će putovati kroz poluvodički materijal, stvarajući fotostruju.
Osim što ima graničnu valnu duljinu, učinkovitost pretvorbe fotodiode opada kada je valna duljina upadne svjetlosti prekratka. U fotodiodi se upadni fotoni apsorbiraju, generirajući parove elektrona-rupa. Kada je udaljenost x=0, optička snaga je P(0). Nakon udaljenosti x, apsorbirana optička snaga je:
U formuli (λ) je koeficijent apsorpcije materijala, koji je funkcija valne duljine.
Kada je valna duljina upadne svjetlosti vrlo kratka, koeficijent apsorpcije materijala je vrlo velik. Kao rezultat toga, veliki broj fotona apsorbira se na površini fotodiode, stvarajući područje nultog-električnog-polja. Ovdje generirani parovi elektron-rupa prvo moraju difundirati do osiromašenog sloja prije nego što ih prikupi vanjski krug. Međutim, u ovoj regiji manjinski nositelji imaju vrlo kratak životni vijek i difundiraju vrlo sporo, često se rekombinirajući prije nego što budu prikupljeni. To smanjuje učinkovitost fotodetektora. Stoga fotodiode izrađene od određenih materijala imaju određeni raspon valnih duljina. Na primjer, raspon valnih duljina odziva Si fotodioda je 0,5-10 μm, a InGaAs fotodioda je 1,1-1,6 μm.
Karakteristike fotodetektora
kvantna učinkovitost
Upadna svjetlost (snage P) sadrži veliki broj fotona. Omjer broja fotona koji se mogu pretvoriti u fotostruju i ukupnog broja upadnih fotona naziva se kvantna učinkovitost koja se izračunava sljedećom formulom:
U formuli je naboj elektrona,=1.6 × 10⁻¹ stupanj; I je generirana fotostruja; h je Planckova konstanta; a v je frekvencija fotona. Kvantna učinkovitost kreće se od 50% do 90%.
Ako je reflektivnost upadne površine r, a parovi elektron-rupa generirani u površinskom sloju nultog{1}}električnog-polja ne mogu se učinkovito pretvoriti u fotostruju, a snaga upadne svjetlosti je P(0), tada je fotostruja:
U formuli je koeficijent apsorpcije područja nultog-polja i osiromašenog sloja, debljina područja nultog-polja i širina osiromašenog sloja. Učinkovitost je tada:
odzivnost
Omjer fotostruje i snage upadne svjetlosti u fotodetektoru naziva se odziv (mjeren u A/W).
Ova karakteristika ukazuje na učinkovitost fotodetektora u pretvaranju optičkih signala u električne signale. Tipične vrijednosti za R kreću se od 0,5 do 1,0 A/W. Na primjer, R vrijednost za Si fotodetektor je 0,65 A/W na valnoj duljini od 900 nm; vrijednost R za fotodetektor Ge je 0,45 A/W (na 1300 nm); a odziv InGaAs je 0,9 A/W na 1300 nm i 1,0 A/W na 1550 nm.
Za danu valnu duljinu, odziv je konstantan, ali nije konstantan kada se uzme u obzir veliki raspon valnih duljina. Kako se valna duljina upadne svjetlosti povećava, energija upadnih fotona opada, a kada je manja od razmaka pojasa, odziv brzo opada na graničnoj valnoj duljini.
Spektar odziva
Kako bi se generirali fotogenerirani nositelji, energija upadnog fotona mora biti veća od razmaka pojasa materijala fotodetektora. Ovaj uvjet se može izraziti na sljedeći način:
U formuli, λ je granična valna duljina.
Drugim riječima, za dani poluvodički detekcijski materijal može se detektirati samo svjetlost valnih duljina kraćih od granične valne duljine, a kvantna učinkovitost detektora varira s valnom duljinom; ova se karakteristika naziva spektrom odziva. Stoga fotodetektori nisu univerzalni, a spektri odziva različitih materijala se razlikuju. Uobičajeno korišteni fotoelektrični poluvodički materijali uključuju Si, Ge, InGaAs, InGaAsP i GaAsP, a njihovi spektri odziva prikazani su na slici x.
Vrijeme odziva
Brzina kojom fotostruja koju generira fotodioda slijedi upadni svjetlosni signal obično se izražava kao vrijeme odziva. Vrijeme odziva je parametar koji odražava sposobnost fotodetektora da odgovori na prolazne ili modulirane svjetlosne signale velike-brzine. Na njega uglavnom utječu sljedeća tri čimbenika:
1) Tranzitno vrijeme fotonosača u području osiromašenja.
2) Vrijeme difuzije fotonosača generiranih izvan područja osiromašenja.
3) RC vremenska konstanta fotodiode i njezinog povezanog sklopa.
Vrijeme odziva može se izraziti kao vrijeme porasta i vrijeme pada izlaznog impulsa fotodetektora. Kada je spojni kapacitet fotodiode relativno mali, vrijeme porasta i vrijeme pada su kratki i relativno konzistentni; kada je kapacitet spoja fotodiode relativno velik, vrijeme odziva ograničeno je RC vremenskom konstantom koju čine otpor opterećenja i kapacitet spoja, što rezultira duljim vremenima porasta i pada.
Općenito, tehničke specifikacije fotodetektora daju vrijeme porasta. Za PIN fotodiode, vrijeme porasta t0je tipično<1 ns; for APDs, this value is less than 0.5 ns.
Tamna struja
Tamna struja se odnosi na struju u fotodetektoru kada nema upadne svjetlosti. Iako nema upadne svjetlosti, na određenoj temperaturi vanjska toplinska energija može generirati neke besplatne naboje u području osiromašenja. Ovi naboji teku pod utjecajem obrnutog prednapona, tvoreći tamnu struju. Očito, što je viša temperatura, to je više elektrona pobuđeno temperaturom i to je veća tamna struja. Za PIN fotodiodu neka tamna struja na temperaturi T bude I(T). Kada temperatura poraste na T, tada:
U formuli, C je empirijska konstanta, a C=8 za Si fotodiodu.
Tamna struja u konačnici određuje minimalnu detektabilnu optičku snagu, što je osjetljivost fotodiode.
Ovisno o korištenom poluvodičkom materijalu, tamna struja varira između 0,1 i 500 nA.
