Een fotodetector (PD) converteert ontvangen signalenoptischsignalen om in elektrische signalen, waardoor de conversie van optische-naar-elektrische signalen wordt voltooid. De basisvereisten voor een PD zijn:
1) Het beschikt over een voldoende hoge responsiviteit bij de bedrijfsgolflengte van het systeem, wat betekent dat het de grootst mogelijke fotostroom kan produceren voor een gegeven invallend lichtvermogen.
2) Het heeft een voldoende hoge responssnelheid, geschikt voor hoge- snelheids- of breedbandsystemen.
3) Het heeft de laagst mogelijke ruis om de invloed van het apparaat op het signaal te minimaliseren.
4) Ze zijn klein van formaat en hebben een lange levensduur.
Momenteel zijn er twee veelgebruikte halfgeleiderfotodetectoren: PIN-fotodiodes (PIN-PD's) en lawinefotodiodes (APD's). In dit gedeelte worden voornamelijk de principes, prestatie-indicatoren en twee veelgebruikte typen fotodetectoren geïntroduceerd.
Principe van fotodetectoren
Fotodetectoren maken gebruik van het foto-elektrische effect van halfgeleidermaterialen om foto-elektrische conversie te bereiken. Het foto-elektrische effect van halfgeleidermaterialen wordt weergegeven in de onderstaande figuur.
Wanneer de energie hv van het invallende foton kleiner is dan de bandafstand E, zal het foto-elektrische effect niet optreden, ongeacht de intensiteit van het invallende licht. Dat wil zeggen dat er aan de volgende voorwaarde moet worden voldaan voordat het foto-elektrische effect optreedt:
Met andere woorden: invallend licht met een frequentie v < E/h kan geen foto-elektrisch effect veroorzaken. Om v naar golflengte om te zetten, λc=hc/E. Dat wil zeggen dat alleen invallend licht met een golflengte λ < λc foto-gegenereerde dragers in dit materiaal kan genereren. Daarom is λc de maximale golflengte van invallend licht die nodig is om het foto-elektrische effect te produceren, ook bekend als de afsnijgolflengte, en de overeenkomstige v wordt de afsnijfrequentie genoemd. Elk foton dat door een halfgeleidermateriaal wordt geabsorbeerd, zal een elektron-gatenpaar genereren. Als er een elektrisch veld wordt aangelegd op het halfgeleidermateriaal, zal het elektron-gatenpaar door het halfgeleidermateriaal reizen en een fotostroom vormen.
Behalve dat de fotodiode een afsnijgolflengte heeft, neemt de conversie-efficiëntie van de fotodiode af wanneer de golflengte van het invallende licht te kort is. In een fotodiode worden invallende fotonen geabsorbeerd, waardoor elektron-gatparen ontstaan. Wanneer de afstand x=0 is, is het optische vermogen P(0). Na een afstand x is het geabsorbeerde optische vermogen:
In de formule is (λ) de absorptiecoëfficiënt van het materiaal, die een functie is van de golflengte.
Wanneer de golflengte van het invallende licht erg kort is, is de absorptiecoëfficiënt van het materiaal erg groot. Als resultaat wordt een groot aantal fotonen geabsorbeerd aan het oppervlak van de fotodiode, waardoor een nul-elektrisch-veldgebied ontstaat. Elektronen-paren van elektronengaten die hier worden gegenereerd, moeten eerst naar de uitputtingslaag diffunderen voordat ze door het externe circuit worden verzameld. In deze regio hebben minderheidsdragers echter een zeer korte levensduur en verspreiden ze zich zeer langzaam, waarbij ze vaak recombineren voordat ze worden verzameld. Dit vermindert de efficiëntie van de fotodetector. Daarom hebben fotodiodes gemaakt van bepaalde materialen een specifiek golflengteresponsbereik. Het golflengteresponsbereik van Si-fotodiodes is bijvoorbeeld 0,5–10 μm, en dat van InGaAs-fotodiodes is 1,1–1,6 μm.
Kenmerken van fotodetectoren
kwantumefficiëntie
Invallend licht (kracht P) bevat een groot aantal fotonen. De verhouding tussen het aantal fotonen dat kan worden omgezet in fotostroom en het totale aantal invallende fotonen wordt de kwantumefficiëntie genoemd, die wordt berekend met de volgende formule:
In de formule is de elektronenlading,=1.6 × 10⁻¹ graad; I is de gegenereerde fotostroom; h is de constante van Planck; en v is de frequentie van het foton. De kwantumefficiëntie varieert van 50% tot 90%.
Als de reflectiviteit van het invallende oppervlak r is, en de paren van elektronen-gaten gegenereerd in de oppervlaktelaag van het nul-elektrische-veld niet effectief kunnen worden omgezet in fotostroom, en het vermogen van invallend licht P(0) is, dan is de fotostroom:
In de formule is de absorptiecoëfficiënt van het nul-veldgebied en de depletielaag, de dikte van het nul-veldgebied en de breedte van de depletielaag. Het rendement is dan:
reactievermogen
De verhouding tussen fotostroom en invallend lichtvermogen in een fotodetector wordt responsiviteit genoemd (gemeten in A/W).
Dit kenmerk geeft de efficiëntie aan van de fotodetector bij het omzetten van optische signalen in elektrische signalen. Typische waarden voor R variëren van 0,5 tot 1,0 A/W. De R-waarde voor een Si-fotodetector is bijvoorbeeld 0,65 A/W bij een golflengte van 900 nm; de R-waarde voor een Ge-fotodetector is 0,45 A/W (bij 1300 nm); en de responsiviteit van InGaAs is 0,9 A/W bij 1300 nm en 1,0 A/W bij 1550 nm.
Voor een bepaalde golflengte is de responsiviteit een constante, maar deze is niet constant als we een groot golflengtebereik beschouwen. Naarmate de golflengte van het invallende licht toeneemt, neemt de energie van de invallende fotonen af, en wanneer deze kleiner is dan de bandafstand, daalt de responsiviteit snel bij de afsnijgolflengte.
Reactiespectrum
Om door foto's gegenereerde dragers te genereren, moet de energie van het invallende foton groter zijn dan de bandafstand van het fotodetectormateriaal. Deze voorwaarde kan als volgt worden uitgedrukt:
In de formule is λ de afsnijgolflengte.
Met andere woorden, voor een bepaald halfgeleiderdetectiemateriaal kan alleen licht met golflengten korter dan de afsnijgolflengte worden gedetecteerd, en de kwantumefficiëntie van de detector varieert met de golflengte; dit kenmerk wordt het responsspectrum genoemd. Daarom zijn fotodetectoren niet universeel en verschillen de responsspectra van verschillende materialen. Veelgebruikte foto-elektrische halfgeleidermaterialen omvatten Si, Ge, InGaAs, InGaAsP en GaAsP, en hun responsspectra worden getoond in figuur x.
Reactietijd
De snelheid waarmee de door een fotodiode gegenereerde fotostroom het invallende lichtsignaal volgt, wordt doorgaans uitgedrukt als responstijd. De responstijd is een parameter die het vermogen van de fotodetector weergeeft om te reageren op voorbijgaande of op hoge- snelheid gemoduleerde lichtsignalen. Het wordt voornamelijk beïnvloed door de volgende drie factoren:
1) De transittijd van fotodragers in het uitputtingsgebied.
2) De diffusietijd van fotodragers gegenereerd buiten het uitputtingsgebied.
3) De RC-tijdconstante van de fotodiode en de bijbehorende circuits.
De responstijd kan worden uitgedrukt als de stijgtijd en de daaltijd van de uitgangspuls van een fotodetector. Wanneer de junctiecapaciteit van de fotodiode relatief klein is, zijn de stijgtijd en de daaltijd kort en relatief consistent; wanneer de junctiecapaciteit van de fotodiode relatief groot is, wordt de responstijd beperkt door de RC-tijdconstante gevormd door de belastingsweerstand en junctiecapaciteit, wat resulteert in langere stijg- en daaltijden.
Over het algemeen geven de technische specificaties van fotodetectoren de stijgtijd aan. Voor PIN-fotodiodes: de stijgtijd t0is typisch<1 ns; for APDs, this value is less than 0.5 ns.
Donkere stroming
Donkerstroom verwijst naar de stroom in een fotodetector wanneer er geen invallend licht is. Hoewel er geen invallend licht is, kan externe warmte-energie bij een bepaalde temperatuur enige gratis lading genereren in het uitputtingsgebied. Deze ladingen stromen onder invloed van een sperspanning en vormen een donkerstroom. Het is duidelijk dat hoe hoger de temperatuur, hoe meer elektronen worden opgewonden door de temperatuur, en hoe groter de donkerstroom. Laat voor een PIN-fotodiode de donkerstroom bij temperatuur T I(T) zijn. Wanneer de temperatuur stijgt naar T, dan:
In de formule is C een empirische constante, en C=8 voor Si-fotodiode.
De donkerstroom bepaalt uiteindelijk het minimaal detecteerbare optische vermogen, namelijk de gevoeligheid van de fotodiode.
Afhankelijk van het gebruikte halfgeleidermateriaal varieert de donkerstroom tussen 0,1 en 500 nA.
