Fotodetektor (PD) převádí přijatéoptickýsignály na elektrické signály, čímž se dokončí převod optického-na{1}}elektrický signál. Základní požadavky na PD jsou:
1) Má dostatečně vysokou citlivost při provozní vlnové délce systému, což znamená, že může vydávat největší možný fotoproud pro daný výkon dopadajícího světla.
2) Má dostatečně rychlou odezvu, vhodnou pro vysokorychlostní-nebo širokopásmové systémy.
3) Má nejnižší možný šum, aby se minimalizoval vliv zařízení na signál.
4) Vyznačují se malými rozměry a dlouhou životností.
V současné době existují dva běžně používané polovodičové fotodetektory: PIN fotodiody (PIN-PD) a lavinové fotodiody (APD). Tato část představuje především principy, výkonnostní ukazatele a dva běžně používané typy fotodetektorů.
Princip fotodetektorů
Fotodetektory využívají fotoelektrický efekt polovodičových materiálů k dosažení fotoelektrické konverze. Fotoelektrický jev polovodičových materiálů je znázorněn na obrázku níže.
Když je energie hv dopadajícího fotonu menší než zakázané pásmo E, fotoelektrický efekt nenastane bez ohledu na intenzitu dopadajícího světla. To znamená, že pro vznik fotoelektrického jevu musí být splněna následující podmínka:
Jinými slovy, dopadající světlo s frekvencí v < E/h nemůže vyvolat fotoelektrický jev. Převod v na vlnovou délku, λc=hc/E. To znamená, že pouze dopadající světlo s vlnovou délkou λ < λc může v tomto materiálu generovat fotogenerované nosiče. Proto je λc maximální vlnová délka dopadajícího světla potřebná k vytvoření fotoelektrického jevu, známá také jako mezní vlnová délka, a odpovídající v se nazývá mezní frekvence. Každý foton absorbovaný polovodičovým materiálem vygeneruje elektron{5}}dírový pár. Pokud je na polovodičový materiál aplikováno elektrické pole, elektronový -dírový pár bude procházet polovodičovým materiálem a vytvoří fotoproud.
Kromě toho, že má mezní vlnovou délku, účinnost přeměny fotodiody se snižuje, když je vlnová délka dopadajícího světla příliš krátká. Ve fotodiodě jsou dopadající fotony absorbovány a generují páry elektron{1}}děr. Když je vzdálenost x=0, optická mohutnost je P(0). Po vzdálenosti x je absorbovaná optická mohutnost:
Ve vzorci je (λ) absorpční koeficient materiálu, který je funkcí vlnové délky.
Když je vlnová délka dopadajícího světla velmi krátká, absorpční koeficient materiálu je velmi velký. Výsledkem je, že na povrchu fotodiody je absorbováno velké množství fotonů, čímž vzniká oblast nulového-elektrického-pole. Zde generované páry elektronových-děr musí nejprve difundovat do vyčerpávající vrstvy, než jsou shromážděny vnějším obvodem. V této oblasti však mají menšinoví přenašeči velmi krátkou životnost a difundují velmi pomalu, často se před odběrem rekombinují. To snižuje účinnost fotodetektoru. Proto mají fotodiody vyrobené z určitých materiálů specifický rozsah vlnové délky odezvy. Například rozsah vlnové délky Si fotodiod je 0,5–10 μm a InGaAs fotodiod je 1,1–1,6 μm.
Charakteristika fotodetektorů
kvantová účinnost
Dopadající světlo (výkon P) obsahuje velké množství fotonů. Poměr počtu fotonů, které lze převést na fotoproud, k celkovému počtu dopadajících fotonů se nazývá kvantová účinnost, která se vypočítá podle následujícího vzorce:
Ve vzorci je náboj elektronu,=1.6 × 10⁻¹ stupeň; I je generovaný fotoproud; h je Planckova konstanta; a v je frekvence fotonu. Kvantová účinnost se pohybuje od 50 % do 90 %.
Pokud je odrazivost dopadajícího povrchu r a elektronové -páry děr generované v povrchové vrstvě nulového -elektrického- pole nelze účinně převést na fotoproud a výkon dopadajícího světla je P(0), pak je fotoproud:
Ve vzorci je koeficient absorpce oblasti nulového-pole a vrstvy vyčerpání, je tloušťka oblasti nulového-pole a je šířka vrstvy vyčerpání. Účinnost je pak:
schopnost reagovat
Poměr fotoproudu k výkonu dopadajícího světla ve fotodetektoru se nazývá citlivost (měřeno v A/W).
Tato charakteristika udává účinnost fotodetektoru při přeměně optických signálů na signály elektrické. Typické hodnoty pro R se pohybují od 0,5 do 1,0 A/W. Například hodnota R pro Si fotodetektor je 0,65 A/W při vlnové délce 900 nm; hodnota R pro Ge fotodetektor je 0,45 A/W (při 1300 nm); a odezva InGaAs je 0,9 A/W při 1300 nm a 1,0 A/W při 1550 nm.
Pro danou vlnovou délku je odezva konstantní, ale není konstantní, když uvažujeme velký rozsah vlnových délek. S rostoucí vlnovou délkou dopadajícího světla se energie dopadajících fotonů snižuje, a když je menší než bandgap, odezva rychle klesá na hraniční vlnové délce.
Spektrum odezvy
Aby se vytvořily fotogenerované nosiče, energie dopadajícího fotonu musí být větší než bandgap materiálu fotodetektoru. Tuto podmínku lze vyjádřit takto:
Ve vzorci je λ mezní vlnová délka.
Jinými slovy, pro daný polovodičový detekční materiál lze detekovat pouze světlo s vlnovými délkami kratšími, než je mezní vlnová délka, a kvantová účinnost detektoru se mění s vlnovou délkou; tato charakteristika se nazývá spektrum odezvy. Fotodetektory proto nejsou univerzální a spektra odezvy různých materiálů se liší. Mezi běžně používané fotoelektrické polovodičové materiály patří Si, Ge, InGaAs, InGaAsP a GaAsP a jejich spektra odezvy jsou znázorněna na obrázku x.
Doba odezvy
Rychlost, kterou fotoproud generovaný fotodiodou následuje signál dopadajícího světla, je typicky vyjádřen jako doba odezvy. Doba odezvy je parametr odrážející schopnost fotodetektoru reagovat na přechodné nebo vysokorychlostní -modulované světelné signály. Ovlivňují ji především tyto tři faktory:
1) Doba průchodu fotonosičů v oblasti vyčerpání.
2) Doba difúze fotonosičů generovaných mimo oblast vyčerpání.
3) Časová konstanta RC fotodiody a jejích přidružených obvodů.
Doba odezvy může být vyjádřena jako doba náběhu a doba poklesu výstupního impulsu fotodetektoru. Když je přechodová kapacita fotodiody relativně malá, doba náběhu a doba poklesu jsou krátké a relativně konzistentní; když je přechodová kapacita fotodiody relativně velká, je doba odezvy omezena časovou konstantou RC tvořenou odporem zátěže a přechodovou kapacitou, což má za následek delší doby náběhu a poklesu.
Obecně platí, že dobu náběhu poskytují technické specifikace fotodetektorů. U PIN fotodiod je doba náběhu t0je obvykle<1 ns; for APDs, this value is less than 0.5 ns.
Temný proud
Temný proud označuje proud ve fotodetektoru, když nedopadá žádné světlo. Přestože nedochází k žádnému dopadajícímu světlu, při určité teplotě může vnější tepelná energie generovat určité volné náboje v oblasti vyčerpání. Tyto náboje proudí pod vlivem zpětného předpětí a vytvářejí temný proud. Je zřejmé, že čím vyšší je teplota, tím více elektronů je teplotou excitováno a tím větší je temný proud. U PIN fotodiody nechejte temný proud při teplotě T I(T). Když teplota stoupne na T, pak:
Ve vzorci je C empirická konstanta a C=8 pro Si fotodiodu.
Temný proud nakonec určuje minimální detekovatelný optický výkon, což je citlivost fotodiody.
V závislosti na použitém polovodičovém materiálu se temný proud pohybuje mezi 0,1 a 500 nA.