Fotodetektory
advertisement
Politechnika Szczecińska Instytut Fizyki Fotodetektory Prezentację wykonała: mgr inż. Anna Jasik Zasada pracy fotodetektorów Fotodetektor dokonuje zamiany strumienia świetlnego na prąd elektryczny. Ta zamiana, czyli proces fotodetekcji, polega na optycznej absorpcji fotonów w materiale półprzewodnikowym. Jeżeli energia foton przekracza szerokość przerwy energetycznej materiału wówczas: Ef= hf >Eg to przy absorpcji fotonu generowana jest para elektron-dziura. Jeżeli spolaryzujemy półprzewodnik napięciem zewnętrznym, to na wygenerowane nośniki działa pole elektryczne powodując przepływ prądu. Przy braku polaryzacji generowane w złączu p-n nośniki powodują powstanie napięcia na okładkach fotodetektora. Napięcie to nosi nazwę fotowoltaicznego. Zasada pracy fotodetektorów Napięcie fotowoltaiczne wykorzystywane jest np. w bateriach ogniw słonecznych do zasilania różnego rodzaju urządzeń. W telekomunikacji praca przy braku polaryzacji nie jest wykorzystywana ze względu na małą szybkość działania. Najczęściej jako fotodetektory w systemach transmisji wykorzystywane są: Fotodiody p-i-n Fotodiody lawinowe Zasada pracy fotodetektorów Fotodiody na złączu p-n Wszystkie fotodetektory wykorzystują generację nośników w spolaryzowanym zaporowo złączu p-n ze względu na szybkość działania. Zasada pracy fotodetektorów Pary nośników wygenerowane przez fotony przy złączu są rozdzielane i usuwane w różne strony przez silne pole elektryczne istniejące w jego pobliżu, powodując przepływ prądu, określanego mianem fotoprądu. Natężenie fotoprądu jest wprost proporcjonalne do padającej na fotodetektor mocy promieniowania: I f RP Zasada pracy fotodetektorów Fotodiody półprzewodnikowe, są to najogólniej biorąc, złącza pn, w których zakłócenia koncentracji nośników mniejszościowych dokonuje się za pomocą energii fotonów docierających do złącza przez odpowiednie okienko wykonane w obudowie fotodiody. Czułość fotodetektora Wydajność kwantowa liczba _ wygenerowanych _ elektronów liczba _ padająadaj _ fotonów Jeśli liczbę fotonów padających na fotodetektor w jednostce czasu oznaczmy przez n, możemy łatwo określić związek między wielkościami R i h. Czułość fotodetektora nq q R P nhf hf If Ponieważ częstotliwość fotonu jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali, z zależności wynika, że czułość odbiornika rośnie wraz ze wzrostem długości fali. Czułość zależna jest także od rodzaju materiału użytego do budowy a także od grubości warstwy w jakiej pochłaniane są fotony (czyli wydajność kwantowa wiąże się ze współczynnikiem absorpcji α materiału z jakiego wykonano fotodetektor). Zbyt gruba warstwa prowadzi do wzrostu czasu jaki potrzebują nośniki na jej przebycie, co w konsekwencji ogranicza szybkość działania diody. Rysunek. Zależność współczynnika absorpcji różnych materiałów półprzewodniko wych od długości fali. Typy fotodetektorów Najprostszym z nich jest fotodioda p-n. Fotodioda PD 410 PI W skład spolaryzowanego zaporowo złącza p-n wykorzystywanego w takiej fotodiodzie wchodzi tak zwana warstwa zubożona pozbawiona swobodnych nośników. Typy fotodetektorów W tej warstwie wskutek przyłożonego z zewnątrz napięcia istnieje silne pole elektryczne szybko wymiatające generowane tu nośniki i powodujące przepływ prądu w obwodzie zewnętrznym. Szybkość działania takiej fotodiody jest rzędu ~100ps. Niestety pary elektrondziura są generowane również w sąsiadującej z warstwą zubożoną warstwie dyfuzyjnej, która jest praktycznie pozbawiona pola elektrycznego. Wygenerowane nośniki muszą dotrzeć do warstwy zubożonej w sposób dyfuzyjny, co jest procesem znacznie wolniejszym od dryftu. Typy fotodetektorów Fotodioda pracuje przy polaryzacji złącza w kierunku zaporowym. W stanie ciemnym (przy braku oświetlenia) przez fotodiodę płynie tylko prąd ciemny, będący prądem wstecznym złącza określonym przez termiczną generację nośników. Oświetlenie złącza powoduje generację dodatkowych nośników i wzrost prądu wstecznego złącza, proporcjonalny do natężenia padającego promieniowania. Przykładowe charakterystyki prądowe fotodiody p-n spolaryzowanej zaporowo. Typy fotodetektorów Fotodioda typu p-i-n. Warstwa samoistna ma wysoką rezystancję i w związku z tym występuje na niej duży spadek napięcia. Również natężenie pola elektrycznego osiąga tam duże wartości. Składnik prądu spowodowany dryftem jest w fotodiodzie p-i-n dominujący, co jest zasadniczą różnicą w odniesieniu do fotodiod p-n i stanowi o bardzo dużych szybkościach działania tych pierwszych. Pasma typowych fotodiod p-i-n są rzędu kilku do kilkuset GHz. Jednak szybkość działania takiej fotodiody ogranicza jej pojemność, wywołana zmianami zgromadzonego ładunku. Typy fotodetektorów Ogólnie rzecz biorąc w fotodiodzie pin między domieszkowanymi obszarami p-n znajduje się warstwa półprzewodnika samoistnego i. W takiej strukturze warstwa zaporowa ma dużą grubość, równą w przybliżeniu grubości warstwy samoistnej, co powoduje że pojemność takiego złącza jest bardzo mała, z czym wiąże się mała bezwładność działania fotodiody. Typy fotodetektorów Kolejnym rodzajem fotodetektora używanego w telekomunikacji światłowodowej jest fotodioda lawinowa. Oprócz warstw znanych z diody p-i-n ma ona dodatkową warstwę, w której przy przyłożeniu odpowiedniego napięcia zewnętrznego istnieje bardzo silne pole elektryczne. W tej warstwie elektrony i dziury mogą osiągać energię kinetyczną wystarczającą do generacji nowych par elektron-dziura. Proces ten jest zwany jonizacją zderzeniową. W fotodiodach lawinowych pojedynczy nośnik, wygenerowany przez pochłonięcie fotonu, może wskutek powielania lawinowego, stworzyć wiele wtórnych nośników powodując zwiększenie płynącego przez fotodiodę prądu. Typy fotodetektorów Istotną wadą takich fotodetektorów jest zależność współczynnika powielania lawinowego od temperatury (amplituda drgań termincznych). Co za tym idzie, że diody lawinowe są czułe na różnice napięcia i temperatury i dlatego muszą być bardzo dokładnie kompensowane. Typy fotodetektorów Składa się z dwóch metalowych elektrod oddzielonych warstwą półprzewodnika. W półprzewodniku generowane są fotoelektrony, które następnie są zbierane przez metalowe elektrody powodując przepływ prądu. Zaletą tych fotodetektorów jest mała pojemność wewnętrzna, co daje dużą szybkość działania porównywalną z fotodiodami p-i-n , dobre własności szumowe, a przede wszystkim łatwość scalania z tranzystorami, co umożliwia tworzenie optycznych układów scalonych. Podstawową wadą jest stosunkowo niewielka czułość. Zastosowanie fotodetektorów Układy elektroniczne współpracujące z fotodetektorami Układy elektroniczne współpracujące z fotodetektorami
