Fotodetektor (PD) pretvori prejetooptičnisignale v električne signale, s čimer je dokončana pretvorba optičnega-v-električnega signala. Osnovne zahteve za PD so:
1) Ima dovolj visoko odzivnost pri delovni valovni dolžini sistema, kar pomeni, da lahko odda največji možni fototok za dano moč vpadne svetlobe.
2) Ima dovolj hitro odzivno hitrost, primerno za-hitrostne ali širokopasovne sisteme.
3) Ima najnižji možni šum, da zmanjša vpliv naprave na signal.
4) Imajo majhno velikost in dolgo življenjsko dobo.
Trenutno obstajata dva pogosto uporabljena polprevodniška fotodetektorja: fotodiode PIN (PIN-PD) in lavinske fotodiode (APD). Ta razdelek v glavnem predstavlja načela, indikatorje učinkovitosti in dve pogosto uporabljeni vrsti fotodetektorjev.
Načelo delovanja fotodetektorjev
Fotodetektorji uporabljajo fotoelektrični učinek polprevodniških materialov za doseganje fotoelektrične pretvorbe. Fotoelektrični učinek polprevodniških materialov je prikazan na spodnji sliki.
Ko je energija hv vpadnega fotona manjša od prepovedanega pasu E, fotoelektrični učinek ne bo nastopil ne glede na jakost vpadne svetlobe. To pomeni, da mora biti za pojav fotoelektričnega učinka izpolnjen naslednji pogoj:
Z drugimi besedami, vpadna svetloba s frekvenco v < E/h ne more povzročiti fotoelektričnega učinka. Pretvorba v v valovno dolžino, λc=hc/E. To pomeni, da lahko samo vpadna svetloba z valovno dolžino λ < λc ustvari fotogenerirane nosilce v tem materialu. Zato je λc največja valovna dolžina vpadne svetlobe, ki je potrebna za ustvarjanje fotoelektričnega učinka, znanega tudi kot mejna valovna dolžina, ustrezen v pa se imenuje mejna frekvenca. Vsak foton, ki ga absorbira polprevodniški material, ustvari par elektronov-luknje. Če se na polprevodniški material uporabi električno polje, bo par elektronov-lukenj potoval skozi polprevodniški material in tvoril fototok.
Poleg mejne valovne dolžine se učinkovitost pretvorbe fotodiode zmanjša, ko je valovna dolžina vpadne svetlobe prekratka. V fotodiodi se vpadni fotoni absorbirajo, pri čemer nastanejo elektronski-pari lukenj. Ko je razdalja x=0, je optična moč P(0). Po razdalji x je absorbirana optična moč:
V formuli je (λ) absorpcijski koeficient materiala, ki je funkcija valovne dolžine.
Ko je valovna dolžina vpadne svetlobe zelo kratka, je absorpcijski koeficient materiala zelo velik. Posledično se na površini fotodiode absorbira veliko število fotonov, kar ustvari območje brez-električnega-polja. Tu ustvarjeni pari elektronskih -lukenj morajo najprej difundirati do osiromašene plasti, preden jih zbere zunanje vezje. Vendar pa imajo v tej regiji manjšinski nosilci zelo kratko življenjsko dobo in se razpršijo zelo počasi, pogosto se rekombinirajo, preden se zberejo. To zmanjša učinkovitost fotodetektorja. Zato imajo fotodiode iz določenih materialov določeno območje odziva na valovne dolžine. Na primer, razpon valovne dolžine Si fotodiod je 0,5–10 μm, fotodiod InGaAs pa 1,1–1,6 μm.
Značilnosti fotodetektorjev
kvantna učinkovitost
Vpadna svetloba (moč P) vsebuje veliko število fotonov. Razmerje med številom fotonov, ki jih je mogoče pretvoriti v fototok, in skupnim številom vpadnih fotonov imenujemo kvantna učinkovitost, ki se izračuna po naslednji formuli:
V formuli je naboj elektrona,=1.6 × 10⁻¹ stopinja; I je ustvarjeni fototok; h je Planckova konstanta; in v je frekvenca fotona. Kvantni izkoristek se giblje od 50 % do 90 %.
Če je odbojnost vpadne površine r in parov elektronskih-lukenj, ki nastanejo v površinski plasti brez{1}}električnega-polja, ni mogoče učinkovito pretvoriti v fototok in je moč vpadne svetlobe P(0), potem je fototok:
V formuli je absorpcijski koeficient območja z nič-poljem in osiromašene plasti, je debelina območja z ničelnim-poljem in je širina osiromašene plasti. Učinkovitost je potem:
odzivnost
Razmerje med fototokom in močjo vpadne svetlobe v fotodetektorju se imenuje odzivnost (merjeno v A/W).
Ta lastnost označuje učinkovitost fotodetektorja pri pretvarjanju optičnih signalov v električne signale. Tipične vrednosti za R se gibljejo od 0,5 do 1,0 A/W. Na primer, vrednost R za Si fotodetektor je 0,65 A/W pri valovni dolžini 900 nm; vrednost R za fotodetektor Ge je 0,45 A/W (pri 1300 nm); in odzivnost InGaAs je 0,9 A/W pri 1300 nm in 1,0 A/W pri 1550 nm.
Za določeno valovno dolžino je odzivnost konstantna, ni pa konstantna, če upoštevamo širok razpon valovnih dolžin. Ko se valovna dolžina vpadne svetlobe poveča, se energija vpadnih fotonov zmanjša, in ko je manjša od pasovne vrzeli, odzivnost hitro upade na mejni valovni dolžini.
Odzivni spekter
Da bi ustvarili fotogenerirane nosilce, mora biti energija vpadnega fotona večja od pasovne širine materiala fotodetektorja. Ta pogoj se lahko izrazi na naslednji način:
V formuli je λ mejna valovna dolžina.
Z drugimi besedami, za določen polprevodniški material za zaznavanje je mogoče zaznati samo svetlobo z valovno dolžino, krajšo od mejne valovne dolžine, kvantna učinkovitost detektorja pa se spreminja glede na valovno dolžino; ta značilnost se imenuje odzivni spekter. Zato fotodetektorji niso univerzalni in se odzivni spektri različnih materialov razlikujejo. Običajno uporabljeni fotoelektrični polprevodniški materiali vključujejo Si, Ge, InGaAs, InGaAsP in GaAsP, njihovi odzivni spektri pa so prikazani na sliki x.
Odzivni čas
Hitrost, s katero fototok, ki ga ustvari fotodioda, sledi signalu vpadne svetlobe, je običajno izražena kot odzivni čas. Odzivni čas je parameter, ki odraža sposobnost fotodetektorja, da se odzove na prehodne ali visoko{1}}hitrostne modulirane svetlobne signale. Nanj vplivajo predvsem naslednji trije dejavniki:
1) Tranzitni čas fotonosilcev v območju izčrpavanja.
2) Difuzijski čas fotonosilcev, ustvarjenih zunaj območja osiromašenja.
3) Časovna konstanta RC fotodiode in njenega povezanega vezja.
Odzivni čas je mogoče izraziti kot čas vzpona in čas padca izhodnega impulza fotodetektorja. Ko je spojna kapacitivnost fotodiode razmeroma majhna, sta čas vzpona in čas padca kratka in razmeroma dosledna; ko je spojna kapacitivnost fotodiode razmeroma velika, je odzivni čas omejen s časovno konstanto RC, ki jo tvorita obremenitveni upor in spojna kapacitivnost, kar ima za posledico daljše čase vzpona in padca.
Na splošno tehnične specifikacije fotodetektorjev zagotavljajo čas vzpona. Za fotodiode PIN je čas vzpona t0je običajno<1 ns; for APDs, this value is less than 0.5 ns.
Temni tok
Temni tok se nanaša na tok v fotodetektorju, ko ni vpadne svetlobe. Čeprav ni vpadne svetlobe, lahko pri določeni temperaturi zunanja toplotna energija ustvari nekaj brezplačnih nabojev v območju izčrpanosti. Ti naboji tečejo pod vplivom povratne prednapetosti in tvorijo temni tok. Očitno je, da višja kot je temperatura, več elektronov vzbudi temperatura in večji je temni tok. Za fotodiodo PIN naj bo temni tok pri temperaturi T I(T). Ko se temperatura dvigne na T, potem:
V formuli je C empirična konstanta, C=8 pa za Si fotodiodo.
Temni tok na koncu določi najmanjšo zaznavno optično moč, ki je občutljivost fotodiode.
Odvisno od uporabljenega polprevodniškega materiala se temni tok giblje med 0,1 in 500 nA.
