2012

Wykład 5A

1

Fotodetektory półprzewodnikowe:

W telekomunikacji najczęściej są używane:

• p-n, p-i-n i fotodiody z barierą Schottky’ego,
• fotodiody lawinowe (APD),
• fotodiody metal-półprzewodnik-metal (MSM),
• fotorezystory.

LITERATURA:
H-G. Unger – Telekomunikacja optyczna – WKiŁ W-wa 1979
J.C. Palais – Zarys telekomunikacji światłowodowej – WKiŁ 1991
Pod red. J. Holsztyńskiego – Laboratorium podstaw optoelektroniki

i miernictwa optoelektronicznego - O.W. PW – W-wa 2003

B. Ziętek _ Optoelektronika – Wyd. Naukowe UMK, Toruń 2011

Odbiorniki

2

Pasma różnych detektorów

Detektory termiczne

Detektory fotowoltaiczne

Detektory fotorezystywne

Fotopowielacze

0,1m

m

m

m

m

UV

VIS

IR

FIR

3

Rodzaje fotodiod

Fotodiody dzielimy ze względu na konstrukcję i funkcję na:

• fotodiody krzemowe o dużej czułości i małym prądzie ciemnym,
• fotodiody PIN o szerokim paśmie i małych napięciach polaryzacji,

bardzo szybkie, idealne do szybkiej fotometrii
i telekomunikacji optycznej,

• fotodiody zintegrowane z przedwzmacniaczem

i/lub chłodziarką termoelektryczną,

• fotodiody w zespołach liniowych i matrycowych
• fotodiody lawinowe (Si APD) o wewnętrznym mechanizmie

wzmacniania, bardzo szybkie i o szerokim paśmie
od ultrafioletu (UV) do podczerwieni (IR) - od 0,2 do 2 mm,

• fotodiody rentgenowskie do detekcji promieniowania X

i cząstek jonizujących.

4

Przejścia międzypasmowe w GaAs i Si

E

k

–k

E

g

E

c

E

v

E

k

–k

VB

E

c

E

v

Pasmo C

Przejście bezpośrednie

przez E

g

Pasmo V

Foton

Przejście

pośrednie przez E

g

Foton

Pasmo C

Pasmo V

Fonon

GaAs

Si

g

E

h





gdzie

zwykle

TH

TH

g

c

hc

E











5

0.2

0.4

0.6

0.8

1.2

1.4

1.6

1.8

Długość fali [m]

In

0.53

Ga

0.47

As

Ge

Si

In

0.7

Ga

0.3

As

0.64

P

0.36

InP

GaAs

a-Si:H

1

2

3

4

5

0.9

0.8

0.7

1



10

3

1



10

4

1



10

5

1



10

6

1



10

7

1



10

8

Energia fotonu [eV]



[m

-1

]

1.0

Współczynnik absorpcji (



) względem długości fali (



) dla różnych

krystalicznych półprzewodników

 





0

exp

x

x











Ponieważ obszary złączowe,
w których następuje
fotogeneracja nośników,
mają grubość rzędu 1 m,
to współczynnik absorpcji
powinien wynosić
około 104 cm

-1

, aby osiągnąć wysoką

efektywność tego procesu.
Wystąpi to tylko w półprzewodnikach
z bezpośrednim przejściem
przez przerwę energetyczną.
W optymalnych warunkach szerokość
przerwy powinna być nieco
mniejsza od energii fotonu.

6

Przekrój i działanie złącza fotodiody

exp

1

D

PD

S

L

T

u

i

I

i

U































i

PD

U

OC 1

(



1

)

U

OC 2

(



2

>



1

)

I

S

u

D

I

ZW 1

I

ZW 2

+ I

ZW



U

B0

•

Fotodiody, gdy pracują jako detektory, polaryzujemy zwykle
zaporowo.

•

Obszar p

+

ma grubość około 1 m (utworzony w technologii

epiplanarnej poprzez dyfuzję w warstwie epitaksjalnej n typu).

•

Warstwa ładunku przestrzennego tworzy się po obu stronach
złącza w warstwie zubożonej.

•

Obszar zubożony poszerza się głównie w słabo domieszkowany
obszar typu n do około 3 m.

•

Głębokość, na jaką wnikają fotony, zależy od długości fali
promieniowania optycznego.

p

+

SiO

2

Anoda



(x)

–qN

A

qN

D

x

x

E (x)

R

E

max

e

–

h

+

I

L

h



> E

g

W

E

n

Obszar zubożony

Pokrycie
antyrefleksyjne
Si

3

N

4

U

D

Katoda

u

wy



7

Fotodioda a fotoogniwo

R

L

U

DD

u

D



R

L

u

D



R

L

BPY48 (Siemens)

i

F

i

F

Po przyłożeniu napięcia do nieoświetlonej fotodiody obserwujemy
charakterystykę rewersyjną diody w podobny sposób
jak dla diody prostownicznej.
Po oświetleniu diody prąd rewersyjny staje się większy
i proporcjonalne wzrasta do intensywności światła;
prąd ten płynie od anody do katody.
W obwodzie otwartym następuje generacja napięcia U

OC

zgodnego z polaryzacją dodatnią anody.

W obwodzie zwartym prąd i

SC

jest szczególnie liniowy

do poziomu mocy oświetlenia.
W zakresie od 10

-12

to 10

-2

W liniowość ta jest w zakresie

nawet 9 rzędów w zależności od typu fotodiody i obwodu, w którym ona pracuje.
Dolna granica jej liniowości jest określona przez NEP,
zaś górna jest funkcją rezystancji obciążenia
i napięcia rewersyjnego polaryzacji.

8

Działanie fotodiod

• Pole elektryczne separuje elektrony i dziury i wywołuje i

dryft w przeciwnych kierunkach w kierunku obszarów
neutralnych.

• Dryfujące nośniki generują fotoprąd w obwodzie

zewnętrznym wywołując sygnał elektryczny.

• Fotoprąd pojawia się w ułamku czasu równym czasowi

potrzebnemu elektronom i dziurom do przebiegnięcia
przez warstwę zubożoną o grubości W i dotarcia do
obszaru neutralnego.

• Wielkość fotoprądu I

L

jest zależna od liczby

generowanych par e-h i prędkości unoszenia nośników
przez warstwę zubożoną.

9

Detektory diodowe

S(



)

[A/W]

1,0

0,5

850 1300 1550



[nm]

Si

InGaAs

Ge (23

o

C)

Ge (0

o

C)

Fotodiody krzemowe (Si) mają zastosowanie głównie w paśmie widzialnym.
Ge fotodiody pokrywają wszystkie okna optyczne i są stosowane od 750 do 1600 nm.
InGaAs detektory są idealne dla fal >1000 nm (szczególne dla III okna) ze względu na płaską
charakterystykę aż do 1700 nm.

10

Charakterystyka fotodiody p

+

-n

i

SC

u

OC

i

SC

u

OC

I

0

u

D

i

D





•

Załóżmy, że napięcie rewersyjne (U

R

) zostało przyłożone do przyrządu.

•

Warstwa zubożona reprezentuje sobą dużą rezystancję w tych warunkach: napięcie
U

R

+



0

rozkłada się na grubości W (



0

jest potencjałem wbudowanym złącza).

•

Pole elektryczne

E jest rozłożone w obszarze zubożonym i jego wartość można

określić poprzez całkowanie gęstości ładunku w tym obszarze



całk.

(równanie

Poissona).

•

Pole to nie jest jednorodne. Wartość maksymalna występuje w złączu w obszarze
zjonizowanym n.

11

Generacja par e-h w złączu p-n

- fotoprądu i

L

=i

h

+i

e

,

e

–

h

+

i

L

(t)

Półprzewodnik

U

D

x

E

x

W-x

t

v

e

v

h

v

h

0

W

x

t

e

–

h

+

t

h

t

0

t

h

t

e

i

L

(t)

t

0

t

h

t

e

Qv

h

/W

i

e

(t)

i

h

(t)

Ładunek Q

i

L

(t)

który składa się z dziur

i elektronów

h

h

v

i

Q

W



e

e

v

i

Q

W







h

e

Q

Q

Q





t

e

Qv

h

/W

Qv

e

/W

Qv

h

/W + Qv

e

/W



hv

wygenerowanych przez strumień

fotonów

[#/s]

o mocy światła P,

czyli wartość średnia w czasie

tego prądu wynosi:

P

h







L

i

q





gdzie



– sprawność kwantowa fotogeneracji.

dryft

12

Prędkość dryftu elektronów i dziur w Si w 300 K

10

2

10

3

10

4

10

5

10

7

10

6

10

5

10

4

Pole elektryczne [V/ m]

Elektrony

Dziury

Pr

ę

d

ko

ść

dryft

u [

m

/s

]

13

Główne parametry fotodiod

Podstawową wadą zwykłego złącza p-n jest jego

bardzo mała szerokość warstwy zaporowej W
przy typowych poziomach domieszkowania
obszarów przewodnictwa

(typowa szerokość W= 0,1-0,2µm).

Powoduje to następujące problemy:

1)

Mała efektywność, ponieważ względnie mała
absorpcja fotonów zachodzi w tak cienkiej
warstwie zubożonej (W << 2α−1),

2)

Znacząco duża pojemność złączowa, która

zmniejsza szybkość reakcji (duża stała

czasowa RC)

•

Fale krótkie (np. UV) są absorbowane na powierzchni
diody.

•

Dłuższe fale (IR) będą penetrować obszar zubożony.

•

A zatem optymalne są konstrukcje diod o cienkiej warstwie
typu p i grubej warstwie typu n.

•

Grubość warstwy zubożonej decyduje o pojemności diody,

a w ten sposób także o czasie reakcji diody jako detektora
(poza napięciem rewersyjnym).

• powierzchnia czynna 1 ... 3 mm

2

,

• czułość [mA/lx] lub [mA/W]

w zakresie widma 



,

• prąd ciemny [pA],
• pojemność elektryczna [pF],
• czas reakcji.

14

Czułość i sprawność

fotodiody

Czułość (responsivity):

A

W

PD

I















R 

Efektywność (efficiency) kwantowa:

A

fotonów/s

PD

Ph

I

q

E



















Łatwo wykazać, że

<1

hc

q







R

p

+

Anoda

h



> E

g

n

x

1

x

2

x

R<1

- współczynnik

odbicia













0

1

2

1 R

exp

exp

x

x

x









































2

2

1

2

1

0

1 R

...

2!

x

x

x

x

x











































Efektywność kwantowa może być zewnętrzna η

ext

albo wewnętrzna η

int

.

Zewnętrzna określa ilość elektronów wygenerowanych przez jeden
foton, a wewnętrzna ilość elektronów w prądzie w stosunku do jednego
zaabsorbowanego fotonu!

Dla



=1,24µm, η = 100% co odpowiada

R = 1A/W.

15

Fotodioda p-i-n

p+

i-Si

n+

SiO

2

Anoda



net

–eNa

eNd

x

x

E (x)

R

E

o

E

e–

h+

I

ph

h > E

g

W

U

D

=U

R

Uwy

Katoda

p

+

h



> E

g

i-Si

e

–

E

h

+

W



Dryft

Dyfuzja

U

R

Rewersyjnie spolaryzowana
dioda p-i-n jest oświetlona
fotonami o bardzo krótkiej
długości fali, które są absorbowane
tuż pod powierzchnią w warstwie typu p+.
Generowane fotonami
elektrony muszą dyfundować do warstwy
samoistnej, w której są wymiatane polem

E

do układu zewnętrznego.

16

Właściwości diod p-i-n

• Mniejsze poziomy domieszkowana powodują, że warstwa

zubożona jest grubsza, co redukuje pojemność diody.

• W fotodiodach PIN ta koncepcja polega na umieszczeniu

samoistnej warstwy półprzewodnika pomiędzy obszarami
p

+

i n

• Nawet przy umiarkowanych wartościach napięcia

rewersyjnego warstwa zubożona poszerza się na całą
grubość warstwy samoistnej.

• W efekcie: 1. krótszy czas odpowiedzi.

2. szersze pasmo.

17

Fotodioda lawinowa (APD)

A K

SiO

2

n

n

+

Iu

U

R

A

p

1. K
Kwanty 2.
hv>E

G

3.

E

C

E

i

E

F

1.
E

G

2.
3. E

V

p

+

SiO

2

Katoda



net

x

x

E(x)

R

E

h



> E

g

p

I

ph

e

–

h

+

Obszar
absorpcyjny

Obszar przebicia

lawinowego

Anoda

n

+

p

-

18

Struktura złączowa diod lawinowych

SiO

2

Pierścień
ochronny

Elektroda

Pokrycie antyrefleksyjne

n

n

n

+

p

+

P

-

p

Podłoże

Elektroda

n

+

p

+

P

-

p

Podłoże

Elektroda

Przebicie
lawinowe

19

Wzmocnienie lawinowe

Jonizacja uderzeniowa
przez jeden typ nośnika
(elektrony) M = 8
w tym przypadku,
oraz

t

x

W



=0

k0



=



k1

Iniektowany
elektron

tr

n sat

p sat

W

W

v

v











t

W

x

tr

n sat

W

v





 

Iniektowany
elektron

Jonizacja uderzeniowa
wywołana przez elektrony
i dziury 1<M<,

ale

Obszar p

+

Obszar p

+

Obszar n

+

Obszar n

+

1

1

n

R

BR

M

u

U

















i prąd APD:

APD

q M

i

h

 





20

Schemat zastępczy APD

i

L

- prąd generowany przez strumień światła



i

D

- prąd diody; C

J

- pojemność złączowa

r

SH

- rezystancja zwarcia

r

S

- rezystancja szeregowa diody

i

SH

– prąd zwarcia; u

D

- napięcie polaryzacji diody

i

O

- prąd wyjściowy; u

O

– napięcie wyjściowe

gdzie: I

0

- prąd rewersyjny nasycenia diody

U

T

=kT/q - potencjał termokinetyczny

Na podstawie schematu zastępczego
prąd wyjściowy fotodiody wynosi:

Napięcie obwodu rozwartego (R

L

=) u

OC

jest napięciem wyjściowym dla i

O

=0.

Skąd mamy

Prąd zwarcia i

SC

jest prądem wyjściowym

przy obciążeniu diody rezystancją R

L

=0;

wtedy u

O

=0 oraz

sales.hamamatsu.com/assets/html/ssd/.../index.htm -

r

S

i

D

i

SH

i

O

u

O

u

D

R

L

r

SH

C

J

i

L

 

0

exp

D

O

L

D

SH

L

SH

T

u

i

i

i

i

i

I

i

nU







































0

ln

1

L

SH

OC

T

i

i

u

nU

I



















0

exp

SC S

S

SC

L

SC

T

SH

i r

r

i

i

I

i

nU

r































i

SC

u

OC

i

SC

u

OC

I

0

u

D

i

D





21

Uwagi do fotodetektorów:

• Zauważmy, że absorpcja fotonów występuje na

odcinku, który jest zależny od długości fali.
Pamiętając, że rozkład pola nie jest jednorodny,
należy sądzić, że określenie zależności czasowej
sygnału fotoprądowego jest dość trudne.

• Powstający fotoprąd jest rezultatem tylko

strumienia elektronów a nie migracji dziur.

• Całkowanie prądu dziurowego w celu obliczenia

Q ładunku wykaże, że całkowita liczba
generowanych fotonami elektronów wynosi qN,

a nie 2qN (elektrony i dziury).

22

Fotodiody heterozłączowe

- uproszczony diagram oddzielnej absorpcji i multiplikacji (SAM) diody APD

E

N

n

Anoda

x

E (x)

R

L

h



I

L

Obszar absorpcyjny

Obszar

przebicia
lawinowego

InP

InGaAs

h

+

e

–

E

InP

P

+

n

+

U

R

U

O

23

Fotodioda Schottky’ego

W warunkach równowagi termicznej i stałego pola elektrycznego
tworzy się bariera potencjalna



Bp

dla dziur w obszarze typu p

albo dla elektronów φ

bn

w obszarze typu n.

Przy bardzo małych poziomach domieszkowania
w cienkiej warstwie przypowierzchniowej.
Tworzą się analogiczne do diody p-i-n struktury złączowe
M-i-n albo M-i-p.

Poziom próżni

Metal

Półprzewodnik typu p

E

F

W

M

W

Pp

q



Pp

E

C

E

V

24

Układ detekcyjny z APD

U

R

Prosta obciążenia
z rewersyjnym
napięciem zasilania

i

D

u

D

Duża rezystancja obciążenia:

- zwiększa poziom napięcia na wyjściu

- zmniejsza wpływ szumu cieplnego

Mała rezystancja obciążenia:

- zapewnia większą dynamikę sygnału wejściowego
- pozwala na szerokie pasmo modulacji

R

L

i

O

xG

Gi

O

R

L

R

FB

i

SC

-i

SC

R

FB

25

Czułość prądowa fotodiody

exp

1

D

PD

S

T

u

i

I

S

U



































Właściwości fotometryczne fotodiody oświetlonej strumieniem światła o natężeniu



określamy czułością prądową S



w równaniu

Zatem czułość prądową fotodiody definiujemy
następująco:

D

PD

U

i

S











Analizując ponownie szczególne dwa punkty na charakterystyce fotodiody
przy stałym oświetleniu



z powyższego równania mamy:

-

dla punktu zwarcia ( ):

0

D

u 

0

D

PD u

i

S







 

- dla punktu rozwarcia tzw. siłę foto-elektromotoryczną zależną
od strumienia oświetlenia:

ln

1

F

T

S

S

u

U

I





















i

D

U

OC 1

(



1

)

U

OC 2

(



2

>



1

)

I

0

u

D

I

ZW 1

I

ZW 2

+

I

ZW



U

B0

26

Czułość idealnej fotodiody i typowej diody

krzemowej

0

200 400 600 800 1000 1200

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Długość fali [nm]

Si fotodioda



g

Czułość [A/W]

Idealna fotodioda
QE = 100% (



= 1)

27

Czułość napięciowa fotodiody

1

PD

PD

L

d

i

u

i

r





Dla małych napięć na fotodiodzie jej prąd możemy zapisać jako

gdzie

0

PD

PD

d

PD U

u

r

i









Jeżeli fotodioda pracuje jako detektor przy obwodzie rozwartym i

PD

=0, to

PD

d L

d

P

u

r i

q

r

E























gdzie



– sprawność kwantowa fotodiody, P



- moc optyczna padająca na diodę

przy długości fali



, E



– energia fotonu, q – ładunek elementarny.

W tych warunkach czułość napięciowa przy



wynosi

,

DP

d

PD

DP

U

r

u

U

S

q

P

P

E





















28

Ograniczenia częstotliwościowe

1)

Czasem przelotu nośników t

tr

= W/v

sat

, który wynosi ~ 10÷11 ps czyli

100 GHz dla szerokości warstwy zubożonej o grubości ~1 µm.

2) Czasem ładowania obwodu RC, który dla R

L

= 50 Ω wynosi ~100 GHz

dla diody o średnicy 50 µm.

Częstotliwość odpowiedzi diody jest ograniczona dwoma czynnikami:

Właściwe parametry złączowe są rzadko ograniczeniem częstotliwości
pracy, jakimi są parametry pasożytnicze związane z połączeniami
drutowymi i polami kontaktowymi przyrządu. Ponieważ napięcie z
definicji wynosi Q/C, to integracja detektora ze wzmacniaczem jest
sposobem na zmniejszenie pojemności pasożytniczych na wejściu FET-a
i zwiększenie napięcia na bramce – w ten sposób osiąga się duże
częstotliwości pracy odbiornika.

Czas przelotu nośników przez warstwę zubożoną:

Prędkość v

d

, przy której nośniki przelatują przez warstwę zubożoną,

dryfując w jej polu elektrycznym, wynosi v

d

= µ

E.

Jeżeli grubość warstwy wynosi W, a napięcie polaryzacji diody U

R

,

wywołujące pole

E=U

R

/W, to prędkość można oszacować następująco

2

tr

d

R

W

W

t

v

U







29

Ograniczenia częstotliwościowe

Czas przelotu ładunków przez obszar zubożony

Ładunki te tworzą prąd

Przy harmonicznie pulsującym strumieniu światła ilość generowanych nośników
w jednostce czasu wyniesie:

Zatem

tr

d

W

t

v



 

 

tr

qN t

Q

i t

t

t













0

1

sin

N

N

m

t

t

















0

0

,

1

sin

W

sc

sc

sc

N

W

dx

N x t

m

t

v

v

v

















































, przyjmując, że

gdzie v

sc

– prędkość nośników

w obszarze ładunku przestrzennego

sc

dt

dx v



Po scałkowaniu, mamy





0

,

1

cos

cos

sc

sc

sc

N W

mv

W

N x t

t

t

v

W

v



























































A korzystając z tożsamości trygonometrycznej dla różnicy kosinusów, otrzymamy





0

2

,

1

sin

sin

2

2

sc

sc

sc

sc

N W

mv

W

W

N x t

t

v

W

v

v







































































30

Fotoprąd zmienny fotodiody

 

 

 

d

tr

qN t

v

i t

qN t

t

W





Korzystając z ogólnego wyrażenia

oraz z tablicowych wartości prędkości nośników v

sc

=v

d

, otrzymamy zatem

 

0

2

1

sin

sin

2

2

d

d

d

mv

W

W

i t

qN

t

W

v

v







































































a po zamianie zmiennych wg podstawienia t

tr

=W/v

d

ostatecznie uzyskamy wyrażenie

 













0

sin

2

1

sin

2

tr

tr

tr

t

i t

qN

m

t

t

t















































Z wykresu amplitudy prądu jako funkcji sin



(t-t

tr

) dla dużych pulsacji

(częstotliwości f) określimy punkt 3 dB, w którym funkcja sinx/x = 0,707, czyli

0, 44

tr

f t





Na przykład, dla czasu przelotu 0,25 ns maksimum modulacji pasma wynosi 1,76 GHz.

31

Pojemność złączowa fotodiody

Pojemność złączowa diody

określa szybkość odpowiedzi przyrządu optoelektronicznego poprzez jego stałą
czasową RC.

0

r

J

A

C

W

 



Zgodnie z powyższym: aby skrócić t

tr

należy korzystać z fotodiod o małym obszarze złącza A i pracujących przy dużym

napięciu rewersyjnym U

R

. Jednakże duże powoduje wzrost prądu ciemnego, a zatem należy być ostrożnym

przy projektowaniu układu dla małych poziomów sygnału detekowanego.

Dla W=1 m i



r

=13

mamy C

J

=1,15.10

-8

F/cm

2

=0,1 fF/m

2

Oprócz pojemności złączowej należy także uwzględnić pojemność montażową obudowy i wyprowadzeń diody C

T

.

Zwykle jest ona nawet dwa razy większa od C

J

, a zatem tworzą one z rezystancją obciążenia R

L

obwód RC,

którego czas ładowania wynosi

2

2,19

tr

L

J

t

R C



Uwzględniając progowy charakter złącza, jego pojemność określamy dobrze znaną zależnością
pierwiastkową od napięcia rewersyjnego polaryzacji U

R





1

1

2

3

...

0, 5

J

R

C

A U



















gdzie



– rezystywność materiału półprzewodnikowego.

32

Całkowity czas przelotu

Aby osiągnąć szybką odpowiedź w czasie t

3

, odległość jaką przemierzają nośniki powinna być krótka a napięcie

rewersyjne duże.
Powyższe trzy czynniki określają całkowity czas odpowiedzi fotodiody t

r

, który jest przybliżany następującą zależnością:

2

2

2

1

2

3

r

t

t

t

t







Fotodiody PIN i APD są konstruowane tak,
żeby mniej nośników było generowanych
poza warstwą zubożoną; C

J

jest mała, a czas przejścia nośników krótki.

Dlatego te rodzaje diod są idealne do detekcji szybkozmiennych
sygnałów świetlnych.
Częstotliwość odcięcia jest definiowana na poziomie 3 dB
sygnału wyjściowego przy modulacji harmonicznej sygnału
wejściowego z diody laserowej.
Czas narastania w przybliżeniu określamy według wzoru:

0, 35

r

co

t

f



Diody prod. Hammamatsu Inc.

t

r

10%

90%



we

Odpowied

ź

pr

ądowa

33

Szumy fotodiody

Szumy napięciowe rozwartego detektora
fotowoltaicznego wynoszą

2

4

d

u

kTr

f





NEP

2

d

kT

E

nq r





Detekcyjność wiążemy z NEP następująco:

*

D =

NEP

2

d

q

r A

A

E

kT







cm Hz

W













mierzona w

gdzie A – powierzchnia detektora [cm].

- czyli są szumami Johnsona różniczkowej (dynamicznej) rezystancji diody.

Natomiast NEP (Noise Equivalent Power), z definicji wynosi

34

Szumy w fotodiodach lawinowych

Współczynnik multiplikacji

Excess

Nois

e

Fa

cto

r

F

(M)

Wg J. Cambell z UT Austin

35

Uproszczony schemat struktury warstwowej

bardziej praktycznej podtrawionej diody lawinowej

SAGM

P

+

–InP podłoże

P

+

–InP (2-3 m) Buforowa warstwa epitaksjalna

N–InP (2-3 m) Warstwa multiplikacyjna.

Foton

n–In

0.53

Ga

0.47

As (5-10 m) Warstwa absorpcyjna

Warstwa n-InGaAsP (<1 m) z gradientem domieszek

Elektroda

Elektroda

36

InP

InGaAs

h

+

e

–

E

E

c

E

v

E

c

E

v

InP

InGaAs

E

v

E

v

Warstwa pośrednia w InGaAsP

h

+

E

v

(a)

(b)

© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

Diagram struktury energetycznej heterozłaczowej
diody ADP, w który występuje uskok w paśmie
walencyjnym

E

V

w przejściu z InGaAs do InP,

który zwalnia dziury wchodzące do warstwy InP.

Stopniowe przejście z pośrednimi uskokami
energii w paśmie walencyjnym,
które ułatwia dziurom przejście do InP.

… SAGM

37

n

+

E

c

E

v

10–20 nm

p

+

E

g 1

E

g2

E

c

(a)

(b)

h



h

+

e

–

E

© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

Struktura energetyczna schodkowej supersieci w diodach APD:
(a) – bez polaryzacji; (b) – z polaryzacją

… SAGM

38

Parametry fotodiod w obudowie

TO-5 (TO-8)

1400

@ 0mV

1

8.10

-14

3

10 pA

@10 mV

0,22

@710 nm

190 –760

2,3x2,3

G1746 (Schottky)
HAMAMATSU

40

0,003

10

@110V

Ef. kwantowa

70%

350 – 1050



3,0

mm

S2384 (Si APD)
HAMAMATSU

1

< 10

5*10

-14

0,25

@

850 nm

1 nA
@10 mV

0,6@850 nm

33,5

PR33-4 TO8
SILICON SENSOR
GmbH

13

7.10

-14

0,05

10

@20V

0,6

@920 nm

400 –1100

2,4x2,8

S1223 (p-i-n)
HAMAMATSU

500

500

7.10

-15

1

0,050

@10 mV

0,4

@720 nm

190 –1000

3,7x3,7

S1226-44BQ (Si)
HAMAMATSU

C

J

[pF]

r

SH

[G]

r

S

[]

N.E.P

[W/Hz]

Czas

reakcji

[s]

Prąd

ciemny[nA]

@U

R

=

Max.

czułość [ A/W]

@



p

Pasmo

[nm]

Obszar

czynny

[mm

2

]

Parametr

Typ

39

InGaAs fiber-optic pin photodetector

(Thorlabs D400FC)

Zakres widma 800 – 1700 nm
Czułość 0,95 A/W @ 1550 nm
Czas narastania/opadania 0,1 ns
Pojemność złączowa 0,7 pF (typ)
NEP @ 1550 nm 1.0 x 10-15 W/(Hz)

1/2

Prąd ciemny 0,7nA (typ), 1,0 nA (max)
Średnica obszaru aktywnego PD 0,1 mm
Pasmo 1 GHz (min)
Próg uszkodzenia 100 mW CW (mocy ciągłej)
Polaryzacja (rewersyjna) 12V z baterii
Sferyczna soczewka sprzęgająca 0,8” dia.
Efektywność sprzężenia 92% (typ) z SMF i MMF
w całym zakresie widma

40

Separate-absorption-charge-

multiplication (SACM) Ge-Si APD

CMOS-compatible Ge/Si APDs with a

GBP as high as 340 GHz by using the structure of a
separate-absorption-charge-multiplication (SACM)

Dla fotodiod APD iloczyn pasmo-wzmocnienie
(gain-bandwidth product -GBP) jest jednym z najważniejszych parametrów.
Dla tradycyjnych detektorów APD na bazie InP GBP wynosi około
100 GHz dzięki dużej wartości k (~0,4-0,5).
Dla porównania, krzem ma małą wartość k (<0,1).

Yimin Kang, et al. Monolithic Ge/Si Avalanche
Photodiodes with 340GHz Gain-Bandwidth
Product. Nature Photon. 3(2009): 59.

41

Fotopowielacze

42

Odbiornik liniowy

Przedwzmacniacz

Lokalne FB

- automatyczna

kontrola wzmocnienia

Tłumik

Driver

Demodulator

AGC

-U

R

U

CC

= 5V

100

5k1

510

510

4k2

100

1

2N5088

2N5088

InGaAs PIN photodiode with preamp, 10Gbps,
FC pigtail ceramic-pkg, for 1.31/1.55µm,
optical fiber communications, SDH/SONET,
Fiber Channel, Ethernet

G9298

Hammamatsu

43

Odbiornik świałowodowy

- Fibre Optic Receiver for High Data Rates

The new G9298 series of pigtailed InGaAs PIN photodiodes has a response of 10 Gbit/s,
a typical gain of 5.5 kW and a typical dynamic range of -19 to +1 dBm. Typical sensitivity
is 0.80 A/W at 1.3 m and 0.85 A/W at 1.55 m, with a voltage requirement of 3.3 V.
Designed with a standard SM (9.5/125) fiber, it can be equipped with SC, FC, LC,
or MU connectors, depending on design requirements.
Hamamatsu, Bridgewater, NJ

Key Specifications

Part number

G9298-22

Product name

InGaAs PIN photodiode

with preamp pigtail 10Gbps
FC connector

Package

Pigtail

MountType

board

Connector

FC/SPC

Peak

1.55 µm

BW 10 Mbps
f

co

8500 MHz

P

min

-19 dBm

P

max

1 dBm

Application

Optical fiber communication

44

G9298

45

Fotodioda krzemowa w układzie z

przedwzmacniaczem

Typowy układ fotodiody ze wzmacniaczem. Napięcie wyjściowe u

out

od wartości DC poprzez zakres nisko-

częstotliwościowy jest przesunięte w fazie o 180

o

względem prądu wejściowego I

SC

.

Rezystancja sprzężenia zwrotnego R

FB

jest określona Isc i wymaganym napięciem wyjściowym u

out

.

Jednakże jeżeli R

FB

damy większą niż wejściowa rezystancja fotodiody r

sh

, , to wejściowe napięcie szumów wzmacniacza

e

n

i napięcie offsetu będzie pomnożone przez

Zatem nie jest praktyczne wstawianie dużej R

FB

. Jeżeli wejściowa pojemność wynosi C

T

, to pojemność sprzęgająca C

FB

zapobiega oscylacjom w dużych częstotliwościach i tworzy filtr dolnoprzepustowy ze stałą czasową C

FB

× R

FB

.

Wartość C

FB

powinna być dobrana zgodnie z aplikacją. Jeżeli wejściowy impuls świetlny jest podobny do iskry podczas

wyładowań i zachodzi potrzeba scałkowania wejściowego światła, to można usunąć R

FB

i wtedy wzmacniacz oraz C

FB

działają jak układ całkujący. Jakkolwiek wyłącznik jest potrzebny do rozładowania przed następnym całkowaniem.

1

FB

sh

R

r















R

FB

=10 M

C

FB

=10 p

r

SH

=100 M

C

T=

100 p

e

n

A; BW=1 MHz

e

n

– equivalent noise

u

OUT

46

Fototranzystory

baza

h





emiter

p n

n

U

CE

kolektor

n

+

p



I

E

n

I

E

I

L

47

Typowe parametry detektorów

6 -160 (od V)

0,1 – 0,5

7 – 9 ( od V)

Fotodioda lawinowa (InGaAs)

10- 250

0,1 - 2

10- 125 (zależna

od V)

Fotodioda lawinowa (Si)

400 (zależna od V)

0,3 – 1

Zależna od V

Fotodioda lawinowa (Ge)

0,1 - 3

0,005 - 5

0,8

Fotodioda p-i-n (InGaAs)

1- 10

0,1 – 5 ns

0,5

Fotodioda p-i-n (Si)

100

0,1-1 ns

0,4

Fotodioda p-i-n (Ge)

100

40s

500

Fotodarlington

25

2,5 s

18

Fototranzystor (Si)

Prąd ciemny [nA]

Czas narastania

Czułość [A/W]

Rodzaj

48

Detekcja bio-reagentów i gazów rakietowych

290 nm

Bioorganizm

Detektor

Głęboki ultrafiolet UV

Spektrometr

Widmo Słońca

A. Bio-reagenty są wykrywane w widmie fluoresencyjnym wywołanym UV

Warstwa
ozonowa

B. Detektory ślepe na światło słoneczne służą do wykrywania
gazów spalinowych z dyszy rakiet.