Fotodetektor (PD) konvertuje prijatéoptickýsignály na elektrické signály, čím sa dokončí konverzia optického-na{1}}elektrický signál. Základné požiadavky na PD sú:
1) Má dostatočne vysokú odozvu pri prevádzkovej vlnovej dĺžke systému, čo znamená, že môže vydávať najväčší možný fotoprúd pre daný výkon dopadajúceho svetla.
2) Má dostatočne rýchlu odozvu, vhodnú pre vysoko-rýchlostné alebo širokopásmové systémy.
3) Má najnižší možný šum, aby sa minimalizoval vplyv zariadenia na signál.
4) Vyznačujú sa malými rozmermi a dlhou životnosťou.
V súčasnosti existujú dva bežne používané polovodičové fotodetektory: PIN fotodiódy (PIN-PD) a lavínové fotodiódy (APD). Táto časť predstavuje hlavne princípy, ukazovatele výkonu a dva bežne používané typy fotodetektorov.
Princíp fotodetektorov
Fotodetektory využívajú fotoelektrický efekt polovodičových materiálov na dosiahnutie fotoelektrickej konverzie. Fotoelektrický efekt polovodičových materiálov je znázornený na obrázku nižšie.
Keď je energia hv dopadajúceho fotónu menšia ako zakázaný pás E, fotoelektrický efekt nenastane bez ohľadu na intenzitu dopadajúceho svetla. To znamená, že pre vznik fotoelektrického efektu musia byť splnené nasledujúce podmienky:
Inými slovami, dopadajúce svetlo s frekvenciou v < E/h nemôže vyvolať fotoelektrický efekt. Prevod v na vlnovú dĺžku, λc=hc/E. To znamená, že iba dopadajúce svetlo s vlnovou dĺžkou λ < λc môže v tomto materiáli vytvárať fotogenerované nosiče. Preto je λc maximálna vlnová dĺžka dopadajúceho svetla potrebná na vyvolanie fotoelektrického efektu, ktorý je tiež známy ako medzná vlnová dĺžka, a zodpovedajúca v sa nazýva medzná frekvencia. Každý fotón absorbovaný polovodičovým materiálom vytvorí pár elektrónových -dier. Ak sa na polovodičový materiál aplikuje elektrické pole, pár elektrónových{7}}dier bude prechádzať polovodičovým materiálom a vytvorí fotoprúd.
Okrem toho, že má medznú vlnovú dĺžku, účinnosť konverzie fotodiódy klesá, keď je vlnová dĺžka dopadajúceho svetla príliš krátka. Vo fotodióde sú dopadajúce fotóny absorbované a vytvárajú páry elektrónových -dier. Keď je vzdialenosť x=0, optická mohutnosť je P(0). Po vzdialenosti x je absorbovaná optická sila:
Vo vzorci (λ) je absorpčný koeficient materiálu, ktorý je funkciou vlnovej dĺžky.
Keď je vlnová dĺžka dopadajúceho svetla veľmi krátka, absorpčný koeficient materiálu je veľmi veľký. Výsledkom je, že na povrchu fotodiódy sa absorbuje veľké množstvo fotónov, čím sa vytvorí oblasť s nulovým-elektrickým-poľom. Páry elektrónových-dier, ktoré sa tu vygenerujú, musia najskôr difundovať do vyčerpanej vrstvy a až potom ich zhromaždí vonkajší obvod. Avšak v tomto regióne majú menšinové nosiče veľmi krátku životnosť a difundujú veľmi pomaly, často sa rekombinujú predtým, ako sa zhromaždia. To znižuje účinnosť fotodetektora. Preto majú fotodiódy vyrobené z určitých materiálov špecifický rozsah odozvy vlnovej dĺžky. Napríklad rozsah vlnovej dĺžky Si fotodiód je 0,5–10 μm a rozsah InGaAs fotodiód je 1,1–1,6 μm.
Charakteristika fotodetektorov
kvantová účinnosť
Dopadajúce svetlo (výkon P) obsahuje veľké množstvo fotónov. Pomer počtu fotónov, ktoré je možné premeniť na fotoprúd, k celkovému počtu dopadajúcich fotónov sa nazýva kvantová účinnosť, ktorá sa vypočíta podľa nasledujúceho vzorca:
Vo vzorci je náboj elektrónu,=1.6 × 10⁻¹ stupeň; I je generovaný fotoprúd; h je Planckova konštanta; a v je frekvencia fotónu. Kvantová účinnosť sa pohybuje od 50 % do 90 %.
Ak je odrazivosť dopadajúceho povrchu r a elektrónové -páry dier generované v povrchovej vrstve nulového-elektrického- poľa nemožno efektívne premeniť na fotoprúd a výkon dopadajúceho svetla je P(0), potom je fotoprúd:
Vo vzorci je koeficient absorpcie oblasti nulového -pola a vrstvy vyčerpania, hrúbka oblasti nulového- poľa a šírka vrstvy vyčerpania. Účinnosť je potom:
schopnosť reagovať
Pomer fotoprúdu k výkonu dopadajúceho svetla vo fotodetektore sa nazýva odozva (meraná v A/W).
Táto charakteristika udáva účinnosť fotodetektora pri premene optických signálov na elektrické signály. Typické hodnoty pre R sa pohybujú od 0,5 do 1,0 A/W. Napríklad hodnota R pre Si fotodetektor je 0,65 A/W pri vlnovej dĺžke 900 nm; hodnota R pre Ge fotodetektor je 0,45 A/W (pri 1300 nm); a odozva InGaAs je 0,9 A/W pri 1300 nm a 1,0 A/W pri 1550 nm.
Pre danú vlnovú dĺžku je odozva konštantná, ale nie je konštantná, keď sa uvažuje o veľkom rozsahu vlnových dĺžok. Keď sa vlnová dĺžka dopadajúceho svetla zväčšuje, energia dopadajúcich fotónov klesá, a keď je menšia ako bandgap, citlivosť rýchlo klesá na hraničnej vlnovej dĺžke.
Spektrum odozvy
Aby sa vytvorili fotogenerované nosiče, energia dopadajúceho fotónu musí byť väčšia ako bandgap materiálu fotodetektora. Túto podmienku možno vyjadriť takto:
Vo vzorci je λ medzná vlnová dĺžka.
Inými slovami, pre daný polovodičový detekčný materiál možno detegovať len svetlo s vlnovými dĺžkami kratšími ako je hraničná vlnová dĺžka a kvantová účinnosť detektora sa mení s vlnovou dĺžkou; táto charakteristika sa nazýva spektrum odozvy. Preto fotodetektory nie sú univerzálne a spektrá odozvy rôznych materiálov sa líšia. Bežne používané fotoelektrické polovodičové materiály zahŕňajú Si, Ge, InGaAs, InGaAsP a GaAsP a ich spektrá odozvy sú znázornené na obrázku x.
Čas odozvy
Rýchlosť, ktorou fotoprúd generovaný fotodiódou nasleduje signál dopadajúceho svetla, sa zvyčajne vyjadruje ako čas odozvy. Čas odozvy je parameter odrážajúci schopnosť fotodetektora reagovať na prechodné alebo vysokorýchlostné modulované svetelné signály. Ovplyvňujú ho najmä tieto tri faktory:
1) Čas prechodu fotonosičov v oblasti vyčerpania.
2) Čas difúzie fotonosičov generovaných mimo oblasti vyčerpania.
3) Časová konštanta RC fotodiódy a jej pridružených obvodov.
Čas odozvy možno vyjadriť ako čas nábehu a čas poklesu výstupného impulzu fotodetektora. Keď je spojovacia kapacita fotodiódy relatívne malá, čas nábehu a čas poklesu sú krátke a relatívne konzistentné; keď je prechodová kapacita fotodiódy relatívne veľká, čas odozvy je obmedzený časovou konštantou RC tvorenou odporom záťaže a prechodovou kapacitou, čo vedie k dlhším časom nábehu a poklesu.
Vo všeobecnosti technické špecifikácie fotodetektorov poskytujú čas nábehu. Pre PIN fotodiódy je čas nábehu t0je zvyčajne<1 ns; for APDs, this value is less than 0.5 ns.
Temný prúd
Tmavý prúd označuje prúd vo fotodetektore, keď nedochádza k žiadnemu dopadajúcemu svetlu. Hoci nedochádza k žiadnemu dopadajúcemu svetlu, pri určitej teplote môže vonkajšia tepelná energia generovať určité voľné náboje v oblasti vyčerpania. Tieto náboje prúdia pod vplyvom spätného predpätia a vytvárajú temný prúd. Je zrejmé, že čím vyššia je teplota, tým viac elektrónov je vzrušených teplotou a tým väčší je temný prúd. Pre PIN fotodiódu nech je tmavý prúd pri teplote T I(T). Keď teplota stúpne na T, potom:
Vo vzorci je C empirická konštanta a C=8 pre Si fotodiódu.
Tmavý prúd v konečnom dôsledku určuje minimálny detegovateľný optický výkon, ktorým je citlivosť fotodiódy.
V závislosti od použitého polovodičového materiálu sa temný prúd pohybuje medzi 0,1 a 500 nA.
