En fotodetektor (PD) konverterer mottattoptisksignaler til elektriske signaler, og fullfører dermed konverteringen av optisk-til-elektrisk signal. De grunnleggende kravene for en PD er:
1) Den har tilstrekkelig høy responsivitet ved systemets driftsbølgelengde, noe som betyr at den kan sende ut størst mulig fotostrøm for en gitt effekt av innfallende lys.
2) Den har en tilstrekkelig rask responshastighet, egnet for høy-hastighets- eller bredbåndssystemer.
3) Den har lavest mulig støy for å minimere enhetens påvirkning på signalet.
4) De har liten størrelse og lang levetid.
For tiden er det to ofte brukte halvlederfotodetektorer: PIN-fotodioder (PIN-PD-er) og skredfotodioder (APD-er). Denne delen introduserer hovedsakelig prinsippene, ytelsesindikatorene og to ofte brukte typer fotodetektorer.
Prinsippet for fotodetektorer
Fotodetektorer bruker den fotoelektriske effekten av halvledermaterialer for å oppnå fotoelektrisk konvertering. Den fotoelektriske effekten av halvledermaterialer er vist i figuren nedenfor.
Når energien hv til det innfallende fotonet er mindre enn båndgapet E, vil den fotoelektriske effekten ikke oppstå uavhengig av intensiteten til det innfallende lyset. Det vil si at følgende betingelse må være oppfylt for at den fotoelektriske effekten skal oppstå:
Med andre ord, innfallende lys med en frekvens v < E/h kan ikke produsere den fotoelektriske effekten. Konverterer v til bølgelengde, λc=hc/E. Det vil si at bare innfallende lys med en bølgelengde λ < λc kan generere fotogenererte bærere i dette materialet. Derfor er λc den maksimale bølgelengden av innfallende lys som kreves for å produsere den fotoelektriske effekten, også kjent som cutoff-bølgelengden, og den tilsvarende v kalles cutoff-frekvensen. Hvert foton absorbert av et halvledermateriale vil generere et elektron-hullpar. Hvis et elektrisk felt påføres halvledermaterialet, vil elektron-hullparet bevege seg gjennom halvledermaterialet og danne en fotostrøm.
I tillegg til å ha en cutoff-bølgelengde, reduseres fotodiodens konverteringseffektivitet når den innfallende lysbølgelengden er for kort. I en fotodiode absorberes innfallende fotoner, og genererer elektron-hullpar. Når avstanden x=0 er den optiske effekten P(0). Etter en avstand x er den absorberte optiske kraften:
I formelen er (λ) absorpsjonskoeffisienten til materialet, som er en funksjon av bølgelengden.
Når den innfallende lysbølgelengden er veldig kort, er absorpsjonskoeffisienten til materialet veldig stor. Som et resultat blir et stort antall fotoner absorbert ved overflaten av fotodioden, og skaper et null-elektrisk-feltområde. Elektron-hullpar generert her må først diffundere til utarmingslaget før de samles opp av den eksterne kretsen. Men i denne regionen har minoritetsbærere svært kort levetid og diffunderer veldig sakte, ofte rekombinerende før de samles. Dette reduserer effektiviteten til fotodetektoren. Derfor har fotodioder laget av visse materialer et spesifikt bølgelengderesponsområde. For eksempel er bølgelengderesponsområdet til Si-fotodioder 0,5–10 μm, og det for InGaAs-fotodioder er 1,1–1,6 μm.
Kjennetegn på fotodetektorer
kvanteeffektivitet
Innfallende lys (effekt P) inneholder et stort antall fotoner. Forholdet mellom antall fotoner som kan konverteres til fotostrøm og det totale antallet innfallende fotoner kalles kvanteeffektiviteten, som beregnes med følgende formel:
I formelen er elektronladningen,=1.6 × 10⁻¹ grad; I er den genererte fotostrømmen; h er Plancks konstant; og v er frekvensen til fotonet. Kvanteeffektiviteten varierer fra 50 % til 90 %.
Hvis reflektiviteten til den innfallende overflaten er r, og elektron-hullparene generert i det null-elektriske-feltoverflatelaget ikke effektivt kan omdannes til fotostrøm, og den innfallende lyseffekten er P(0), så er fotostrømmen:
I formelen er absorpsjonskoeffisienten til null-feltområdet og uttømmingslaget, er tykkelsen på null-feltområdet, og er bredden på utarmingslaget. Effektiviteten er da:
reaksjonsevne
Forholdet mellom fotostrøm og innfallende lyseffekt i en fotodetektor kalles responsivitet (målt i A/W).
Denne egenskapen indikerer effektiviteten til fotodetektoren i å konvertere optiske signaler til elektriske signaler. Typiske verdier for R varierer fra 0,5 til 1,0 A/W. For eksempel er R-verdien for en Si-fotodetektor 0,65 A/W ved en bølgelengde på 900 nm; R-verdien for en Ge-fotodetektor er 0,45 A/W (ved 1300 nm); og responsiviteten til InGaAs er 0,9 A/W ved 1300 nm og 1,0 A/W ved 1550 nm.
For en gitt bølgelengde er responsiviteten en konstant, men den er ikke konstant når man vurderer et stort bølgelengdeområde. Når bølgelengden til det innfallende lyset øker, avtar energien til de innfallende fotonene, og når den er mindre enn båndgapet, synker responsiviteten raskt ved avskjæringsbølgelengden.
Responsspekter
For å generere fotogenererte bærere, må energien til det innfallende fotonet være større enn båndgapet til fotodetektormaterialet. Denne tilstanden kan uttrykkes som følger:
I formelen er λ cutoff-bølgelengden.
Med andre ord, for et gitt halvlederdeteksjonsmateriale kan bare lys med bølgelengder kortere enn cutoff-bølgelengden detekteres, og kvanteeffektiviteten til detektoren varierer med bølgelengden; denne egenskapen kalles responsspekteret. Derfor er ikke fotodetektorer universelle, og responsspektrene til forskjellige materialer er forskjellige. Vanlig brukte fotoelektriske halvledermaterialer inkluderer Si, Ge, InGaAs, InGaAsP og GaAsP, og deres responsspektra er vist i figur x.
Responstid
Hastigheten som fotostrømmen generert av en fotodiode følger det innfallende lyssignalet med, uttrykkes typisk som responstid. Responstid er en parameter som gjenspeiler fotodetektorens evne til å reagere på transiente eller høyhastighetsmodulerte lyssignaler-. Det påvirkes hovedsakelig av følgende tre faktorer:
1) Transittiden til fotobærere i uttømmingsregionen.
2) Diffusjonstiden til fotobærere generert utenfor utarmingsområdet.
3) RC-tidskonstanten til fotodioden og dens tilhørende kretser.
Responstid kan uttrykkes som stigetiden og falltiden til utgangspulsen til en fotodetektor. Når koblingskapasitansen til fotodioden er relativt liten, er stigetiden og falltiden korte og relativt konsistente; når koblingskapasitansen til fotodioden er relativt stor, er responstiden begrenset av RC-tidskonstanten dannet av belastningsmotstanden og koblingskapasitansen, noe som resulterer i lengre stige- og falltider.
Vanligvis gir de tekniske spesifikasjonene til fotodetektorer stigetiden. For PIN-fotodioder er stigetiden t0er typisk<1 ns; for APDs, this value is less than 0.5 ns.
Mørk strøm
Mørk strøm refererer til strømmen i en fotodetektor når det ikke er noe innfallende lys. Selv om det ikke er noe innfallende lys, kan ekstern varmeenergi ved en viss temperatur generere noen gratis ladninger i utarmingsområdet. Disse ladningene strømmer under påvirkning av en omvendt forspenning, og danner en mørk strøm. Jo høyere temperatur, jo flere elektroner eksiteres av temperatur, og jo større mørkestrøm. For en PIN-fotodiode, la mørkestrømmen ved temperatur T være I(T). Når temperaturen stiger til T, da:
I formelen er C en empirisk konstant, og C=8 for Si-fotodiode.
Den mørke strømmen bestemmer til slutt den minste detekterbare optiske kraften, som er følsomheten til fotodioden.
Avhengig av halvledermaterialet som brukes, varierer mørkestrømmen mellom 0,1 og 500 nA.
