Fotodetektor (PD) teisendab vastuvõetudoptilinesignaale elektrilisteks signaalideks, viies sellega lõpule optilise -elektriliseks signaaliks{1}}muundamise. PD põhinõuded on järgmised:
1) Sellel on piisavalt kõrge tundlikkus süsteemi töölainepikkusel, mis tähendab, et see suudab antud langeva valguse võimsuse korral väljastada suurima võimaliku fotovoolu.
2) Sellel on piisavalt kiire reageerimiskiirus, mis sobib kiirete{1}}- või lairibasüsteemide jaoks.
3) Sellel on madalaim võimalik müra, et minimeerida seadme mõju signaalile.
4) Neil on väike suurus ja pikk kasutusiga.
Praegu on tavaliselt kaks pooljuhtfotodetektorit: PIN-fotodioodid (PIN-PD-d) ja laviinifotodioodid (APD-d). See jaotis tutvustab peamiselt fotodetektorite põhimõtteid, jõudlusnäitajaid ja kahte enamkasutatavat tüüpi.
Fotodetektorite põhimõte
Fotodetektorid kasutavad fotoelektrilise muundamise saavutamiseks pooljuhtmaterjalide fotoelektrilist efekti. Pooljuhtmaterjalide fotoelektriline efekt on näidatud alloleval joonisel.
Kui langeva footoni energia hv on väiksem kui ribavahemik E, ei teki fotoelektrilist efekti sõltumata langeva valguse intensiivsusest. See tähendab, et fotoelektrilise efekti ilmnemiseks peab olema täidetud järgmine tingimus:
Teisisõnu, langev valgus sagedusega v < E/h ei saa tekitada fotoelektrilist efekti. V teisendamine lainepikkuseks, λc=hc/E. See tähendab, et ainult langev valgus lainepikkusega λ < λc võib tekitada selles materjalis fotogenereeritud kandjaid. Seetõttu on λc langeva valguse maksimaalne lainepikkus, mis on vajalik fotoelektrilise efekti tekitamiseks, tuntud ka kui piirlainepikkus, ja vastavat v nimetatakse piirsageduseks. Iga pooljuhtmaterjali neeldunud footon tekitab elektron{5}}augupaari. Kui pooljuhtmaterjalile rakendatakse elektrivälja, liigub elektron{7}}augupaar läbi pooljuhtmaterjali, moodustades fotovoolu.
Lisaks piirlainepikkusele väheneb fotodioodi muundamise efektiivsus, kui langeva valguse lainepikkus on liiga lühike. Fotodioodis neelduvad langevad footonid, tekitades elektron{1}}augupaare. Kui kaugus x=0, on optiline võimsus P(0). Pärast vahemaad x on neeldunud optiline võimsus:
Valemis on (λ) materjali neeldumistegur, mis on lainepikkuse funktsioon.
Kui langeva valguse lainepikkus on väga lühike, on materjali neeldumistegur väga suur. Selle tulemusena neeldub fotodioodi pinnal suur hulk footoneid, luues null-elektrilise-välja piirkonna. Siin loodud elektron-augupaarid peavad esmalt difundeeruma tühjenduskihti, enne kui väline vooluahel need kokku kogub. Kuid selles piirkonnas on vähemuskandjatel väga lühike eluiga ja nad levivad väga aeglaselt, sageli enne kogumist rekombineerudes. See vähendab fotodetektori efektiivsust. Seetõttu on teatud materjalidest valmistatud fotodioodidel konkreetne lainepikkuse reaktsioonivahemik. Näiteks Si fotodioodide lainepikkuse reaktsioonivahemik on 0,5–10 μm ja InGaAs fotodioodidel 1,1–1,6 μm.
Fotodetektorite omadused
kvanttõhusus
Langev valgus (võimsus P) sisaldab suurt hulka footoneid. Fotovooluks teisendatavate footonite arvu ja langevate footonite koguarvu suhet nimetatakse kvantefektiivsuseks, mis arvutatakse järgmise valemiga:
Valemis on elektroni laeng,=1.6 × 10⁻¹ kraad ; I on genereeritud fotovool; h on Plancki konstant; ja v on footoni sagedus. Kvantefektiivsus on vahemikus 50% kuni 90%.
Kui langeva pinna peegeldusvõime on r ja null-electric-välja pinnakihis genereeritud elektron-augupaare ei saa efektiivselt fotovooluks teisendada ja langeva valguse võimsus on P(0), siis on fotovool:
Valemis on null-välja piirkonna ja ammendumise kihi neeldumistegur, null-välja piirkonna paksus ja tühjenduskihi laius. Tõhusus on siis:
reageerimisvõimet
Fotovoolu ja langeva valguse võimsuse suhet fotodetektoris nimetatakse reaktsioonivõimeks (mõõdetakse A/W-des).
See omadus näitab fotodetektori efektiivsust optiliste signaalide elektrilisteks signaalideks muundamisel. Tüüpilised väärtused R on vahemikus 0,5 kuni 1,0 A/W. Näiteks Si fotodetektori R väärtus on 0,65 A/W lainepikkusel 900 nm; Ge fotodetektori R väärtus on 0,45 A/W (1300 nm juures); ja InGaAs tundlikkus on 0,9 A/W lainepikkusel 1300 nm ja 1,0 A/W lainepikkusel 1550 nm.
Teatud lainepikkuse korral on tundlikkus konstantne, kuid see ei ole konstantne, kui arvestada suurt lainepikkuse vahemikku. Kui langeva valguse lainepikkus suureneb, langevate footonite energia väheneb ja kui see on väiksem kui ribalaius, langeb tundlikkus piirlainepikkusel kiiresti.
Vastuste spekter
Fotogenereeritud kandjate genereerimiseks peab langeva footoni energia olema suurem kui fotodetektori materjali ribalaius. Seda tingimust saab väljendada järgmiselt:
Valemis on λ piirlainepikkus.
Teisisõnu, antud pooljuhtide tuvastamise materjali puhul saab tuvastada ainult valgust, mille lainepikkus on lühem kui piirlainepikkus, ja detektori kvantefektiivsus varieerub sõltuvalt lainepikkusest; seda omadust nimetatakse reaktsioonispektriks. Seetõttu ei ole fotodetektorid universaalsed ja erinevate materjalide reaktsioonispektrid on erinevad. Tavaliselt kasutatavate fotoelektriliste pooljuhtmaterjalide hulka kuuluvad Si, Ge, InGaAs, InGaAsP ja GaAsP ning nende reaktsioonispektrid on näidatud joonisel x.
Reageerimisaeg
Kiirus, millega fotodioodi tekitatud fotovool järgneb langevale valgussignaalile, väljendatakse tavaliselt reaktsiooniajana. Reageerimisaeg on parameeter, mis peegeldab fotodetektori võimet reageerida mööduvatele või suure kiirusega moduleeritud valgussignaalidele. Seda mõjutavad peamiselt järgmised kolm tegurit:
1) Fotokandjate läbimise aeg ammendumise piirkonnas.
2) Väljaspool ammendumispiirkonda tekitatud fotokandjate difusiooniaeg.
3) Fotodioodi ja sellega seotud vooluahela RC ajakonstant.
Reaktsiooniaega saab väljendada fotodetektori väljundimpulsi tõusu- ja langusaega. Kui fotodioodi ristmiku mahtuvus on suhteliselt väike, on tõusu- ja langusaeg lühikesed ja suhteliselt ühtlased; kui fotodioodi ristmiku mahtuvus on suhteliselt suur, piirab reaktsiooniaega RC-ajakonstant, mille moodustavad koormustakistus ja ristmiku mahtuvus, mille tulemuseks on pikemad tõusu- ja langusajad.
Üldjuhul annavad fotodetektorite tehnilised andmed tõusuaja ette. PIN-fotodioodide puhul on tõusuaeg t0on tüüpiliselt<1 ns; for APDs, this value is less than 0.5 ns.
Tume vool
Tume vool viitab voolule fotodetektoris, kui langevat valgust pole. Kuigi langevat valgust pole, võib väline soojusenergia teatud temperatuuril tekitada tühjenemise piirkonnas mõningaid vabu laenguid. Need laengud voolavad vastupidise eelpinge mõjul, moodustades tumeda voolu. Ilmselgelt, mida kõrgem on temperatuur, seda rohkem elektrone ergastab temperatuur ja seda suurem on tumevool. PIN-fotodioodi puhul olgu tume vool temperatuuril T I(T). Kui temperatuur tõuseb T-ni, siis:
Valemis on C empiiriline konstant ja C=8 Si fotodioodi jaoks.
Tume vool määrab lõpuks kindlaks minimaalse tuvastatava optilise võimsuse, mis on fotodioodi tundlikkus.
Sõltuvalt kasutatavast pooljuhtmaterjalist varieerub tumevool vahemikus 0,1 kuni 500 nA.
