Ένας φωτοανιχνευτής (PD) μετατρέπει τα ληφθένταοπτικόςσήματα σε ηλεκτρικά σήματα, ολοκληρώνοντας έτσι τη μετατροπή οπτικού-σε-ηλεκτρικού σήματος. Οι βασικές απαιτήσεις για ένα ΠΔ είναι:
1) Διαθέτει αρκετά υψηλή απόκριση στο μήκος κύματος λειτουργίας του συστήματος, που σημαίνει ότι μπορεί να εξάγει το μεγαλύτερο δυνατό φωτορεύμα για μια δεδομένη ισχύ προσπίπτοντος φωτός.
2) Διαθέτει αρκετά γρήγορη ταχύτητα απόκρισης, κατάλληλη για συστήματα υψηλής-ταχύτητας ή ευρυζωνικότητας.
3) Έχει τον χαμηλότερο δυνατό θόρυβο για να ελαχιστοποιήσει την επίδραση της συσκευής στο σήμα.
4) Διαθέτουν μικρό μέγεθος και μεγάλη διάρκεια ζωής.
Επί του παρόντος, υπάρχουν δύο ευρέως χρησιμοποιούμενοι φωτοανιχνευτές ημιαγωγών: φωτοδίοδοι PIN (PIN-PDs) και φωτοδίοδοι χιονοστιβάδας (APD). Αυτή η ενότητα εισάγει κυρίως τις αρχές, τους δείκτες απόδοσης και δύο τύπους φωτοανιχνευτών που χρησιμοποιούνται συνήθως.
Αρχή των φωτοανιχνευτών
Οι φωτοανιχνευτές χρησιμοποιούν το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο ημιαγωγών υλικών για να επιτύχουν φωτοηλεκτρική μετατροπή. Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο των ημιαγωγών υλικών φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.
Όταν η ενέργεια hv του προσπίπτοντος φωτονίου είναι μικρότερη από το διάκενο ζώνης Ε, το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο δεν θα συμβεί ανεξάρτητα από την ένταση του προσπίπτοντος φωτός. Δηλαδή, πρέπει να πληρούται η ακόλουθη προϋπόθεση για να συμβεί το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο:
Με άλλα λόγια, το προσπίπτον φως με συχνότητα v < E/h δεν μπορεί να παράγει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Μετατροπή v σε μήκος κύματος, λc=hc/E. Δηλαδή, μόνο το προσπίπτον φως με μήκος κύματος λ < λc μπορεί να δημιουργήσει φωτοπαραγόμενους φορείς σε αυτό το υλικό. Επομένως, λc είναι το μέγιστο μήκος κύματος του προσπίπτοντος φωτός που απαιτείται για την παραγωγή του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, γνωστό και ως μήκος κύματος αποκοπής, και το αντίστοιχο v ονομάζεται συχνότητα αποκοπής. Κάθε φωτόνιο που απορροφάται από ένα υλικό ημιαγωγών θα δημιουργήσει ένα ζεύγος ηλεκτρονίων-. Εάν εφαρμοστεί ηλεκτρικό πεδίο στο υλικό ημιαγωγών, το ζεύγος οπών ηλεκτρονίων-θα ταξιδέψει μέσα από το υλικό ημιαγωγών, σχηματίζοντας ένα φωτορεύμα.
Εκτός από το μήκος κύματος αποκοπής, η απόδοση μετατροπής της φωτοδιόδου μειώνεται όταν το μήκος κύματος προσπίπτοντος φωτός είναι πολύ μικρό. Σε μια φωτοδίοδο, τα προσπίπτοντα φωτόνια απορροφώνται, δημιουργώντας ζεύγη ηλεκτρονίων-. Όταν η απόσταση x=0, η οπτική ισχύς είναι P(0). Μετά από μια απόσταση x, η απορροφούμενη οπτική ισχύς είναι:
Στον τύπο, (λ) είναι ο συντελεστής απορρόφησης του υλικού, ο οποίος είναι συνάρτηση του μήκους κύματος.
Όταν το προσπίπτον μήκος κύματος φωτός είναι πολύ μικρό, ο συντελεστής απορρόφησης του υλικού είναι πολύ μεγάλος. Ως αποτέλεσμα, ένας μεγάλος αριθμός φωτονίων απορροφάται στην επιφάνεια της φωτοδιόδου, δημιουργώντας μια περιοχή μηδενικού-ηλεκτρικού-πεδίου. Τα ζεύγη οπών ηλεκτρονίων-που δημιουργούνται εδώ πρέπει πρώτα να διαχέονται στο στρώμα εξάντλησης προτού συλλεχθούν από το εξωτερικό κύκλωμα. Ωστόσο, σε αυτήν την περιοχή, οι φορείς μειοψηφίας έχουν πολύ μικρή διάρκεια ζωής και διαχέονται πολύ αργά, συχνά ανασυνδυάζονται πριν συλλεχθούν. Αυτό μειώνει την απόδοση του φωτοανιχνευτή. Επομένως, οι φωτοδίοδοι που κατασκευάζονται από συγκεκριμένα υλικά έχουν συγκεκριμένο εύρος απόκρισης μήκους κύματος. Για παράδειγμα, το εύρος απόκρισης μήκους κύματος των φωτοδιόδων Si είναι 0,5–10 μm και αυτό των φωτοδιόδων InGaAs είναι 1,1–1,6 μm.
Χαρακτηριστικά των φωτοανιχνευτών
κβαντική απόδοση
Το προσπίπτον φως (ισχύς P) περιέχει μεγάλο αριθμό φωτονίων. Ο λόγος του αριθμού των φωτονίων που μπορούν να μετατραπούν σε φωτορεύμα προς τον συνολικό αριθμό των προσπίπτων φωτονίων ονομάζεται κβαντική απόδοση, η οποία υπολογίζεται από τον ακόλουθο τύπο:
Στον τύπο, είναι το φορτίο ηλεκτρονίων,=1.6 × 10-1 βαθμός ; Το I είναι το φωτορεύμα που δημιουργείται. h είναι η σταθερά του Planck. και v είναι η συχνότητα του φωτονίου. Η κβαντική απόδοση κυμαίνεται από 50% έως 90%.
Εάν η ανακλαστικότητα της προσπίπτουσας επιφάνειας είναι r και τα ζεύγη ηλεκτρονίων-που δημιουργούνται στο μηδενικό-ηλεκτρικό-επιφανειακό στρώμα πεδίου δεν μπορούν να μετατραπούν αποτελεσματικά σε φωτορεύμα και η ισχύς του προσπίπτοντος φωτός είναι P(0), τότε το φωτορεύμα είναι:
Στον τύπο, είναι ο συντελεστής απορρόφησης της περιοχής μηδενικού πεδίου-και του στρώματος εξάντλησης, είναι το πάχος της περιοχής μηδέν-και είναι το πλάτος του στρώματος εξάντλησης. Τότε η αποτελεσματικότητα είναι:
αποκριτικότητα
Η αναλογία φωτορεύματος προς προσπίπτουσα ισχύ φωτός σε έναν φωτοανιχνευτή ονομάζεται απόκριση (μετρούμενη σε A/W).
Αυτό το χαρακτηριστικό υποδεικνύει την αποτελεσματικότητα του φωτοανιχνευτή στη μετατροπή οπτικών σημάτων σε ηλεκτρικά σήματα. Οι τυπικές τιμές για το R κυμαίνονται από 0,5 έως 1,0 A/W. Για παράδειγμα, η τιμή R για έναν φωτοανιχνευτή Si είναι 0,65 A/W σε μήκος κύματος 900 nm. η τιμή R για έναν φωτοανιχνευτή Ge είναι 0,45 A/W (στα 1300 nm). και η απόκριση του InGaAs είναι 0,9 A/W στα 1300 nm και 1,0 A/W στα 1550 nm.
Για ένα δεδομένο μήκος κύματος, η απόκριση είναι μια σταθερά, αλλά δεν είναι σταθερή όταν εξετάζουμε ένα μεγάλο εύρος μήκους κύματος. Καθώς το μήκος κύματος του προσπίπτοντος φωτός αυξάνεται, η ενέργεια των προσπίπτων φωτονίων μειώνεται και όταν είναι μικρότερο από το διάκενο ζώνης, η απόκριση πέφτει γρήγορα στο μήκος κύματος αποκοπής.
Φάσμα απόκρισης
Προκειμένου να δημιουργηθούν φωτοπαραγόμενοι φορείς, η ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου πρέπει να είναι μεγαλύτερη από το διάκενο ζώνης του υλικού του φωτοανιχνευτή. Αυτή η συνθήκη μπορεί να εκφραστεί ως εξής:
Στον τύπο, λ είναι το μήκος κύματος αποκοπής.
Με άλλα λόγια, για ένα δεδομένο υλικό ανίχνευσης ημιαγωγών, μπορεί να ανιχνευθεί μόνο φως με μήκη κύματος μικρότερα από το μήκος κύματος αποκοπής και η κβαντική απόδοση του ανιχνευτή ποικίλλει ανάλογα με το μήκος κύματος. αυτό το χαρακτηριστικό ονομάζεται φάσμα απόκρισης. Επομένως, οι φωτοανιχνευτές δεν είναι καθολικοί και τα φάσματα απόκρισης διαφορετικών υλικών διαφέρουν. Τα υλικά φωτοηλεκτρικών ημιαγωγών που χρησιμοποιούνται συνήθως περιλαμβάνουν Si, Ge, InGaAs, InGaAsP και GaAsP και τα φάσματα απόκρισής τους φαίνονται στο σχήμα x.
Χρόνος απόκρισης
Ο ρυθμός με τον οποίο το φωτορεύμα που δημιουργείται από μια φωτοδίοδο ακολουθεί το σήμα προσπίπτοντος φωτός τυπικά εκφράζεται ως χρόνος απόκρισης. Ο χρόνος απόκρισης είναι μια παράμετρος που αντικατοπτρίζει την ικανότητα του φωτοανιχνευτή να ανταποκρίνεται σε μεταβατικά ή διαμορφωμένα φωτεινά σήματα υψηλής ταχύτητας-. Επηρεάζεται κυρίως από τους ακόλουθους τρεις παράγοντες:
1) Ο χρόνος διέλευσης των φωτοφορέων στην περιοχή εξάντλησης.
2) Ο χρόνος διάχυσης των φωτοφορέων που δημιουργούνται εκτός της περιοχής εξάντλησης.
3) Η σταθερά χρόνου RC της φωτοδιόδου και του σχετικού κυκλώματος.
Ο χρόνος απόκρισης μπορεί να εκφραστεί ως ο χρόνος ανόδου και πτώσης του παλμού εξόδου ενός φωτοανιχνευτή. Όταν η χωρητικότητα διασταύρωσης της φωτοδιόδου είναι σχετικά μικρή, ο χρόνος ανόδου και πτώσης είναι σύντομοι και σχετικά συνεπείς. όταν η χωρητικότητα διασταύρωσης της φωτοδιόδου είναι σχετικά μεγάλη, ο χρόνος απόκρισης περιορίζεται από τη σταθερά χρόνου RC που σχηματίζεται από την αντίσταση φορτίου και την χωρητικότητα διασταύρωσης, με αποτέλεσμα μεγαλύτερους χρόνους ανόδου και πτώσης.
Γενικά, οι τεχνικές προδιαγραφές των φωτοανιχνευτών παρέχουν το χρόνο ανόδου. Για τις φωτοδίοδοι PIN, ο χρόνος ανόδου t0είναι τυπικά<1 ns; for APDs, this value is less than 0.5 ns.
Σκοτεινό ρεύμα
Το σκοτεινό ρεύμα αναφέρεται στο ρεύμα σε έναν φωτοανιχνευτή όταν δεν υπάρχει προσπίπτον φως. Αν και δεν υπάρχει προσπίπτον φως, σε μια ορισμένη θερμοκρασία, η εξωτερική θερμική ενέργεια μπορεί να δημιουργήσει μερικές δωρεάν χρεώσεις στην περιοχή εξάντλησης. Αυτά τα φορτία ρέουν υπό την επίδραση μιας αντίστροφης τάσης πόλωσης, σχηματίζοντας ένα σκοτεινό ρεύμα. Προφανώς, όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο περισσότερα ηλεκτρόνια διεγείρονται από τη θερμοκρασία και τόσο μεγαλύτερο είναι το σκοτεινό ρεύμα. Για μια φωτοδίοδο PIN, αφήστε το σκοτεινό ρεύμα στη θερμοκρασία T να είναι I(T). Όταν η θερμοκρασία ανέβει στο T, τότε:
Στον τύπο, το C είναι μια εμπειρική σταθερά και το C{0}} για τη φωτοδίοδο Si.
Το σκοτεινό ρεύμα καθορίζει τελικά την ελάχιστη ανιχνεύσιμη οπτική ισχύ, που είναι η ευαισθησία της φωτοδιόδου.
Ανάλογα με το υλικό ημιαγωγών που χρησιμοποιείται, το σκοτεινό ρεύμα κυμαίνεται μεταξύ 0,1 και 500 nA.
