En fotodetektor (PD) konverterer modtagetoptisksignaler til elektriske signaler, og dermed fuldende den optiske-til-elektriske signalkonvertering. De grundlæggende krav til en PD er:
1) Den har tilstrækkelig høj responsivitet ved systemets driftsbølgelængde, hvilket betyder, at den kan udsende den størst mulige fotostrøm for en given indfaldende lysstyrke.
2) Den har en tilstrækkelig hurtig responshastighed, velegnet til høj-hastigheds- eller bredbåndssystemer.
3) Den har den lavest mulige støj for at minimere enhedens indflydelse på signalet.
4) De har lille størrelse og lang levetid.
I øjeblikket er der to almindeligt anvendte halvlederfotodetektorer: PIN-fotodioder (PIN-PD'er) og lavinefotodioder (APD'er). Dette afsnit introducerer hovedsageligt principperne, ydeevneindikatorerne og to almindeligt anvendte typer fotodetektorer.
Princippet om fotodetektorer
Fotodetektorer udnytter den fotoelektriske effekt af halvledermaterialer til at opnå fotoelektrisk konvertering. Den fotoelektriske effekt af halvledermaterialer er vist i figuren nedenfor.
Når energien hv af den indfaldende foton er mindre end båndgabet E, vil den fotoelektriske effekt ikke forekomme uanset intensiteten af det indfaldende lys. Det vil sige, at følgende betingelse skal være opfyldt, for at den fotoelektriske effekt kan opstå:
Med andre ord kan indfaldende lys med en frekvens v < E/h ikke frembringe den fotoelektriske effekt. Konvertering af v til bølgelængde, λc=hc/E. Det vil sige, at kun indfaldende lys med en bølgelængde λ < λc kan generere fotogenererede bærere i dette materiale. Derfor er λc den maksimale bølgelængde af indfaldende lys, der kræves for at producere den fotoelektriske effekt, også kendt som cutoff-bølgelængden, og den tilsvarende v kaldes cutoff-frekvensen. Hver foton absorberet af et halvledermateriale vil generere et elektron-hulpar. Hvis der påføres et elektrisk felt på halvledermaterialet, vil elektron-hulparret bevæge sig gennem halvledermaterialet og danne en fotostrøm.
Udover at have en afskæringsbølgelængde falder fotodiodens konverteringseffektivitet, når den indfaldende lysbølgelængde er for kort. I en fotodiode absorberes indfaldende fotoner, hvilket genererer elektron-hulpar. Når afstanden x=0 er den optiske effekt P(0). Efter en afstand x er den absorberede optiske effekt:
I formlen er (λ) absorptionskoefficienten for materialet, som er en funktion af bølgelængden.
Når den indfaldende lysbølgelængde er meget kort, er materialets absorptionskoefficient meget stor. Som et resultat absorberes et stort antal fotoner ved overfladen af fotodioden, hvilket skaber et nul-elektrisk-feltområde. Elektron-hulpar, der genereres her, skal først diffundere til udtømningslaget, før de opsamles af det eksterne kredsløb. Men i denne region har minoritetsbærere meget korte levetider og diffunderer meget langsomt, ofte rekombinerede før de samles. Dette reducerer effektiviteten af fotodetektoren. Derfor har fotodioder lavet af visse materialer et specifikt bølgelængderesponsområde. For eksempel er bølgelængderesponsområdet for Si-fotodioder 0,5-10 μm, og det for InGaAs-fotodioder er 1,1-1,6 μm.
Karakteristika for fotodetektorer
kvanteeffektivitet
Indfaldende lys (effekt P) indeholder et stort antal fotoner. Forholdet mellem antallet af fotoner, der kan omdannes til fotostrøm, og det samlede antal indfaldende fotoner kaldes kvanteeffektiviteten, som beregnes ved hjælp af følgende formel:
I formlen er elektronladningen,=1.6 × 10⁻¹ grad; I er den genererede fotostrøm; h er Plancks konstant; og v er frekvensen af fotonen. Kvanteeffektiviteten varierer fra 50 % til 90 %.
Hvis reflektiviteten af den indfaldende overflade er r, og elektron-hulparrene genereret i det nul-elektriske-felts overfladelag ikke effektivt kan omdannes til fotostrøm, og den indfaldende lyseffekt er P(0), så er fotostrømmen:
I formlen er absorptionskoefficienten for nul-feltområdet og udtømningslaget, er tykkelsen af nul-feltområdet og er bredden af udtømningslaget. Effektiviteten er da:
lydhørhed
Forholdet mellem fotostrøm og indfaldende lys i en fotodetektor kaldes responsivitet (målt i A/W).
Denne karakteristik angiver effektiviteten af fotodetektoren til at konvertere optiske signaler til elektriske signaler. Typiske værdier for R spænder fra 0,5 til 1,0 A/W. For eksempel er R-værdien for en Si-fotodetektor 0,65 A/W ved en bølgelængde på 900 nm; R-værdien for en Ge-fotodetektor er 0,45 A/W (ved 1300 nm); og responsiviteten af InGaAs er 0,9 A/W ved 1300 nm og 1,0 A/W ved 1550 nm.
For en given bølgelængde er responsiviteten en konstant, men den er ikke konstant, når man betragter et stort bølgelængdeområde. Når bølgelængden af det indfaldende lys øges, falder energien af de indfaldende fotoner, og når den er mindre end båndgabet, falder reaktionsevnen hurtigt ved afskæringsbølgelængden.
Svarspektrum
For at generere fotogenererede bærere skal energien af den indfaldende foton være større end båndgabet af fotodetektormaterialet. Denne betingelse kan udtrykkes som følger:
I formlen er λ cutoff-bølgelængden.
Med andre ord, for et givet halvlederdetektionsmateriale kan kun lys med bølgelængder kortere end cutoff-bølgelængden detekteres, og detektorens kvanteeffektivitet varierer med bølgelængden; denne egenskab kaldes responsspektret. Derfor er fotodetektorer ikke universelle, og responsspektrene for forskellige materialer er forskellige. Almindeligt anvendte fotoelektriske halvledermaterialer omfatter Si, Ge, InGaAs, InGaAsP og GaAsP, og deres responsspektre er vist i figur x.
Responstid
Den hastighed, hvormed fotostrømmen genereret af en fotodiode følger det indfaldende lyssignal, udtrykkes typisk som responstid. Responstid er en parameter, der afspejler fotodetektorens evne til at reagere på transiente eller højhastighedsmodulerede lyssignaler-. Det er hovedsageligt påvirket af følgende tre faktorer:
1) Transittiden for fotobærere i udtømningsregionen.
2) Diffusionstiden for fotobærere genereret uden for udtømningsområdet.
3) RC-tidskonstanten for fotodioden og dens tilhørende kredsløb.
Responstid kan udtrykkes som stigetiden og faldtiden for udgangsimpulsen fra en fotodetektor. Når forbindelseskapacitansen for fotodioden er relativt lille, er stigetiden og faldtiden korte og relativt konsistente; når koblingskapacitansen af fotodioden er relativt stor, er responstiden begrænset af RC-tidskonstanten dannet af belastningsmodstanden og junction-kapaciteten, hvilket resulterer i længere stignings- og faldtider.
Generelt giver de tekniske specifikationer for fotodetektorer stigetiden. For PIN-fotodioder er stigningstiden 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 der ikke er noget indfaldende lys. Selvom der ikke er noget indfaldende lys, kan ekstern varmeenergi ved en bestemt temperatur generere nogle gratis ladninger i udtømningsområdet. Disse ladninger flyder under påvirkning af en omvendt forspænding og danner en mørk strøm. Jo højere temperaturen er, jo flere elektroner exciteres af temperaturen, og jo større er den mørke strøm. For en PIN-fotodiode, lad mørkestrømmen ved temperatur T være I(T). Når temperaturen stiger til T, så:
I formlen er C en empirisk konstant, og C=8 for Si-fotodiode.
Den mørke strøm bestemmer i sidste ende den mindste detekterbare optiske effekt, som er fotodiodens følsomhed.
Afhængig af det anvendte halvledermateriale varierer den mørke strøm mellem 0,1 og 500 nA.
