Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Fotodetektory pro informatiku X34 SOS semináře 2008.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Fotodetektory pro informatiku X34 SOS semináře 2008."— Transkript prezentace:

1 Fotodetektory pro informatiku X34 SOS semináře 2008

2 Fotodetektory pro informatiku  Základní vlastnosti: Vysoká vnitřní a vnější kvantová účinnost Dobré dynamické vlastnosti – malá kapacita prostorového náboje, krátká driftová doba Nízký šum – výstřelový šum Dobrá linearita i při vyšších optických výkonech

3 Fotodetektory - základní rozdělení PN fotodetektory ( PN – FD) PIN fotodetektory ( PIN – FD) Lavinové fotodetektory ( APD – FD) Fotovodivostní fotodetektory (MSM – FD)

4 Fotodetektory-pásový model a)Mezipásová absorpce, b) Absorpce na hladinách příměsí c) Absorpce na volných nosičích

5 Fotodetektory – PN, PIN Princip – generace fotoproudu na závěrně buzeném p - n, p + -  - n + přechodu osvětleném zářením, jehož vlnová délka je menší, než prahová vlnová délka th je menší, než prahová vlnová délka th  th = hc/ E g = 1,24/ E g [  m; eV ] kde E g je energie odpovídajíc šířce zakázaného pásu polovodiče, kde E g je energie odpovídajíc šířce zakázaného pásu polovodiče, h Planckova konstanta, c rychlost světla h Planckova konstanta, c rychlost světla Vnitřní kvantová účinnost  =S hc/e  = S 1,24/ [ A/ W;  m ]  =S hc/e  = S 1,24/ [ A/ W;  m ] kde S  je spektrální citlivost ( responzivita ) definovaná S  ph /  kde S  je spektrální citlivost ( responzivita ) definovaná S  ph /   ph je fotoproud,  je optický výkon  ph je fotoproud,  je optický výkon Responzivitu lze také vyjádřit  S  =  e  hc  =  / 1,24

6 Příklady: 1) Fotodioda Si PIN má kvantovou účinnost 0,7 při vlnové délce m. Stanovte responsivitu. 3) Fotodetektor má responsivitu S =0,6 A/W pro záření o vlnové délce 1,3m. Stanovte kvantovou účinnost 0,57) Fotodetektory PN, PIN 2) Fotodioda Ge P + N má kvantovou účinnost 0,4 při vlnové délce m. Stanovte responsivitu. (0,53 A/W)

7 Fotodetektory - absorpční hrana Absorpční spektra některých polovodičových materiálů

8 Fotodetektory - PIN Pokles optického zářivého výkonu pod povrchem polovodiče vlivem mezipásové absorpce

9 Komunikační fotodiody - PIN  Polovodičové materiály pro PIN - FD s homopřecho- dem Si – velmi nízký temný proud I d, malá šířka pásma do 0,9  m, responzivita 0,5 až 0,6A/W Ge – relativně velký temný proud I d, velká šířka pásma do 1,8  m, responzivita do 0,8 A/W  Polovodičové materiály pro PIN - FD s heteropřecho- dem InGaAs/InP pro pásmo 1 až 1,5  m resp. InGaAsP/InP pro úzkopásmové použití, přijatelný temný proud I d, responzivita do 0,8 A/W

10 Fotodetektory - PIN Pásový model komunikační PIN - FD

11 Fotodetektory - PIN a)Uspořádání vrstev diody PIN, b) Prostorové rozložení náboje , c) Prostorové rozložení intenzity el. pole E, d) Prostorové rozložení potenciálu V

12 Fotodetektory – PN, PIN VA charakteristika diodových fotodetektorů

13 Komunikační fotodiody - PIN  Zářivý výkon absorbovaný v oblasti I vymezené x 1 až x 2 využitelný ke generaci fotoproudu P = (1- R) P 0 ( exp (-  x 1 ) – exp (-  x 2 )) P = (1- R) P 0 ( exp (-  x 1 ) – exp (-  x 2 )) kde R je koeficient reflexe, P 0 dopadající optický výkon, kde R je koeficient reflexe, P 0 dopadající optický výkon, P absorbovaný optický výkon,  koeficient absorpce P absorbovaný optický výkon,  koeficient absorpce  Dosažení vysoké vnější kvantové účinnosti:  = P/ P 0 = (1- R) exp (-  x 1 ) [ 1 – exp (-  x 2 - x 1 ))]  = P/ P 0 = (1- R) exp (-  x 1 ) [ 1 – exp (-  x 2 - x 1 ))] Minimalizovat R antireflexními povlaky Maximalizace absorpce uvnitř vyprázdněné oblasti tj. minimalizovat tloušťku vrstvy P (0 až x 1 ) a maximalizovat tloušťku vrstvy I (x 1 až x 2 ) minimalizovat tloušťku vrstvy P (0 až x 1 ) a maximalizovat tloušťku vrstvy I (x 1 až x 2 ) Zabránit rekombinacím elektronů dříve než dosáhnou sběrných elektrod

14 Fotodetektory PN, PIN  P říklad: P + kontakt Si PIN fotodiody P + - -N + má tloušťku 1  m. Vlnová délka dopadajícího záření je  m. Určete kvantovou účinnost  je-li absorpční koeficient křemíku pro danou vlnovou délku  x    m -1 a na fotoproudu se podílí pouze záření absorbované v - vrstvě. Koeficient reflexe je R=0. P + kontakt Si PIN fotodiody P + - -N + má tloušťku 1  m. Vlnová délka dopadajícího záření je  m. Určete kvantovou účinnost  je-li absorpční koeficient křemíku pro danou vlnovou délku  x    m -1 a na fotoproudu se podílí pouze záření absorbované v - vrstvě. Koeficient reflexe je R=0. pro x 2 jde do nekonečna pro x 2 jde do nekonečna Stanovte minimální tloušťku -vrstvy tak, aby kvantová účinnost fotodiody pro stejnou vlnovou délku neklesla pod  0, 8. Stanovte minimální tloušťku -vrstvy tak, aby kvantová účinnost fotodiody pro stejnou vlnovou délku neklesla pod  0, 8.

15 Komunikační fotodiody - PIN  Příklad: Fotodioda Si PIN p + -  - n + s aktivní plochou A = 0,1mm 2 má tloušťku vrstvy 30  m, tloušťku p + vrstvy 1  m a koncentraci dotace cm -3. Fotodioda Si PIN p + -  - n + s aktivní plochou A = 0,1mm 2 má tloušťku vrstvy 30  m, tloušťku p + vrstvy 1  m a koncentraci dotace cm -3. a) Vypočtěte maximální kvantovou účinnost  a responzivitu  S pro vlnovou délku = 0,82  m. Povrchovou reflexi a absorpci kontakní vrstvy zanedbejte. Předpokládejte koeficient absorpce  = 7x10 4 m -1. a) Vypočtěte maximální kvantovou účinnost  a responzivitu  S pro vlnovou délku = 0,82  m. Povrchovou reflexi a absorpci kontakní vrstvy zanedbejte. Předpokládejte koeficient absorpce  = 7x10 4 m -1.   = P/ P 0 = (1- R) exp (-  x 1 ) [ 1 – exp (-  x 2 - x 1 ))] =  = exp (- 0.07) [1- exp (-2,1)] = 0.93 [ ] = 0,82   S = 0,54 A/  W.

16 Komunikační fotodiody - PIN  Technologické rozdělení PIN – FD s homopřechodem PIN – FD s homopřechodem PIN – FD s heteropřechodem PIN – FD s heteropřechodem  Optimalizace parametrů intrinzické vrstvy – Pro vysokou kvantovou účinnost musí platit x 1 <<1/  << L D x 1 <<1/  << L D kde x 1 je tloušťka vrstvy P,  je absorpční koeficient, kde x 1 je tloušťka vrstvy P,  je absorpční koeficient, L D je tloušťka ochuzené vrstvy L D je tloušťka ochuzené vrstvy –Velká tloušťka L D způsobuje velkou driftovou dobu nosičů, generovaných uvnitř intrinzické vrstvy, větší vnitřní generovaných uvnitř intrinzické vrstvy, větší vnitřní kvantovou účinnost kvantovou účinnost –Malá tloušťka L D způsobuje velkou kapacitu prostorového náboje C s, krátké driftové časy, malou vnitřní kvantovou náboje C s, krátké driftové časy, malou vnitřní kvantovou účinnost účinnost

17 Komunikační fotodiody - PIN  Napájecí napětí PIN fotodiody: Intenzita elektrického pole E intrinzické vrstvy: Intenzita elektrického pole E intrinzické vrstvy: dE/dx = eN D /  r  o po provedení integrace dle x dE/dx = eN D /  r  o po provedení integrace dle x E = eN D W I /  r  o pro x = W I E = eN D W I /  r  o pro x = W I Difuzní napětí na přechodu p + - : Difuzní napětí na přechodu p + - : dV/dx = E po provedení další integrace dle x dV/dx = E po provedení další integrace dle x U D = eN D (W I ) 2 / 2  r  o pro x = W I U D = eN D (W I ) 2 / 2  r  o pro x = W I Napětí na  vrstvě: Napětí na  vrstvě: U o = E W I U o = E W I Výsledné napětí: Výsledné napětí: U = U o + U D U = U o + U D

18 Komunikační fotodiody - PIN  Příklady: b) Vypočtěte velikost závěrného napětí U R nutného pro dosažení saturační rychlosti driftujících nosičů v s na přechodu p + -  resp. b) Vypočtěte velikost závěrného napětí U R nutného pro dosažení saturační rychlosti driftujících nosičů v s na přechodu p + -  resp. n + -  a kapacity prostorového náboje C D. n + -  a kapacity prostorového náboje C D. U R = eN D (W I ) 2 / 2  r  o = 6,8V C D =  r  o A/ W I = 0,35 pF U R = eN D (W I ) 2 / 2  r  o = 6,8V C D =  r  o A/ W I = 0,35 pF c) Stanovte velikost závěrného napětí pro zajištění intenzity elektrického pole 10 6 Vm -1 v celé intrinzické vrstvě  c) Stanovte velikost závěrného napětí pro zajištění intenzity elektrického pole 10 6 Vm -1 v celé intrinzické vrstvě  U R + U o = eN D (W I ) 2 / 2  r  o + E W I = 6, V = 36,8 V U R + U o = eN D (W I ) 2 / 2  r  o + E W I = 6, V = 36,8 V

19 Komunikační fotodiody - PIN  Dynamické vlastnosti Časová konstanta  RC  (C s + C z ) R d R z / (R d +R z ) kde  RC  časová konstanta, R d je dynamický odpor fotodiody, kde  RC  časová konstanta, R d je dynamický odpor fotodiody, C s je kapacita prostorového náboje, R z a C z je C s je kapacita prostorového náboje, R z a C z je odpor a kapacita zátěže odpor a kapacita zátěže Driftové časy nosičů ve vyčerpané oblasti  d = W I / v s kde W I = x 1 – x 2 tloušťka intrinsické oblasti PIN, v s je kde W I = x 1 – x 2 tloušťka intrinsické oblasti PIN, v s je saturační rychlost saturační rychlost Celková časová konstanta a mezní frekvence  C = (  RC 2 +  d 2 ) 1/2 z toho f m = 0,44/  C  C = (  RC 2 +  d 2 ) 1/2 z toho f m = 0,44/  C

20 Fotodetektory - dynamika Elektrický náhradní obvod pro malé změny signálu FD

21 Komunikační fotodiody - PIN Závislost driftové rychlosti nosičů na intenzitě el. pole

22 Komunikační fotodiody - PIN  Příklady: d) Stanovte dobu driftování pro elektrony a díry je-li saturační rychlost v vrstvě v se = 7x10 4 resp. v sh = 4x10 4 m/s. d) Stanovte dobu driftování pro elektrony a díry je-li saturační rychlost v vrstvě v se = 7x10 4 resp. v sh = 4x10 4 m/s.  tre = W I / v se = 0,43 ns resp.  trh = W I / v sh = 0,75 ns  tre = W I / v se = 0,43 ns resp.  trh = W I / v sh = 0,75 ns e) Stanovte časovou konstantu  C a mezní frekvenci f m PIN e) Stanovte časovou konstantu  C a mezní frekvenci f m PIN fotodetektoru, který pracuje do zátěže R z =500  fotodetektoru, který pracuje do zátěže R z =500   RC  = R z C D = 0,175 ns  tr = (  tre 2 +  trh 2 ) 1/2 = 0,86 ns   C = (  RC 2 +  tr 2 ) 1/2 = 0,88 ns f m = 0,44/  C = 500 MHz f m = 0,44/  C = 500 MHz

23 Komunikační fotodiody - PIN Závislost mezní frekvence PIN FD pro vysoké rychlosti komunikace na tloušťce intrinsické vrstvy. Parametrem je průměr aktivní plochy fotodetektoru

24 Komunikační fotodiody - PIN  Š umové vlastnosti Výstřelový šum - je dán proudovými a napěťovými Výstřelový šum - je dán proudovými a napěťovými fluktuacemi spojenými s kvantovým detekčním fluktuacemi spojenými s kvantovým detekčním procesem ve vyčerpané oblasti FD a skládá se ze dvou procesem ve vyčerpané oblasti FD a skládá se ze dvou složek: složek: 1) Šumová složka fotoproudu 1) Šumová složka fotoproudu 2) Šumová složka temného proudu 2) Šumová složka temného proudu I š = { 2e (I f + I t ) Df } 1/2 I š = { 2e (I f + I t ) Df } 1/2 kde I š je celkový výstřelový šum, I f šum fotoproudu, I t temný proud, kde I š je celkový výstřelový šum, I f šum fotoproudu, I t temný proud, Df šířka pásma Df šířka pásma NEP ( noise equivalent power) – zářivý výkon, který vytvoří NEP ( noise equivalent power) – zářivý výkon, který vytvoří fotoproud o stejné efektivní hodnotě jako je šumový proud s fotoproud o stejné efektivní hodnotě jako je šumový proud s jednotkovou šířkou pásma Df = 1 Hz jednotkovou šířkou pásma Df = 1 Hz Detektivita Detektivita D = 1/ NEP D = 1/ NEP

25 Komunikační fotodiody - PIN  Domácí příklad : Fotodioda Si PIN p + -  - n + s aktivní plochou A = m 2 má tloušťku vrstvy 50  m, tloušťku p + vrstvy 1  m a koncentraci dotace 6,5 x10 18 m -3. Vypočtěte maximální kvantovou účinnost  a responzivitu  S pro vlnovou délku = 0,9  m. responzivitu  S pro vlnovou délku = 0,9  m. Povrchovou reflexi a absorpci kontakní vrstvy Povrchovou reflexi a absorpci kontakní vrstvy zanedbejte. Předpokládejte koeficient absorpce zanedbejte. Předpokládejte koeficient absorpce  = 5x10 4 m -1  = 5x10 4 m -1

26 Komunikační fotodiody - APD Lavinová fotodioda ( APD) – fotodetektor s vnitřním zesílením Zesilovací mechanismus – APD využívá oblast s vysokou intenzitou elektrického pole pro lavinové násobení foto-generovaných nosičů. Tloušťka vyprázdněné oblasti větší, než je střední volná dráha nosičů, energie nosičů větší, než je práh nárazové ionizace

27 Komunikační fotodiody - APD Fyzikální mechanismus elektronové lavinové ionizace

28 Komunikační fotodiody - APD a) Uspořádání vrstev diody APD, b) Prostorové rozložení náboje , c) Prostorové rozložení intenzity el. pole E

29 Komunikační fotodiody - APD  Ionizační koeficient y  e resp.  h  - vyjadřují pravděpodobnost, že nosič na jednotkové dráze generuje pár elektron-díra Ionizační koeficienty – rostou s intenzitou elektrického pole E a klesají s růstem teploty Pro průraznou intenzitu pole E B jsou řádu 10 5 až 10 6 m m -1 Jelikoš různé materiály mají různý vztah mezi ionizační koeficienty zavádí se ionizační konstanta k k =  h /  e k =  h /  e

30 Komunikační fotodiody - APD Vlastnosti - největší zesílení pro U R = U BR ( průrazné napětí diody) desítky až stovky voltů. Celkový šum je zvětšen o šum lavinový, který roste se zesílením M < 500. Lavinový efekt vyvolá zlepšení dynamiky odezvy na stovky ps. Technologické provedení – tří až čtyřvrstvá dioda Si, Ge, InGaAs/ InP

31 Komunikační fotodiody - APD

32  Technologické provedení – tří až čtyřvrstvá dioda vrstva x 1, x 2 a x 4, x 5 jsou kontaktní vrstvy (n + p + ) - připojení do obvodu vrstva x 1, x 2 a x 4, x 5 jsou kontaktní vrstvy (n + p + ) - připojení do obvodu vrstva x 2, x 3 je multiplikační vrstva (p) – násobení počtu fotonosičů nárazovou ionizací vrstva x 3, x 4 je driftová vrstva  ) - fotogenerace nosičů a jejich urychlení na ionizační kinetickou energii vrstva x 3, x 4 je driftová vrstva  ) - fotogenerace nosičů a jejich urychlení na ionizační kinetickou energii

33 Komunikační fotodiody - APD  Optimalizace struktury ve vrstvách x 1 až x 2 platí x 1 + x 2 << 1/  << x 3 kde x 1 je kontaktní vrstva n +, x 2 je multiplikativní vrstva p, x 3 je driftová vrstva ,  koeficient absorpce, kde x 1 je kontaktní vrstva n +, x 2 je multiplikativní vrstva p, x 3 je driftová vrstva ,  koeficient absorpce, tloušťka vyprázdněné oblasti x 2 až x 3 > střední volná dráha nosičů volná dráha nosičů násobení nosičů v oblasti x 2, x 3 musí být stejné v celé multiplikační oblasti s minimem defektů celé multiplikační oblasti s minimem defektů pro zajištění vysokého průrazného napětí se používá ochranný prstenec, nebo odleptání části používá ochranný prstenec, nebo odleptání části struktury - mesa struktury - mesa

34 Komunikační fotodiody - APD  Dynamika APD Parazitní elektrické parametry R d C s =  el R d C s =  el Driftové časy 1) Přechodový čas elektronů přes driftovou oblast 1) Přechodový čas elektronů přes driftovou oblast  pe = w 2 / v se  pe = w 2 / v se 2) Přechodový čas děr přes driftovou oblast 2) Přechodový čas děr přes driftovou oblast  pd = w 2 / v sd 3) Čas pro lavinování 3) Čas pro lavinování  L = Mkw A / v se Výsledná doba odezvy   el +  pe +  pd +  L   el +  pe +  pd +  L

35 Komunikační fotodiody - APD Šum APD I š = { 2e [ I t1 + ( I f + I t2 )M 2 F(M)]  f } 1/2 I š = { 2e [ I t1 + ( I f + I t2 )M 2 F(M)]  f } 1/2 kde I t1 je část temného proudu, která není násobena, I t2 je multiplikovaná část temného proudu, I f je fotoproud, F(M) je šumový faktor kde I t1 je část temného proudu, která není násobena, I t2 je multiplikovaná část temného proudu, I f je fotoproud, F(M) je šumový faktor Šumový faktor Často je užívána aproximace Často je užívána aproximace F = M x F = M x kde x je závislý na materiálu a typu nosičů jeho hodnota je mezi 0,2 až 1 kde x je závislý na materiálu a typu nosičů jeho hodnota je mezi 0,2 až 1

36 Komunikační fotodiody - APD Závislost mezi šumovým číslem F a multiplikačním faktorem M, kde lavinování je iniciováno elektrony. Index x je závislý na materiálu a typu lavinujících nosičů, pro elektrony x=0,2 – 1, koeficient k=  h /  e je poměr ionizačních koeficientů děr a elektronů

37 Komunikační fotodiody - APD  Domácí příklad : Fotodioda Si APD n + - p-  - p + má tloušťku  vrstvy 20  m, tloušťku p vrstvy 2  m a koncentraci dotace m -3. Fotodioda Si APD n + - p-  - p + má tloušťku  vrstvy 20  m, tloušťku p vrstvy 2  m a koncentraci dotace m -3. Stanovte velikost závěrného napětí pro zajištění intenzity elektrického pole 10 6 Vm -1 v celé vrstvě  intenzity elektrického pole 10 6 Vm -1 v celé vrstvě 


Stáhnout ppt "Fotodetektory pro informatiku X34 SOS semináře 2008."

Podobné prezentace


Reklamy Google