Kvantové fotodetektory a optoelektronické přijímače X34 SOS 2009

Kvantové fotodetektory 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

Detektory optického záření s přímou přeměnou s nepřímou přeměnou

Detektory záření

Fotoelektrický jev vnější (fotokatoda fotoemitér) vnitřní fotovodivost (kontaktní nebo mikrovlnné koncepce) hustota nosičů (extrinsické a intrinsické fotoodpory) absorpcí pohyblivost tlakem („fotonový vítr“) fotonapěťový jev fotoelektromagnetický jev PN přechod Schottky přechod objemové jevy

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

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

Polovodičové fotodetektory Princip – generace fotoproudu na závěrně buzeném p - n, p+- n - n+ přechodu osvětleném zářením, jehož vlnová délka je menší, než prahová vlnová délka lth lth= hc/ Eg = 1,24/ Eg [ mm; eV ] kde Eg je energie odpovídajíc šířce zakázaného pásu polovodiče, h Planckova konstanta, c rychlost světla Vnitřní kvantová účinnost h=Slhc/el = Sl1,24/ l [ A/ W; mm ] kde Sl je spektrální citlivost ( responzivita ) definovaná Sl= Iph/ F, Iph je fotoproud, F je optický výkon Responzivitu lze také vyjádřit Sl = h(el/ hc) = h l / 1,24

Polovodičové fotodetektory Absorpční spektra některých polovodičových materiálů

Fotorezistory

Fotorezistory Chlazená clona zvýší citlivost detektoru až 100x - eliminace tepelného záření okolí

Fotodiody – PN,PIN Pokles optického zářivého výkonu pod povrchem polovodiče vlivem mezipásové absorpce

Vliv geometrie struktury fotodiody na spektrální charakteristiku Fotodiody – PN,PIN Vliv geometrie struktury fotodiody na spektrální charakteristiku

Fotodiody – PN,PIN Polovodičové materiály pro PIN - FD s homopřecho-dem Si – velmi nízký temný proud Id, malá šířka pásma do 0,9 mm, responzivita 0,5 až 0,6A/W Ge – relativně velký temný proud Id , velká šířka pásma do 1,8 mm, responzivita do 0,8 A/W Polovodičové materiály pro PIN - FD s heteropřecho-dem InGaAs/InP pro pásmo 0,85 až 2,2 mm resp. InGaAsP/InP pro úzkopásmové použití, přijatelný temný proud Id , responzivita od 0,6 A/W do 1,2 A/W

Fotodiody – PN,PIN Pásový model komunikační PIN - FD

Uspořádání vrstev diody PIN, b) Prostorové rozložení náboje r, Fotodiody – PN,PIN Uspořádání vrstev diody PIN, b) Prostorové rozložení náboje r, c) Prostorové rozložení intenzity el. pole E, d) Prostorové rozložení potenciálu V

Fotodetektory – PN, PIN VA charakteristika diodových fotodetektorů

Fotodiody – PN,PIN Zářivý výkon absorbovaný v oblasti I vymezené x1 až x2 využitelný ke generaci fotoproudu P = (1- R) P0 ( exp (- ax1) – exp (- ax2)) kde R je koeficient reflexe, P0 dopadající optický výkon, P absorbovaný optický výkon, a koeficient absorpce Dosažení vysoké vnější kvantové účinnosti: h = P/ P0 = (1- R) exp (- ax1) [ 1 – exp (- a(x2 - x1))] Minimalizovat R antireflexními povlaky Maximalizace absorpce uvnitř vyprázdněné oblasti tj. minimalizovat tloušťku vrstvy P (0 až x1) a maximalizovat tloušťku vrstvy I (x1 až x2) Zabránit rekombinacím elektronů dříve než dosáhnou sběrných elektrod

Fotodetektory PN, PIN Příklad: pro x2 jde do nekonečna P+ kontakt Si PIN fotodiody P+ -n-N+ má tloušťku 1 mm. Vlnová délka dopadajícího záření je l = 0,9 mm. Určete kvantovou účinnost h je-li absorpční koeficient křemíku pro danou vlnovou délku a = 5x104 m-1 a na fotoproudu se podílí pouze záření absorbované v n-vrstvě. Koeficient reflexe je R=0. pro x2 jde do nekonečna Stanovte minimální tloušťku n-vrstvy tak, aby kvantová účinnost fotodiody pro stejnou vlnovou délku neklesla pod h=0,8.

Fotodiody – PN,PIN Příklad: Fotodioda Si PIN p+- n - n+ s aktivní plochou A = 0,1mm2 má tloušťku n vrstvy 30 mm, tloušťku p+ vrstvy 1 mm a koncentraci dotace 1019 cm-3. a) Vypočtěte maximální kvantovou účinnost h a responzivitu Sl pro vlnovou délku l= 0,82 mm. Povrchovou reflexi a absorpci kontakní vrstvy zanedbejte. Předpokládejte koeficient absorpce a= 7x104 m-1. h = P/ P0 = (1- R) exp (- ax1) [ 1 – exp (- a(x2 - x1))] = = exp (- 0.07) [1- exp (-2,1)] = 0.93 [ 1- 0.12 ] = 0,82 Sl= 0,54 A/ W.

Fotodiody – PN,PIN PIN – FD s homopřechodem Technologické rozdělení PN – FD s homopřechodem PIN – FD s homopřechodem PIN – FD s heteropřechodem Optimalizace parametrů intrinzické vrstvy Pro vysokou kvantovou účinnost musí platit x1 <<1/ a << LD kde x1 je tloušťka vrstvy P, a je absorpční koeficient, LD je tloušťka ochuzené vrstvy Velká tloušťka LD způsobuje velkou driftovou dobu nosičů, generovaných uvnitř intrinzické vrstvy, větší vnitřní kvantovou účinnost Malá tloušťka LD způsobuje velkou kapacitu prostorového náboje Cs, krátké driftové časy, malou vnitřní kvantovou účinnost

Komunikační fotodiody - PIN Fotodetektor PIN s homopřechodem

Komunikační fotodiody - PIN Fotodetektor PIN s heteropřechodem

Fotodiody – PN,PIN Napájecí napětí PIN fotodiody: Intenzita elektrického pole E intrinzické vrstvy: dE/dx = eND / er eo po provedení integrace dle x E = eND WI / er eo pro x = WI Difuzní napětí na přechodu p+ - n: dV/dx = E po provedení další integrace dle x UD= eND (WI)2/ 2er eo pro x = WI Napětí na n vrstvě: Uo = E WI Výsledné napětí: U = Uo + UD

Fotodiody – PN,PIN Dynamické vlastnosti Časová konstanta tRC = (Cs + Cz) RdRz / (Rd+Rz) kde tRC časová konstanta, Rd je dynamický odpor fotodiody, Cs je kapacita prostorového náboje, Rz a Cz je odpor a kapacita zátěže Driftové časy nosičů ve vyčerpané oblasti td = WI / vs kde WI = x1 – x2 tloušťka intrinsické oblasti PIN, vs je saturační rychlost Difuzní časy nosičů mimo vyčerpanou oblast tD = (WI)2 / 2D kde D – je difuzní konstanta Celková časová konstanta a mezní frekvence tC = (tRC 2+ td2)1/2 z toho fm = 0,44/ tC

Fotodiody – PN,PIN Elektrický náhradní obvod pro malé změny signálu FD

Fotodiody – PN,PIN Časové konstanty fotodiody Si v závislosti na vlnové délce

Fotodiody – PN,PIN Závislost driftové rychlosti nosičů na intenzitě el. pole

Fotodiody – PN,PIN Příklady: d) Stanovte dobu driftování pro elektrony a díry je-li saturační rychlost v n vrstvě vse= 7x104 resp. vsh = 4x104 m/s. ttre= WI/ vse = 0,43 ns resp. ttrh= WI/ vsh = 0,75 ns e) Stanovte časovou konstantu tC a mezní frekvenci fmPIN fotodetektoru, který pracuje do zátěže Rz =500 W. tRC = Rz CD= 0,175 ns ttr = (ttre 2+ ttrh 2 )1/2 = 0,86 ns tC = (tRC 2+ ttr 2)1/2 = 0,88 ns fm = 0,44/ tC = 500 MHz

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

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

Fotodiody – PN,PIN Vypočtěte maximální kvantovou účinnost h a Domácí příklad : Fotodioda Si PIN p+- n - n+ s aktivní plochou A = 10-7 m2 má tloušťku n vrstvy 50 mm, tloušťku p+ vrstvy 1 mm a koncentraci dotace 6,5 x1018 m-3. Vypočtěte maximální kvantovou účinnost h a responzivitu Sl pro vlnovou délku l= 0,9 mm. Povrchovou reflexi a absorpci kontakní vrstvy zanedbejte. Předpokládejte koeficient absorpce a= 5x104 m-1

Lavinové 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

Lavinové fotodiody - APD Fyzikální mechanismus elektronové lavinové ionizace

Lavinové fotodiody - APD a) Uspořádání vrstev diody APD, b) Prostorové rozložení náboje r, c) Prostorové rozložení intenzity el. pole E

Lavinové fotodiody - APD Ionizační koeficienty ae resp. ah - 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 EB jsou řádu 105 až 106 m-1 Jelikoš různé materiály mají různý vztah mezi ionizační koeficienty zavádí se ionizační konstanta k k = ah / ae

Lavinové fotodiody - APD Vlastnosti - největší zesílení pro UR = UBR ( 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

Lavinové fotodiody - APD Závislost responzivity S fotodiody APD na napětí U

Lavinové fotodiody - APD Technologické provední lavinové fotodiody - Si

Lavinové fotodiody - APD Technologické provedení – tří až čtyřvrstvá dioda vrstva x1, x2 a x4, x5 jsou kontaktní vrstvy (n+p+ ) - připojení do obvodu vrstva x2, x3 je multiplikační vrstva (p) – násobení počtu fotonosičů nárazovou ionizací vrstva x3, x4 je driftová vrstva (p) - fotogenerace nosičů a jejich urychlení na ionizační kinetickou energii

Lavinové fotodiody - APD Optimalizace struktury ve vrstvách x1 až x2 platí x1+ x2 << 1/ a << x3 kde x1 je kontaktní vrstva n+, x2 je multiplikativní vrstva p, x3 je driftová vrstva p, a koeficient absorpce, tloušťka vyprázdněné oblasti x2 až x3 > střední volná dráha nosičů násobení nosičů v oblasti x2, x3 musí být stejné v celé multiplikační oblasti s minimem defektů pro zajištění vysokého průrazného napětí se používá ochranný prstenec, nebo odleptání části struktury - mesa

Lavinové fotodiody - APD Dynamika APD Parazitní elektrické parametry Rd Cs = tel Driftové časy 1) Přechodový čas elektronů přes driftovou oblast tpe= w2/ vse 2) Přechodový čas děr přes driftovou oblast tpd= w2/ vsd 3) Čas pro lavinování tL = MkwA / vse Výsledná doba odezvy t = tel + tpe + tpd + tL

Lavinové fotodiody - APD Šum APD Iš = { 2e [ It1 + ( If + It2)M2 F(M)] Df }1/2 kde It1 je část temného proudu, která není násobena, It2 je multiplikovaná část temného proudu, If je fotoproud , F(M) je šumový faktor, M je multiplikační konstanta Šumový faktor – šumové číslo Často je užívána aproximace F = Mx kde x je závislý na materiálu a typu nosičů jeho hodnota je mezi 0,2 až 1

Lavinové 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= ah/ae je poměr ionizačních koeficientů děr a elektronů

Lavinové fotodiody - APD Domácí příklad : Fotodioda Si APD n+- p- p - p+ má tloušťku p vrstvy 20mm, tloušťku p vrstvy 2 mm a koncentraci dotace p vrstvy 1020 m-3. Stanovte velikost závěrného napětí pro zajištění intenzity elektrického pole 106 Vm-1v celé vrstvě p.

Komunikační APD fotodiody FD lavinové InGaAs , Si a Ge a pro pásma 0,8 až 1,6 mm [ 5 ]

Schotky fotodetektory MSM Fotodetektory z Ga As, které využívají Schotkyho PN přechod, ale fotovodivostní princip detekce záření. V plošném provedení mají meandrovou strukturu. Vlastnosti: Horší vnější kvantová účinnost, velmi dobré dynamické vlastnosti, vycházející z krátkých driftových časů, daných velmi malými vzdálenostmi v meandru. Použití: Používají se v OEIO, pro rychlosti komunikace stovky Mb/s až jednotky Gb/s.

Schotky fotodetektory MSM Meandrová struktura fotodetektoru MSM

Kvantové fotodetektory-porovnání Srovnávací tabulka kvantových fotodetektorů

Fotonásobiče

fotokatody Klasická fotokatoda Fotokatoda NEA Negativní elektronová afinita

Dynodový násobící systém – zesilovač se šumovým číslem F1

Kruhové uspořádání dynod

Fotonásobiče Multiplikační faktor M=sn Šumové číslo kde s koefecient sekundární emise, n je počet dynod Šumové číslo F=s / s-1

Závislost koeficientu sekundární emise na energii primárních elektronů Termoemisní proudy fotokatod v závislosti na teplotě: 1-AgOCs (S1), 2- SbCsO (S11), 3 – SbNaKCs (S20), 4- SbKCs, 5-SbNaK

OE přijímače pro optické sdělování Obecné požadavky na OE přijímač Vysoká citlivost vyjádřená poměrem V/W do definované zátěže Vysokou citlivost OE přijímače do definované zátěže Vhodnou vlnovou délku vzhledem k přijímanému záření Dobrou dynamiku vzhledem k typu požadované modulace Linearitu vzhledem k rozsahu intenzity optického záření na vstupu OE přijímače

OE přijímače základní zapojení a) Nízkoimpedanční typ, b) Transimpedanční typ, c)Vysokoimpedanční typ s ekvalizérem

OE přijímače základní zapojení Typy OE přijímačů: Nízkoimpedanční OE přijímač – FD v odporovém režimu platí Rz << Zvst kde Rz je zatěžovací odpor FD a Zvst vstupní kapacitní impedance zesilovače – Vlastnosti - velká šířka pásma, malý přenos a velký šum – Používá se pro šířky pásma jednotek až desítek GHz Transimpedanční OE přijímač Rzv > Rz > Zvst – Vlastnosti - kompromisní přenos při střední šířce pásma a střední míře šumu – Použít pro šířky pásma do 1 GHz Vysokoimpedanční OE přijímač – FD v odporovém režimu, nakloněné modulační charakteristice, kterou vyrovnáváme ekvalizačním členem platí Rz = Zvst – Vlastnosti - velmi malý šum, vysoký přenos, malá šířka pásma a malá dynamika – Použití pro šířky pásma do 150 MHz

OE přijímače základní zapojení

OE přijímače základní zapojení

OE přijímače šumové zapojení Redukovaný šumový náhradní ekvivalentní obvod

OE přijímače šumové zapojení V ideálním případě je dominantní výstřelový šum FD Lze hledat optimální hodnotu M, protože pokud roste M roste i F

OE přijímače citlivost Citivost OEP – minimální hodnota optického výkonu, při které přijímač dosáhne požadovaného odstupu signál/ šum SNR nebo požadované chybovosti BER. OEP s PIN fotodiodou OEP s APD

OE přijímače citlivost Citivost OEP s PIN FD Celkový šumový proud

OE přijímače citlivost Citlivost OEP s APD Šumový faktor Temný proud

OE přijímače citlivost Optimální multiplikativnní faktor

OE přijímače šum OEP s MES FE tranzistorem

OE přijímače šum Šum zesilovače je odvozen především od šumu vstupního tranzistoru MES FE tranzistor – tepelný šum kanálu a odporu RL , svodový proud Schottky diody, 1/f šum

OE přijímače šum Optimální volba parametrů FE tranzistoru Celková kapacita na vstupu OEP Pro maximální citlivost platí:

OE přijímače šum Optimální volba parametrů FET – nutno zabezpečit, aby poměr představující člen s B3 v rovnici pro šum zesilovače byl co největší. Toho lze dosáhnout vhodnou optimální volbou délky a šířky kanálu FET

OE přijímače šum rovnici pro šum Velikosti koeficientu G Velikosti Personickových koeficientů v rovnici pro šum Velikosti koeficientu G Si JFET – 0,7 ; GaAs MES FET – 1,1 ; Si MOS FET – 1,5

OE přijímače šum Maximální citlivost – podmínky Tranzistor s co největším fm Co nejvíce zmenšit kapacitu fotodetektoru a rozptylové kapacity zpětné vazby Navrhnout vstupní FET tak, aby platilo

OE přijímače šum Zapojení OEP s bipolárním tranzistorem

OE přijímače šum BJ tranzistor – výstřelový šum kolektorového proudu a proudu báze diody, termický šum odporu RL a odporu báze

OE přijímače šum Celková kapacita na vstupu zesilovače kde kapacita báze je složena s kapacity prostorového náboje a kapacity difuzní

OE přijímače šum Optimální kolektorový proud Ic kde funkce vyjadřuje závislost na přenosové rychlosti B a mezní frekvenci fT

OE přijímače šum Pro nízké přenosové rychlosti B < 1 Gb/s roste difuzní kapacita s přenosovou rychlostí B dle vztahu, kde C0 je celková kapacita pro Ic = 0

OE přijímače šum Pro vysoké přenosové rychlosti B > 1 Gb/s celková kapacita dosahuje svého maxima CT = 2C0 Při nízkých přenosových rychlostech termický šum a při vysokých přenosových rychlostech se projevuje především výstřelový šum daný kolektorovým proudem tím je dána citlivost OEP

OE přijímače šum

OE přijímače pro optické sdělování Kaskodový SS-SB-SE transimpedanční OE přijímač pro modulační pásma do 150 MHz lit. [ 8 ]

OE přijímače pro optické sdělování Hybridní transimpedanční OE přijímač s šířkou pásma 700 MHz lit. [ 6 ]

OE přijímače pro optické sdělování Monolitický obvod PIN FET pro gigahertzové pásmo lit. [ 8 ]