Fotodetektory pro informatiku X34 SOS semináře 2008

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

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

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

Fotodetektory – PN, PIN 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

Fotodetektory PN, PIN Příklady: 1) Fotodioda Si PIN má kvantovou účinnost h=0,7 při vlnové délce l=0,85 mm. Stanovte responsivitu. 2) Fotodioda Ge P+ N má kvantovou účinnost h=0,4 při vlnové délce l=1,65 mm. Stanovte responsivitu. (0,53 A/W) 3) Fotodetektor má responsivitu Sl=0,6 A/W pro záření o vlnové délce 1,3mm. Stanovte kvantovou účinnost h. (0,57)

Fotodetektory - absorpční hrana Absorpční spektra některých polovodičových materiálů

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

Komunikační fotodiody - 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 1 až 1,5 mm resp. InGaAsP/InP pro úzkopásmové použití, přijatelný temný proud Id , responzivita do 0,8 A/W

Fotodetektory - PIN Pásový model komunikační PIN - FD

Uspořádání vrstev diody PIN, b) Prostorové rozložení náboje r, Fotodetektory - 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

Komunikační fotodiody - 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.

Komunikační fotodiody - 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.

Komunikační fotodiody - PIN Technologické rozdělení 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 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

Komunikační fotodiody - PIN Příklady: b) Vypočtěte velikost závěrného napětí UR nutného pro dosažení saturační rychlosti driftujících nosičů vs na přechodu p+ - n resp. n+ - n a kapacity prostorového náboje CD. UR= eND (WI)2/ 2er eo = 6,8V CD= er eo A/ WI = 0,35 pF c) Stanovte velikost závěrného napětí pro zajištění intenzity elektrického pole 106 Vm-1v celé intrinzické vrstvě n. UR+ Uo= eND (WI)2/ 2er eo + E WI = 6,8 + 30 V = 36,8 V

Komunikační fotodiody - 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 Celková časová konstanta a mezní frekvence tC = (tRC 2+ td2)1/2 z toho fm = 0,44/ tC

Fotodetektory - dynamika Elektrický náhradní obvod pro malé změny signálu FD

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

Komunikační fotodiody - 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

Komunikační fotodiody - 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 2) Šumová složka temného proudu Iš = { 2e (If + It ) Df }1/2 kde Iš je celkový výstřelový šum, If šum fotoproudu, 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

Komunikační fotodiody - PIN 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

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

Komunikační fotodiody - APD Fyzikální mechanismus elektronové lavinové ionizace

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

Komunikační fotodiody - APD Ionizační koeficient y 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

Komunikační 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

Komunikační fotodiody - APD

Komunikační 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

Komunikační 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

Komunikační 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

Komunikační 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 Šumový faktor Často je užívána aproximace F = Mx kde x je závislý na materiálu a typu nosičů jeho hodnota je mezi 0,2 až 1

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= ah/ae je poměr ionizačních koeficientů děr a elektronů

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