Kvantové fotodetektory a optoelektronické přijímače X34 SOS 2009

1. Kvantové fotodetektory a optoelektronické přijímače X34 SOS 2009

2. 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

3. Detektory optického záření s přímou přeměnou s nepřímou přeměnou

4. Detektory záření

5. 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 objemové jevy Schottky přechod

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

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

8. 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 pásupolovodiče, 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

9. Polovodičové fotodetektory Absorpční spektra některých polovodičových materiálů

10. Fotorezistory

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

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

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

14. 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

15. Fotodiody – PN,PIN Pásový model komunikační PIN - FD

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

17. Fotodetektory – PN, PIN VA charakteristika diodových fotodetektorů

18. 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

19. Fotodetektory PN, PIN • Příklad: 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 = 5x104m-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.

20. 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 1mm a koncentraci dotace 1019 cm-3. a) Vypočtěte maximální kvantovou účinnost h a responzivituSlpro 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= 0,54A/W.

21. Fotodiody – PN,PIN • 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 x1je tloušťkavrstvy P, aje absorpční koeficient, LDje tloušťka ochuzené vrstvy • Velká tloušťka LDzpůsobuje 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

22. Komunikační fotodiody - PIN Fotodetektor PIN s homopřechodem

23. Komunikační fotodiody - PIN Fotodetektor PIN s heteropřechodem

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

25. Fotodiody – PN,PIN • Dynamické vlastnosti • Časová konstanta tRC = (Cs + Cz) RdRz / (Rd+Rz) kde tRCčasová 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

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

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

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

29. 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

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

31. 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

32. Fotodiody – PN,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 1mm a koncentraci dotace 6,5 x1018 m-3. Vypočtěte maximální kvantovou účinnost h a responzivituSlpro vlnovou délku l= 0,9 mm. Povrchovou reflexi a absorpci kontakní vrstvy zanedbejte. Předpokládejte koeficient absorpce a= 5x104 m-1

33. 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

34. Lavinové fotodiody - APD Fyzikální mechanismus elektronové lavinové ionizace

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

36. 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

37. 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

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

39. Lavinové fotodiody - APD Technologické provední lavinové fotodiody - Si

40. 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

41. 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, akoeficient 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

42. 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

43. Lavinové fotodiody - APD • Šum APD Iš = { 2e [ It1 + ( If + It2)M2 F(M)]Df }1/2 kde It1je část temného proudu, která není násobena, It2 jemultiplikovaná 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

44. 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

45. 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.

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

47. 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.

48. Schotky fotodetektory MSM Meandrová struktura fotodetektoru MSM

49. Kvantové fotodetektory-porovnání Srovnávací tabulka kvantových fotodetektorů

50. Fotonásobiče