Фізичні основи фотоприймачів

1. Фізичні основи фотоприймачів
Доповідач: Андрусяк Юрій

2. Що таке фотоприймач?
Фотоприймачі – це прилади,
які можуть детектувати
оптичні сигнали за рахунок
електронних процесів, що в
них протікають.

3. Види фотоприймачів

4. Технології виготовлення ФП
MSM
(Metal Semiconductor Metal)
PIN
APD
Waveguide
Contact InP p 1x1018
Multiplication InP n 5x1016
Transition InGaAsP n 1x1016
Absorption InGaAs n 5x1014
Contact InP n 1x1018
Substrate InP Semi insulating
Semiinsulating GaAs
Contact InGaAsP p 5x1018
Absorption InGaAs n- 5x1014
Contact InP n 1x1019
Absorption Layer
Guide Layers
Simple, Planar,
Low Capacitance
Low Quantum Efficiency
Trade-off Between
Quantum efficiency
and Speed
High efficiency
High speed
Difficult to couple into
Gain-Bandwidth:
120GHz
Low Noise
Difficult to make
Complex
Key: Absorption Layer
Contact layers
Layer Structure Features

5. Принцип роботи фотоприймача
При поглинанні оптичного випромінювання в
фотодіоді генеруються електронно-діркові пари.
Електрони і дірки розділяються електричним полем
і дрейфують в протилежні сторони від p-n -
переходу. При цьому через зовнішній нагрузочний
опір протікає струм зміщення.

6. Принципи роботи
(Hitachi Opto Data Book)
Структура пристрою
Зонна діаграмма
показує рух носіїв у
електричному полі
збідненого шару
Інтенсивність світла як
функція відстані до
поверхні
Carriers absorbed here must diffuse to the
intrinsic layer before they recombine if they
are to contribute to the photocurrent. Slow
diffusion can lead to slow “tails” in the
temporal response.
Bias voltage usually needed to fully
deplete the intrinsic “I” region for high
speed operation

7. Процеси
В загальному випадку в фотодетекторі протікають три
основні процеси:
1) генерація носіїв під дією зовнішнього опромінення;
2) переніс носіїв і їх помноження за рахунок того чи іншого
механізму підсилення струму, характерного для даного
напівпровідника;
3) взаємодія струму з зовнішньою ланкою, яка забезпечує
отримання вихідного сигналу.

8. Фотодіодний приймач
В фотодіоді є збіднена область напівпровідника з сильним
електричним полем, в якому відбувається розділення
електронно-діркових пар, що збуджуються під дією світла.
Для роботи фотодіода на високих частотах необхідно
забезпечити малі часи прольоту, тому збіднена область має
бути тонкою. З іншого боку, для збільшення квантової
ефективності (кількість фотогенерованих електронно-діркових
пар, віднесене до кількості падаючих фотонів) збіднений шар
повинен бути досить товстим, щоб забезпечити поглинання
більшої частини випромінювання, що падає. Таким чином,
існує взаємозв’зок між швидкодією і квантовою ефективністю.

9. Розглянемо загальні характеристики фотодіодів:
(1)квантову ефективність,
(2)швидкість фотовідгуку і
(3)приладні шуми.

10. Характеристикифотодетекторів
 







 
 
 
 
  
    

Number of Collected electrons
1
Number of Photons *Entering* detector
/Number of Collected electrons
1 1
Number of Photons *Incident* on detector /
Photo Current (Amps)
W
i
ph W
e p
o
e
i q
R e
P h
R  
 






 
 
 
     
  
   
 
1 1
Incident Optical Power (Watts)
1 1ph o
ph W
p
o
W
p
oi RP
i q
R e
P h
R e
P
q
h
• Внутрішня
квантова
ефективність
• Зовнішня
квантова
ефективність
• Відгук
•Фотострум
Incident Photon Flux
(#/sec)
Fraction Transmitted
into Detector
Fraction absorbed in
detection region

11. Квантова ефективність
Квантова ефективність – це кількість фотогенерованих електронно-діркових пар по водношенню до
кількості фотонів, що падають.
),//()/(  hPqI optp
де Ip - фотострум, що обумовлений поглинанням падаючого оптичного випромінювання з потужністю
Popt і довжиною хвилі  (що відповідає енергії фотона h).
Порівняльним критерієм якості є чутливість, яка визначається як відношення фотоструму до оптичної
потужності:
.
24,1




h
q
P
I
R
opt
p
Таким чином, для даної квантової ефективності чутливість лінійно зростає з ростом . Для ідеального
фотодіода (=1) R=(/1,24) (А/Вт), де довжина  виражена в мікрометрах.

12. Швидкість фотовідгуку
Обмежується трьома факторами:
-дифузією носіїв;
-часом дрейфу через збіднену область;
-ємністю збідненої області.
Носії, що генеровані за межами збідненої області, повинні дифундувати до переходу, що суттєво
збільшує час затримки. Щоб зменшити вплив дифузії, необхіжно формувати перехід поблизу
поверхні.
Основна частина випромінювання поглинається в тому випадку, коли збіднена область досить
широка (порядку 1/; при достатньо високих обернених зміщеннях дрейф носіїв здійчснюється зі
швидкістю насичення. Збіднений шар, однак, не повинен бути досить широким, тому що час
переносу буде обмежувати швидкість фотовідгуку. Крім того він не повинен бути і дуже вузьким,
тому що за рахунок великої ємності С буде велика постійна часу RC (R - опір нагрузки).
Оптимальною шириною збідненого шару вважається така ширина, при якій час переносу рівний
приблизно половині періоду модуляції випромінювання.
Наприклад, для частоти модуляції рівній 10 ГГц, оптимальна ширина збідненого шару в кремнії
становить 5 мкм.

13. Застосування
• Ракети з лазерним наведенням, лазерна сигналізація, лазерні далекоміри
• Оптичний зв’язок
• Автомобільний оптичний радар для уникнення зітнення
• Вирівнювання лазера і системи управління
• Спектральний аналіз (медицина)
• Два датчика колір (у поєднанні з ІЧ-детектор чіпа)
• Моніторинг Hg лампи для стерилізації
• обробка плівки
• контроль полум'я
• Спектральний моніторинг озонового шару Землі
• Застосування космічної техніки (сонячні датчики, зоряні датчики)

14. Фотоприймачі у ВОС та вимоги до них
Фотодетектори грають важливу
роль у волоконно-оптичних
системах зв’зку ближнього ІЧ-
діапазону (0,8 – 1,6 мкм). Вони
детектують оптичні сигнали,
тобто перетворюють зміни
інтенсивності випромінювання в
електричні коливання, які
відповідним чином
підсилюються і піддаються
наступній обробці.
Фотодетектори, що призначені
для таких систем, повинні мати:
1) високу чутливість в робочому
діапазоні довжин хвиль;
2) високу швидкодію;
3) низький рівень шумів;
4) малі розміри;
5) низькі керуючі напруги і
струми;
6) високу надійність в роботі.

15. Дякую за увагу!