Ein Fotodetektor (PD) wandelt empfangene Daten umoptischSignale in elektrische Signale um und vervollständigt so die Umwandlung von optischen-in-elektrischen Signalen. Die Grundvoraussetzungen für eine PD sind:
1) Es verfügt über eine ausreichend hohe Empfindlichkeit bei der Betriebswellenlänge des Systems, was bedeutet, dass es den größtmöglichen Photostrom für eine gegebene einfallende Lichtleistung ausgeben kann.
2) Es verfügt über eine ausreichend schnelle Reaktionsgeschwindigkeit, die für Hochgeschwindigkeits- oder Breitbandsysteme geeignet ist.
3) Es weist das geringstmögliche Rauschen auf, um den Einfluss des Geräts auf das Signal zu minimieren.
4) Sie zeichnen sich durch geringe Größe und lange Lebensdauer aus.
Derzeit gibt es zwei häufig verwendete Halbleiter-Fotodetektoren: PIN-Fotodioden (PIN-PDs) und Avalanche-Fotodioden (APDs). In diesem Abschnitt werden hauptsächlich die Prinzipien, Leistungsindikatoren und zwei häufig verwendete Arten von Fotodetektoren vorgestellt.
Prinzip von Fotodetektoren
Fotodetektoren nutzen den fotoelektrischen Effekt von Halbleitermaterialien, um eine fotoelektrische Umwandlung zu erreichen. Der photoelektrische Effekt von Halbleitermaterialien ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Wenn die Energie hv des einfallenden Photons kleiner als die Bandlücke E ist, tritt der photoelektrische Effekt unabhängig von der Intensität des einfallenden Lichts nicht auf. Das heißt, dass die folgende Bedingung erfüllt sein muss, damit der photoelektrische Effekt auftritt:
Mit anderen Worten: Einfallendes Licht mit einer Frequenz v < E/h kann den photoelektrischen Effekt nicht erzeugen. Konvertieren von v in die Wellenlänge λc=hc/E. Das heißt, nur einfallendes Licht mit einer Wellenlänge λ < λc kann in diesem Material photogenerierte Ladungsträger erzeugen. Daher ist λc die maximale Wellenlänge des einfallenden Lichts, die zur Erzeugung des photoelektrischen Effekts erforderlich ist, auch als Grenzwellenlänge bekannt, und die entsprechende v wird als Grenzfrequenz bezeichnet. Jedes von einem Halbleitermaterial absorbierte Photon erzeugt ein Elektron--Lochpaar. Wenn ein elektrisches Feld an das Halbleitermaterial angelegt wird, wandert das Elektron-{7}}Loch-Paar durch das Halbleitermaterial und erzeugt einen Photostrom.
Abgesehen davon, dass es eine Grenzwellenlänge gibt, nimmt auch die Umwandlungseffizienz der Fotodiode ab, wenn die Wellenlänge des einfallenden Lichts zu kurz ist. In einer Fotodiode werden einfallende Photonen absorbiert, wodurch Elektron-{1}Loch-Paare entstehen. Wenn der Abstand x=0 ist, beträgt die optische Leistung P(0). Nach einer Strecke x beträgt die absorbierte optische Leistung:
In der Formel ist (λ) der Absorptionskoeffizient des Materials, der eine Funktion der Wellenlänge ist.
Wenn die Wellenlänge des einfallenden Lichts sehr kurz ist, ist der Absorptionskoeffizient des Materials sehr groß. Dadurch wird eine große Anzahl von Photonen an der Oberfläche der Fotodiode absorbiert, wodurch ein -elektrischer-Feldbereich entsteht. Die hier erzeugten Elektronen-{4}}Loch-Paare müssen zunächst zur Verarmungsschicht diffundieren, bevor sie vom externen Kreislauf gesammelt werden. Allerdings haben Minderheitsträger in dieser Region eine sehr kurze Lebensdauer und diffundieren sehr langsam, wobei sie häufig vor der Sammlung rekombinieren. Dies verringert die Effizienz des Fotodetektors. Daher haben Fotodioden aus bestimmten Materialien einen bestimmten Wellenlängen-Reaktionsbereich. Beispielsweise beträgt der Wellenlängen-Reaktionsbereich von Si-Fotodioden 0,5–10 μm und der von InGaAs-Fotodioden 1,1–1,6 μm.
Eigenschaften von Fotodetektoren
Quanteneffizienz
Einfallendes Licht (Leistung P) enthält eine große Anzahl Photonen. Das Verhältnis der Anzahl der Photonen, die in Photostrom umgewandelt werden können, zur Gesamtzahl der einfallenden Photonen wird als Quanteneffizienz bezeichnet und nach folgender Formel berechnet:
In der Formel ist die Elektronenladung=1.6 × 10⁻¹ Grad; I ist der erzeugte Photostrom; h ist Plancks Konstante; und v ist die Frequenz des Photons. Die Quanteneffizienz liegt zwischen 50 % und 90 %.
Wenn das Reflexionsvermögen der einfallenden Oberfläche r ist und die in der Oberflächenschicht mit dem elektrischen Nullfeld - erzeugten Elektron-{0}}-Lochpaare nicht effektiv in Photostrom umgewandelt werden können und die einfallende Lichtleistung P(0) ist, dann ist der Photostrom:
In der Formel ist der Absorptionskoeffizient des Nullfeldbereichs und der Verarmungsschicht, die Dicke des Nullfeldbereichs und die Breite der Verarmungsschicht. Der Wirkungsgrad ist dann:
Reaktionsfähigkeit
Das Verhältnis von Photostrom zur einfallenden Lichtleistung in einem Photodetektor wird als Empfindlichkeit bezeichnet (gemessen in A/W).
Diese Eigenschaft gibt die Effizienz des Fotodetektors bei der Umwandlung optischer Signale in elektrische Signale an. Typische Werte für R liegen zwischen 0,5 und 1,0 A/W. Beispielsweise beträgt der R-Wert für einen Si-Fotodetektor 0,65 A/W bei einer Wellenlänge von 900 nm; der R-Wert für einen Ge-Fotodetektor beträgt 0,45 A/W (bei 1300 nm); und die Empfindlichkeit von InGaAs beträgt 0,9 A/W bei 1300 nm und 1,0 A/W bei 1550 nm.
Für eine gegebene Wellenlänge ist die Empfindlichkeit konstant, bei Betrachtung eines großen Wellenlängenbereichs ist sie jedoch nicht konstant. Wenn die Wellenlänge des einfallenden Lichts zunimmt, nimmt die Energie der einfallenden Photonen ab, und wenn sie kleiner als die Bandlücke ist, sinkt die Empfindlichkeit bei der Grenzwellenlänge schnell.
Antwortspektrum
Um fotogenerierte Ladungsträger zu erzeugen, muss die Energie des einfallenden Photons größer sein als die Bandlücke des Fotodetektormaterials. Diese Bedingung kann wie folgt ausgedrückt werden:
In der Formel ist λ die Grenzwellenlänge.
Mit anderen Worten: Für ein gegebenes Halbleiter-Detektionsmaterial kann nur Licht mit Wellenlängen erfasst werden, die kürzer als die Grenzwellenlänge sind, und die Quanteneffizienz des Detektors variiert mit der Wellenlänge; Dieses Merkmal wird als Antwortspektrum bezeichnet. Daher sind Fotodetektoren nicht universell einsetzbar und die Antwortspektren verschiedener Materialien unterscheiden sich. Zu den häufig verwendeten photoelektrischen Halbleitermaterialien gehören Si, Ge, InGaAs, InGaAsP und GaAsP. Ihre Antwortspektren sind in Abbildung x dargestellt.
Ansprechzeit
Die Geschwindigkeit, mit der der von einer Fotodiode erzeugte Fotostrom dem einfallenden Lichtsignal folgt, wird typischerweise als Reaktionszeit ausgedrückt. Die Reaktionszeit ist ein Parameter, der die Fähigkeit des Fotodetektors widerspiegelt, auf transiente oder schnelle modulierte Lichtsignale zu reagieren. Es wird hauptsächlich durch die folgenden drei Faktoren beeinflusst:
1) Die Transitzeit von Fototrägern in der Verarmungsregion.
2) Die Diffusionszeit von Phototrägern, die außerhalb der Verarmungsregion erzeugt werden.
3) Die RC-Zeitkonstante der Fotodiode und der zugehörigen Schaltung.
Die Reaktionszeit kann als Anstiegszeit und Abfallzeit des Ausgangsimpulses eines Fotodetektors ausgedrückt werden. Wenn die Sperrschichtkapazität der Fotodiode relativ klein ist, sind die Anstiegs- und Abfallzeit kurz und relativ konstant; Wenn die Sperrschichtkapazität der Fotodiode relativ groß ist, wird die Reaktionszeit durch die RC-Zeitkonstante begrenzt, die durch den Lastwiderstand und die Sperrschichtkapazität gebildet wird, was zu längeren Anstiegs- und Abfallzeiten führt.
Im Allgemeinen geben die technischen Spezifikationen von Fotodetektoren die Anstiegszeit an. Bei PIN-Fotodioden beträgt die Anstiegszeit t0ist typischerweise<1 ns; for APDs, this value is less than 0.5 ns.
Dunkle Strömung
Unter Dunkelstrom versteht man den Strom in einem Fotodetektor, wenn kein Licht einfällt. Obwohl kein Licht einfällt, kann bei einer bestimmten Temperatur externe Wärmeenergie im Verarmungsbereich einige freie Ladungen erzeugen. Diese Ladungen fließen unter dem Einfluss einer Sperrspannung und bilden einen Dunkelstrom. Offensichtlich gilt: Je höher die Temperatur, desto mehr Elektronen werden durch die Temperatur angeregt und desto größer ist der Dunkelstrom. Für eine PIN-Fotodiode sei der Dunkelstrom bei der Temperatur T I(T). Wenn die Temperatur auf T ansteigt, dann:
In der Formel ist C eine empirische Konstante und C=8 für eine Si-Fotodiode.
Der Dunkelstrom bestimmt letztendlich die minimal erfassbare optische Leistung, also die Empfindlichkeit der Fotodiode.
Abhängig vom verwendeten Halbleitermaterial variiert der Dunkelstrom zwischen 0,1 und 500 nA.
