6.7. fotodiodele p-i-n
6.7.1. Principii de acțiune
Fotodiodele transformă direct semnalele luminoase în semnale electrice. folosind un proces fizic invers comparativ cu LED-urile. Fotodioda p-i-n are un strat intern (i-) semiconductor intern care separă zonele tip p și n, așa cum se arată în Fig. 6.9. Dioda este inversă (5-20 volți), ceea ce ajută la menținerea absorbanților de sarcină din zona interioară.
Fig. 6.9. p-i-n fotodiodă
Lățimea stratului interior asigură faptul că probabilitatea de absorbție a fotonilor este mare de acest strat, și nu de regiunile tip p sau n. Stratul interior are o rezistență ridicată, deoarece în acesta nu există suporturi de încărcare gratuită. Aceasta are ca rezultat o picătură de cea mai mare parte a tensiunii pe acest strat, iar câmpul electric rezultant crește rata de răspuns și reduce zgomotul. Atunci când o rază de lumină cu o energie adecvată lovește stratul interior, ea creează o pereche de electroni-gaură, ridicând electronul de la banda de valență la banda de conducție și lăsând o gaură în locul său. Tensiunea de polarizare determină ca aceste suporturi de încărcare (electronii din banda de conducție) să se miște rapid din zona de tranziție, creând un curent proporțional cu lumina incidentă, așa cum se arată în Fig. 6.9.
6.7.2. Parametri de funcționare
Lungime de undă cutoff
Fotonul de intrare trebuie să aibă suficientă energie pentru a ridica electronul prin banda interzisă și pentru a crea o pereche de electroni. Pentru diferite materiale semiconductoare, lățimea banda interzisă este diferită, bariera energetică în electron-volți (eV) poate fi legată de lungimea de undă (# 955;) folosind aceeași ecuație ca și pentru LED-uri.
Pentru un anumit tip de detector, bariera energetică W este o valoare constantă, astfel încât formula de mai sus dă lungimea de undă maximă care poate fi fixată, adică lungimea de undă cutoff.
sensibilitate
Sensibilitatea ρ este raportul dintre curentul de ieșire (i) al detectorului și puterea optică de intrare (P).
Pentru 800 nm, sensibilitatea siliciului este de aproximativ 0,5 A / W, iar sensibilitatea la vârf a InGaA este de aproximativ 1,1 A / W la 1700 nm, scăzând la 0,77 A / W la 1300 nm.
Caracteristică spectrală
Caracteristica spectrală arată schimbarea sensibilității în funcție de lungimea de undă. Curbele tipice ale caracteristicilor spectrale ale diodelor p-i-n de siliciu și InGaAs sunt prezentate în Fig. 6.10.
Eficiență cuantică
Randamentul cuantic al radiatorului este definit ca raportul dintre numărul de electroni extrași și numărul de fotoni incidenti. În siliciu și InGaAs, randamentul cuantic al vârfului este de aproximativ 80%.
Fig. 6.10. Caracteristicile spectrale ale diodelor p-i-n
Viteza de răspuns
Viteza răspunsului detectorului este limitată de timpul de trecere, care este timpul de încărcare liberă a lățimii stratului interior. Aceasta este o funcție a tensiunii de polarizare inversă și lățimea fizică. Pentru diode rapide p-i-n, acesta variază de la 1,5 la 10 ns. Capacitatea afectează de asemenea răspunsul dispozitivului, capacitatea de joncțiune formând un strat interior izolant între electrozii formați de regiunile p și n. În fotodiodele de mare viteză, timpul de răspuns poate atinge 10 picosecunde, cu o capacitate de mai multe picofarade cu suprafețe foarte mici de suprafețe.
Volt-ampere caracteristică
Curbele tipice de tensiune curenta (I-U) pentru ecranul de siliciu p-i-n-fotodioda, in Fig. 6.11. Se poate observa că, chiar și atunci când nu există o putere optică, curge un flux invers mic, numit un curent întunecat. Este cauzată de formarea temperaturii purtătorilor de încărcătură liberă, de obicei dublând la fiecare 10 ° C creșterea temperaturii după 25 ° C.
Raza dinamică
Relația liniară dintre tensiune și puterea optică, prezentată în Fig. 6.11 este de obicei stocat pentru aproximativ șase duzini, dând un interval dinamic de aproximativ 50 dB.
Fig. 6.11. Caracteristicile curentului de tensiune ale unei fotodiode de siliciu p-i-n
6.7.3. Construcția de fotodiode p-i-n
Designul fotodiodelor p-i-n este similar cu cel utilizat pentru LED-uri și lasere, dar cerințele optice sunt mai puțin importante. Zona activă a detectoarelor este de obicei mult mai mare decât nucleul fibrei, astfel încât alinierea transversală nu prezintă o problemă.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: