fotodetektory pro informatiku x34 sos semináře 2008

Fotodetektory Fotodetektory pro pro informatikuinformatiku

X34 SOS semináře 2008X34 SOS semináře 2008

Fotodetektory Fotodetektory pro pro informatikuinformatiku

Základní vlastnosti:Základní vlastnosti:Vysoká vnitřní a vnější kvantová účinnost Vysoká vnitřní a vnější kvantová účinnost

Dobré dynamické vlastnosti – malá kapacita Dobré dynamické vlastnosti – malá kapacita prostorového náboje, krátká driftová dobaprostorového náboje, krátká driftová doba

Nízký šum – výstřelový šumNízký šum – výstřelový šum

Dobrá linearita i při vyšších optických výkonechDobrá linearita i při vyšších optických výkonech

Fotodetektory - základní rozděleníFotodetektory - základní rozdělení

PN fotodetektory ( PN – FD)PN fotodetektory ( PN – FD)

PIN fotodetektory ( PIN – FD)PIN fotodetektory ( PIN – FD)

Lavinové fotodetektory ( APD – FD)Lavinové fotodetektory ( APD – FD)

Fotovodivostní fotodetektory (MSM – FD)Fotovodivostní fotodetektory (MSM – FD)

Fotodetektory-pásový modelFotodetektory-pásový model

a) Mezipásová absorpce, b) Absorpce na hladinách příměsí

c) Absorpce na volných nosičích

Fotodetektory – PN, PINFotodetektory – PN, PINPrincipPrincip – generace fotoproudu na závěrně buzeném p - n, p – generace fotoproudu na závěrně buzeném p - n, p++- - - n- n++ přechodu osvětleném zářením, jehož vlnová délka přechodu osvětleném zářením, jehož vlnová délka

je menší, než prahová vlnová délka je menší, než prahová vlnová délka thth

thth= hc/ E= hc/ Eg g = 1,24/ E= 1,24/ Eg g [ [ mm; eV; eV ] ] kde Ekde Eg g je energie odpovídajíc šířce zakázaného pásuje energie odpovídajíc šířce zakázaného pásu polovodiče, polovodiče, h Planckova konstanta, c rychlost světlah Planckova konstanta, c rychlost světla

Vnitřní kvantová účinnostVnitřní kvantová účinnost

=S=Shc/ehc/e= S= S1,24/ 1,24/ [ A/ W[ A/ W; ; mm ] ] kde Skde Sje spektrální citlivost ( responzivita ) definovaná je spektrální citlivost ( responzivita ) definovaná SSphph/ / ph ph je fotoproud, je fotoproud, je optický výkonje optický výkon

ResponzivituResponzivitu lze také vyjádřit lze také vyjádřit

SS= = eehchc= = / 1,24/ 1,24

Příklady:1) Fotodioda Si PIN má kvantovou účinnost 0,7 při vlnové délce m. Stanovte responsivitu.

WAS /48,024,1

85,07,0

hc

e

3) Fotodetektor má responsivitu S=0,6 A/W pro záření o vlnové délce 1,3m. Stanovte kvantovou účinnost 0,57)

Fotodetektory PN, PIN

2) Fotodioda Ge P+ N má kvantovou účinnost 0,4 při vlnové délce m. Stanovte responsivitu. (0,53 A/W)

Fotodetektory - absorpční hranaFotodetektory - absorpční hrana

Absorpční spektra některých polovodičových materiálů

Fotodetektory - PINFotodetektory - PIN

Pokles optického zářivého výkonu pod povrchem polovodiče vlivem mezipásové absorpce

Komunikační fotodiody - PINKomunikační fotodiody - PIN

Polovodičové materiály pro PIN - FD s homopřecho-Polovodičové materiály pro PIN - FD s homopřecho-demdem

Si – velmi nízký temný proud ISi – velmi nízký temný proud Idd, malá šířka pásma do , malá šířka pásma do 0,9 0,9 m, responzivita 0,5 až 0,6A/W m, responzivita 0,5 až 0,6A/W Ge – relativně velký temný proud IGe – relativně velký temný proud Id d , velká šířka , velká šířka pásma do 1,8 pásma do 1,8 m, responzivita do 0,8 A/Wm, responzivita do 0,8 A/W

Polovodičové materiály pro PIN - FD s heteropřecho-Polovodičové materiály pro PIN - FD s heteropřecho-demdem

InGaAs/InP pro pásmo 1 až 1,5 InGaAs/InP pro pásmo 1 až 1,5 m resp. InGaAsP/InP m resp. InGaAsP/InP pro úzkopásmové použití, přijatelný temný proud Ipro úzkopásmové použití, přijatelný temný proud Id d , , responzivita do 0,8 A/W responzivita do 0,8 A/W


Pásový model komunikační PIN - FD


a) Uspořádání vrstev diody PIN, b) Prostorové rozložení náboje ,

c) Prostorové rozložení intenzity el. pole E, d) Prostorové rozložení potenciálu V

Fotodetektory – PN, PINFotodetektory – PN, PIN

VA charakteristika diodových fotodetektorů

Komunikační fotodiody - PINKomunikační fotodiody - PIN Zářivý výkon absorbovaný v oblasti I vymezené xZářivý výkon absorbovaný v oblasti I vymezené x1 1 až xaž x2 2 využitelný ke využitelný ke

generaci fotoproudugeneraci fotoproudu

P = (1- R) PP = (1- R) P0 0 ( exp (- ( exp (- xx11) – exp (- ) – exp (- xx22))))

kde R je koeficient reflexe, Pkde R je koeficient reflexe, P0 0 dopadající optický výkon, dopadající optický výkon, P absorbovaný optický výkon, P absorbovaný optický výkon, koeficient absorpcekoeficient absorpce

Dosažení vysoké vnější kvantové účinnosti:Dosažení vysoké vnější kvantové účinnosti:

= P/ P= P/ P0 0 = (1- R) exp (- = (1- R) exp (- xx11) ) [ 1 [ 1 – exp (- – exp (- xx22 -- x x11))))]]

Minimalizovat R antireflexními povlakyMinimalizovat R antireflexními povlakyMaximalizace absorpce uvnitř vyprázdněné oblasti tj.Maximalizace absorpce uvnitř vyprázdněné oblasti tj.

minimalizovat tloušťku vrstvy P (0 až xminimalizovat tloušťku vrstvy P (0 až x11) a maximalizovat tloušťku ) a maximalizovat tloušťku vrstvy I (xvrstvy I (x1 1 až xaž x22))Zabránit rekombinacím elektronů dříve než dosáhnou sběrných Zabránit rekombinacím elektronů dříve než dosáhnou sběrných elektrodelektrod

Fotodetektory PN, PINFotodetektory PN, PIN PPříklad:říklad: PP++ kontakt Si PIN fotodiody P kontakt Si PIN fotodiody P+ + ---N-N+ + má tloušťku 1 má tloušťku 1 m. Vlnová délka m. Vlnová délka

dopadajícího záření je dopadajícího záření je m. Určete kvantovou účinnost m. Určete kvantovou účinnost je-li absorpční je-li absorpční koeficient křemíku pro danou vlnovou délku koeficient křemíku pro danou vlnovou délku xxmm-1-1 a na fotoproudu se a na fotoproudu se podílí pouze záření absorbované v podílí pouze záření absorbované v --vrstvě. Koeficient reflexe je R=0.vrstvě. Koeficient reflexe je R=0.

pro xpro x22 jde do nekonečna jde do nekonečna

Stanovte minimální tloušťku Stanovte minimální tloušťku -vrstvy tak, aby kvantová účinnost fotodiody -vrstvy tak, aby kvantová účinnost fotodiody pro stejnou vlnovou délku neklesla pod pro stejnou vlnovou délku neklesla pod 00,,8. 8.

)38(8,0)05,0exp()05,0exp()exp()exp()1( 221 mxxxR

P

P

o

95,0)05,0exp()exp()1( 1 xRP

P

o

)exp()exp()1( 21 xxRP

P

o


Příklad:Příklad:

Fotodioda Si PIN pFotodioda Si PIN p++- - - n- n++ s aktivní plochou A = 0,1mms aktivní plochou A = 0,1mm2 2 má má tloušťku tloušťku vrstvy 30 vrstvy 30 mm,, tloušťku tloušťku pp++ vrstvy vrstvy 11 m a koncentraci m a koncentraci dotace 10dotace 1019 19 cmcm-3-3..

a) Vypočtěte maximální kvantovou účinnost a) Vypočtěte maximální kvantovou účinnost a responzivitua responzivituSS pro pro

vlnovou délku vlnovou délku = 0,82 = 0,82 m. Povrchovou reflexi a absorpci kontakní m. Povrchovou reflexi a absorpci kontakní vrstvy zanedbejte. Předpokládejte koeficient absorpce vrstvy zanedbejte. Předpokládejte koeficient absorpce = 7x10= 7x104 4 mm-1-1..

= P/ P= P/ P0 0 = (1- R) exp (- = (1- R) exp (- xx11) ) [ 1 [ 1 – exp (- – exp (- xx22 -- x x11))))]] = =

= exp (- = exp (- 0.070.07) ) [1-[1- exp (-2,1) exp (-2,1)] ] = = 0.93 [ 1- 0.12 ] 0.93 [ 1- 0.12 ] = = 0,820,82 SS= = 0,540,54 A/A/WW..


Technologické rozděleníTechnologické rozdělení

PIN – FD s homopřechodemPIN – FD s homopřechodem PIN – FD s heteropřechodemPIN – FD s heteropřechodem

Optimalizace parametrů intrinzické vrstvyOptimalizace parametrů intrinzické vrstvy

Pro vysokou kvantovou účinnost musí platitPro vysokou kvantovou účinnost musí platit xx11 <<1/ <<1/ <<<< LLDD

kde kde xx11 je tlouje tloušťšťkaka vrstvy P, vrstvy P, je absorpční koeficient, je absorpční koeficient, LLDD je tloušťka ochuzené vrstvyje tloušťka ochuzené vrstvy

– Velká tloušťka Velká tloušťka LLDD způsobuje velkou driftovou dobu nosičů, způsobuje velkou driftovou dobu nosičů, generovaných uvnitř intrinzické vrstvy, větší vnitřní generovaných uvnitř intrinzické vrstvy, větší vnitřní kvantovou účinnostkvantovou účinnost

– Malá tloušťka Malá tloušťka LLDD způsobuje velkou kapacitu prostorového způsobuje velkou kapacitu prostorového náboje Cnáboje Css, krátké driftové časy, malou vnitřní kvantovou, krátké driftové časy, malou vnitřní kvantovou účinnostúčinnost


Napájecí napětí PIN fotodiody:Napájecí napětí PIN fotodiody: Intenzita elektrického pole E intrinzické vrstvy:Intenzita elektrického pole E intrinzické vrstvy:

dE/dx = eNdE/dx = eND D / / r r o o po provedení integrace dle xpo provedení integrace dle x

E = eNE = eND D WWI I / / r r o o pro x = Wpro x = WI I

Difuzní napětí na přechodu pDifuzní napětí na přechodu p+ + - - ::

dV/dx = E po provedení další integrace dle x dV/dx = E po provedení další integrace dle x

UUDD= eN= eND D (W(WII))22/ 2/ 2r r o o pro x = Wpro x = WI I

Napětí na Napětí na vrstvě:vrstvě:

UUo o = E W= E WII

Výsledné napětí:Výsledné napětí:

U = UU = Uoo + U + UD D

Komunikační fotodiody - PINKomunikační fotodiody - PIN Příklady:Příklady:

b) Vypočtěte velikost závěrného napětí Ub) Vypočtěte velikost závěrného napětí UR R nutného pro dosažení nutného pro dosažení saturační rychlosti driftujících nosičů vsaturační rychlosti driftujících nosičů vs s na přechodu pna přechodu p+ + - - resp. resp.

nn+ + - - a kapacity prostorového náboje Ca kapacity prostorového náboje CDD..

UURR= eN= eND D (W(WII))22/ 2/ 2r r o o = = 6,8V6,8V C CDD= = r r o o A/ WA/ WI I = = 0,35 pF0,35 pF

c) Stanovte velikost závěrného napětí pro zajištění intenzity c) Stanovte velikost závěrného napětí pro zajištění intenzity elektrického pole 10elektrického pole 106 6 VmVm-1-1v celé intrinzické vrstvě v celé intrinzické vrstvě

UURR+ U+ Uoo= eN= eND D (W(WII))22/ 2/ 2r r o o + E W+ E WI I = 6,8 + 30 V = = 6,8 + 30 V = 36,8 V36,8 V

Komunikační fotodiody - PINKomunikační fotodiody - PIN Dynamické vlastnosti Dynamické vlastnosti

Časová konstantaČasová konstanta

RCRC (C (Cs s + C+ Czz) R) RddRRz z / (R/ (Rdd+R+Rzz) )

kde kde RCRCčasová konstanta, Rčasová konstanta, Rd d je dynamický odpor fotodiody, je dynamický odpor fotodiody,

CCss je kapacita prostorového náboje, R je kapacita prostorového náboje, Rz z a Ca Czz je je

odpor a kapacita zátěžeodpor a kapacita zátěže

Driftové časy nosičůDriftové časy nosičů ve vyčerpané oblasti ve vyčerpané oblastidd = W = WII / v / vss

kde Wkde WII = x = x1 1 – x– x2 2 tloušťka intrinsické oblasti PIN, vtloušťka intrinsické oblasti PIN, vs s jeje

saturační rychlostsaturační rychlost

Celková časová konstanta a mezní frekvenceCelková časová konstanta a mezní frekvence C C = (= (RC RC

22+ + dd22))1/2 1/2 z toho fz toho fm m = 0,44/= 0,44/CC

Fotodetektory - dynamikaFotodetektory - dynamika

Elektrický náhradní obvod pro malé změny signálu FD


Závislost driftové rychlosti nosičů na intenzitě el. pole


Příklady:Příklady: d) Stanovte dobu driftování pro elektrony a díry je-li saturační d) Stanovte dobu driftování pro elektrony a díry je-li saturační

rychlost v rychlost v vrstvě v vrstvě vsese= 7x10= 7x104 4 resp. vresp. vsh sh = 4x10= 4x104 4 m/s.m/s.

tretre= W= WII/ v/ vse se = = 0,43 ns0,43 ns resp. resp. trhtrh= W= WII/ v/ vsh sh = = 0,75 ns0,75 ns

e) Stanovte časovou konstantu e) Stanovte časovou konstantu CC a mezní frekvenci f a mezní frekvenci fmmPINPIN

fotodetektoru, který pracuje do zátěže Rfotodetektoru, který pracuje do zátěže Rz z =500 =500

RCRC= R= Rz z CCDD= 0,175 ns = 0,175 ns tr tr = (= (tre tre 22++ trh trh

22 ))1/2 1/2 = 0,86 ns= 0,86 ns

C C = (= (RC RC 22+ + tr tr

22))1/21/2 = = 0,88 ns0,88 ns

ffm m = 0,44/ = 0,44/ C C = = 500 MHz500 MHz


Závislost mezní frekvence PIN FD pro vysoké rychlosti komunikace na tloušťce intrinsické vrstvy. Parametrem je

průměr aktivní plochy fotodetektoru

Komunikační fotodiody - PINKomunikační fotodiody - PIN ŠŠumové vlastnostiumové vlastnosti

Výstřelový šum -Výstřelový šum - je dán proudovými a napěťovými je dán proudovými a napěťovými fluktuacemi spojenými s kvantovým detekčnímfluktuacemi spojenými s kvantovým detekčním procesem ve vyčerpané oblasti FD a skládá se ze dvouprocesem ve vyčerpané oblasti FD a skládá se ze dvou složek:složek: 1) Šumová složka fotoproudu1) Šumová složka fotoproudu 2) Šumová složka temného proudu2) Šumová složka temného proudu

IIšš = = {{ 2e (I 2e (Iff + I + Itt ) Df ) Df }}1/21/2

kde Ikde Iš š je celkový výstřelový šum, Ije celkový výstřelový šum, Iff šum fotoproudu, I šum fotoproudu, It t temný proud, temný proud, Df šířka pásmaDf šířka pásma

NEP ( noise equivalent power)NEP ( noise equivalent power) – zářivý výkon, který vytvoří – zářivý výkon, který vytvoří fotoproud o stejné efektivní hodnotě jako je šumový proud sfotoproud o stejné efektivní hodnotě jako je šumový proud s jednotkovou šířkou pásma Df = 1 Hzjednotkovou šířkou pásma Df = 1 Hz

DetektivitaDetektivita D = 1/ NEPD = 1/ NEP


Domácí příklad :Domácí příklad :

Fotodioda Si PIN pFotodioda Si PIN p++- - - n- n++ s aktivní plochou A = 10s aktivní plochou A = 10-7-7 mm2 2 má tloušťku má tloušťku vrstvy 50 vrstvy 50 mm,, tloušťku tloušťku pp++ vrstvy vrstvy 11 m a koncentraci dotace 6,5 x10m a koncentraci dotace 6,5 x1018 18 mm-3-3..

Vypočtěte maximální kvantovou účinnost Vypočtěte maximální kvantovou účinnost aa

responzivituresponzivituSS pro vlnovou délku pro vlnovou délku = 0,9 = 0,9 m.m.

Povrchovou reflexi a absorpci kontakní vrstvyPovrchovou reflexi a absorpci kontakní vrstvy

zanedbejte. Předpokládejte koeficient absorpce zanedbejte. Předpokládejte koeficient absorpce

= 5x10= 5x104 4 mm-1-1

Komunikační fotodiody - APDKomunikační fotodiody - APD

Lavinová fotodioda ( APD)Lavinová fotodioda ( APD) – fotodetektor s vnitřním – fotodetektor s vnitřním zesílením zesílením

Zesilovací mechanismusZesilovací mechanismus – APD využívá oblast s – APD využívá oblast s vysokou intenzitou elektrického pole pro lavinové vysokou intenzitou elektrického pole pro lavinové násobení foto-generovaných nosičů. Tloušťka násobení foto-generovaných nosičů. Tloušťka vyprázdněné oblasti větší, než je střední volná dráha vyprázdněné oblasti větší, než je střední volná dráha nosičů, energie nosičů větší, než je práh nárazové nosičů, energie nosičů větší, než je práh nárazové ionizaceionizace


Fyzikální mechanismus elektronové lavinové ionizace


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


Ionizační koeficient y Ionizační koeficient y ee resp. resp. hh - - vyjadřují vyjadřují

pravděpodobnost, že nosič na jednotkové dráze generuje pravděpodobnost, že nosič na jednotkové dráze generuje pár elektron-díra pár elektron-díra

Ionizační koeficienty – rostou s intenzitou elektrického Ionizační koeficienty – rostou s intenzitou elektrického pole E a klesají s růstem teplotypole E a klesají s růstem teploty

Pro průraznou intenzitu pole EPro průraznou intenzitu pole EBB jsou řádu 10 jsou řádu 1055 až až

10106 6 mm-1-1

Jelikoš různé materiály mají různý vztah mezi ionizační Jelikoš různé materiály mají různý vztah mezi ionizační koeficienty zavádí se koeficienty zavádí se ionizační konstanta kionizační konstanta k

k = k = hh / / ee


Vlastnosti Vlastnosti - největší zesílení pro U- největší zesílení pro UR R = U= UBR BR ( průrazné ( průrazné

napětí diody) desítky až stovky voltů. Celkový šum napětí diody) desítky až stovky voltů. Celkový šum je zvětšen o šum lavinový, který roste se zesílením M je zvětšen o šum lavinový, který roste se zesílením M << 500. Lavinový efekt vyvolá zlepšení dynamiky 500. Lavinový efekt vyvolá zlepšení dynamiky odezvy na stovky ps. odezvy na stovky ps.

Technologické provedeníTechnologické provedení – tří až čtyřvrstvá dioda Si, – tří až čtyřvrstvá dioda Si, Ge, InGaAs/ InPGe, InGaAs/ InP


Technologické provedeníTechnologické provedení – – tří až čtyřvrstvá diodatří až čtyřvrstvá dioda

vrstva xvrstva x11,, xx22 a x a x44,, xx55 jsou kontaktní vrstvy (n jsou kontaktní vrstvy (n++pp++ ) - ) -

připojení do obvodupřipojení do obvodu

vrstva xvrstva x22,, xx33 je multiplikační vrstva (p) – násobení je multiplikační vrstva (p) – násobení

počtu fotonosičů nárazovou ionizacípočtu fotonosičů nárazovou ionizací

vrstva xvrstva x33,, xx44 je driftová vrstva je driftová vrstva ) - fotogenerace ) - fotogenerace

nosičů a jejich urychlení na ionizační kinetickou nosičů a jejich urychlení na ionizační kinetickou energii energii


Optimalizace strukturyOptimalizace struktury

ve vrstvách xve vrstvách x1 1 až xaž x22 platí x platí x11++ xx22 <<<< 1/ 1/ <<<< xx33

kde xkde x1 1 je kontaktní vrstva nje kontaktní vrstva n++, x, x2 2 je multiplikativní vrstva je multiplikativní vrstva p, xp, x3 3 je driftová vrstva je driftová vrstva , , koeficient absorpce,koeficient absorpce,

tloušťka vyprázdněné oblasti xtloušťka vyprázdněné oblasti x22 až x až x3 3 > > střední střední

volná dráha nosičůvolná dráha nosičů

násobení nosičů v oblasti xnásobení nosičů v oblasti x22, x, x33 musí být stejné v musí být stejné v

celé multiplikační oblasti s minimem defektůcelé multiplikační oblasti s minimem defektůpro zajištění vysokého průrazného napětí se pro zajištění vysokého průrazného napětí se

používá ochranný prstenec, nebo odleptání částipoužívá ochranný prstenec, nebo odleptání části struktury - mesastruktury - mesa


Dynamika APDDynamika APD

Parazitní elektrické parametry Parazitní elektrické parametry

RRd d CCs s = = elel

Driftové časy Driftové časy

1) Přechodový čas elektronů přes driftovou oblast1) Přechodový čas elektronů přes driftovou oblast

pepe= w= w22/ v/ vsese

2) Přechodový čas děr 2) Přechodový čas děr přes driftovou oblastpřes driftovou oblast

pdpd= w= w22/ v/ vsdsd

3) Čas pro lavinování3) Čas pro lavinování

L L = Mkw= MkwA A / v/ vse se

Výsledná doba odezvyVýsledná doba odezvy

el el + + pe pe + + pd pd + + LL


Šum APDŠum APD IIšš = = {{ 2e 2e [ [ IIt1t1 + ( I + ( If f + I+ It2t2)M)M2 2 F(M)F(M)]] f f }}1/21/2

kde kde IIt1t1 je je část část temntemného ého proudproudu, která není násobena, Iu, která není násobena, It2 t2 jeje

multiplikovaná část temného proudu, Imultiplikovaná část temného proudu, If f je fotoproud , je fotoproud , F(M) je šumový faktorF(M) je šumový faktor

Šumový faktorŠumový faktor Často je užívána aproximaceČasto je užívána aproximace F = MF = Mxx

kde x je závislý na materiálu a typu nosičů jeho kde x je závislý na materiálu a typu nosičů jeho hodnota je mezi 0,2 až 1hodnota je mezi 0,2 až 1


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= h/e je poměr ionizačních koeficientů děr a elektronů


Domácí příklad :Domácí příklad :

Fotodioda Si APD nFotodioda Si APD n++- - p- p- - p- p++ má tloušťku má tloušťku vrstvy vrstvy 2020mm,, tloušťku p vrstvy 2 tloušťku p vrstvy 2 m a koncentraci dotace m a koncentraci dotace 101020 20 mm-3-3..

Stanovte velikost závěrného napětí pro zajištěníStanovte velikost závěrného napětí pro zajištění

intenzity elektrického pole 10intenzity elektrického pole 106 6 VmVm-1-1v celé vrstvě v celé vrstvě

fotodetektory pro informatiku x34 sos semináře 2008

Documents