Fotodetektorning ta'rifi. Fotodetektorlarning turlari. Fotodetektorlarga qo‘yiladigan talablar Fotodetektor (fo todetektor) optik energiyani elektr energiyasiga aylantiruvchi qurilma.
Fotodetektorlarda ikkita fotoelektr effektidan foydalaniladi: fotovoltaik va fotoo‘tkazuvchanlik.
Fotovoltaik effektga asoslangan qurilmalar: fotodiodlar, fototransistorlar, quyosh batareyalari.
Fotorezistorlarda fotoo‘tkazuvchanlik effekti qo‘llaniladi.
Optik aloqa tizimlarining fotodetektorlariga quyidagi talablar qo‘yiladi:
• yuqori sezuvchanlik;
• talab qilinadigan spektral xarakteristikalar va tarmoqli kengligi;
• past shovqin darajasi;
• talab qilinadigan ishlash;
• uzoq xizmat muddati;
• integral mikrosxemalarda optik kuchaytirgichlar bilan birgalikda foydalanish.
Katta darajada, bu talablar fotodiodlar tomonidan qondiriladi.
Fotodiod - bu radiatsiya ta'sirida elektr xossalari o‘zgarib turadigan qurilma.
Optik aloqa texnologiyasida p-i-n fotodiodlari va ko‘chki fotodiodlari (APD) eng keng tarqalgan. Yuqori tezlikdagi tizimlar uchun istiqbolli qurilmalar 10 Gbit/s dan 160 Gbit/s gacha va undan yuqori tezlikda qo‘llaniladigan TAP (Traveling-Wave Photodetektorlari) harakatlanuvchi to‘lqinli fotodiodlardir. Bu qurilmalarda yarimo‘tkazgichli optik kuchaytirgichda fotodeteksiya optik kuchaytirish bilan birlashtiriladi [109, 123].
Fotodiodlar p-i-n dizayni. Ishlash printsipi, asosiy xarakteristikalari P-i-n fotodiodlari oddiy dizayni, yuqori ishonchliligi va arzonligi bilan ajralib turadi.
P-i-n fotodiod dizayniga misol 1-rasmda ko‘rsatilgan.
P-i-n fotodiodida o‘tkazuvchanlik p+ (asos) va n+ (kollektor) bo‘lgan hududlar o‘rtasida yarim o‘tkazgichning ichki o‘tkazuvchanligi (i - ichki) qatlami i (fotonni yutish qatlami) mavjud. Fotonlar detektorga sindirish ko‘rsatkichi bo‘lgan yupqa antirefleksion qoplamali (qalinligi taxminan /4) bo‘lgan deraza orqali kiritiladi. , turli muhitlarga mos keladigan - shisha tolali (nОВ » 1,46) и yarimo‘tkazgich
(nПП » 3,5). Baza va kollektorda zaryad tashuvchilarning kontsentratsiyasi ortadi. Absorbsion qatlamda ba'zi nopoklik fonini yaratish mumkin.
1-rasm. p-i-n fotodiod dizayni
Fotodiodning ishlashi teskari yo‘nalishli p - n birikmasiga asoslangan. Nolinchi ofsetda (ЕСМ = 0) birlashma orqali o‘tadigan drift oqimi ko‘pchilik tashuvchilarning tarqalishi tufayli qarama-qarshi oqimlar bilan muvozanatlanadi. Da ЕСМ ¹ 0 diffuziya to‘xtaydi. Fototok i-qatlami ma'lum to‘lqin uzunlikdagi nurlanish bilan yoritilganda paydo bo‘ladi. Bunday holda, elektron-teshik juftlari hosil bo‘ladi. Ularga manba tomonidan yaratilgan maydon ta'sir qiladi ЕСМ va i - qatlamda jamlangan. Bu maydon elektronlar va teshiklarning siljishiga olib keladi. Drift fototoki yaratiladi
(1)
bu yerda e - elektron zaryadi (1,6 ´ 10 -19 Кл), N - valentlik zonasidan o‘tkazuvchanlik zonasiga o‘tgan elektronlar soni. Biroq, barcha fotonlar elektron-teshik juftlarining shakllanishiga olib kelmaydi. Shu sababli kvant samaradorligi tushunchasi kiritiladi:
(2)
- fotodetektordagi elektronlar va fotonlar sonining nisbati.
Fototokning qiymati aniqlanadi
(3)
Fotonlar soni nurlanish kuchiga bog‘liqligini hisobga olsak
(4)
fototokning kattaligini ifodalash mumkin
(5)
Bu yerda h - Plank doimiysi, c - yorug‘lik tezligi, ,I- nurlanish to‘lqin uzunligi.
Fotodiodning sezgirligi taxmin qilinadi
(6)
Fotodiodlar to‘lqin uzunligidan tashqari spektral sezgirlik bilan tavsiflanadi
(7)
2-rasmda silikon Si va germaniy Ge asosidagi fotodiodlarning spektral sezgirligining xarakteristikalari ko‘rsatilgan.
Spektral xarakteristikaning blokirovkalari uzoq to‘lqin uzunligi sezuvchanlik chegarasi va yuqori chastotalarda bloklangan p - n o‘tish sig‘imining manyovr effekti bilan bog‘liq, bunda fotonlar yuqori chastotalar tufayli material atomi bilan o‘zaro ta'sir qilish uchun vaqt topa olmaydi. energiya.
Fotodetektorning aniqlangan chastotalar diapazoni maksimal sezgirlikning 0,707 darajasida baholanadi.
Fotodiodning ekvivalent elektr davri elektr signallari uchun fotodetektorning chastotali xususiyatlarini baholash imkonini beradi (3-rasm).
2-rasm. Fotodiodlarning spektral sezgirligi
3-rasm. Fotodiodning ekvivalent elektr davri
Fotodiodning joriy kuchlanish xarakteristikasida siz chegara qiymatini ko‘rishingiz mumkin ЕСМ (т.е. Епроб) va yorug‘lik bo‘lmaganda qurilma orqali oqadigan qorong‘u oqimning kattaligi (4-rasm).
Qorong‘u oqim ko‘pincha sirt qochqin oqimi tufayli yuzaga keladi. Bu haroratga juda bog‘liq. Fotodiodning tezligi fotodiodga optik quvvat impulsi ta'sirida fototokning ko‘tarilish vaqtiga bog‘liq (5-rasm).
4-rasm. Fotodiodning volt-amper xarakteristikasi
5-rasm. Ishlash xususiyati
b qiymati tashuvchining i-mintaqasi bo‘ylab o‘tish vaqti bilan aniqlanadi. Shuning uchun tezlikni oshirish uchun elektr toki uchun i-qatlamning qalinligini kamaytirish va yorug‘lik oqimi uchun qalinligini saqlab qolish maqsadga muvofiqdir. Bu fotodiodni loyihalashda "mesa" - tog 'shaklida amalga oshiriladi [13].
Fotodiodni yoqish uchun elektr sxemasi 6-rasmda ko‘rsatilgan.
6-rasm. P-i-n fotodiodini almashtirish sxemasi
Kommutatsiya pallasida ajratuvchi sig‘im Cp past shovqinli kuchaytirgichning kirish qismidan Ecm yuqori kuchlanish kuchlanishini (30 V gacha) yo‘q qilishga imkon beradi.
Kuchaytirgichli fotodiodli kontaktlarning zanglashiga olib kirish optik quvvatlarining dinamik diapazoni 60 dB ga yetishi mumkin.
