O que é um fotodetector?

Um fotodetector (PD) converte sinais recebidosópticosinais em sinais elétricos, completando assim a conversão de sinal-para{1}}elétrico. Os requisitos básicos para um PD são:

1) Possui responsividade suficientemente alta no comprimento de onda operacional do sistema, o que significa que pode produzir a maior fotocorrente possível para uma determinada potência de luz incidente.

2) Possui uma velocidade de resposta suficientemente rápida, adequada para sistemas de alta-velocidade ou banda larga.

3) Possui o menor ruído possível para minimizar a influência do dispositivo no sinal.

4) Eles apresentam tamanho pequeno e longa vida útil.

Atualmente, existem dois fotodetectores semicondutores comumente usados: fotodiodos PIN (PIN-PDs) e fotodiodos de avalanche (APDs). Esta seção apresenta principalmente os princípios, indicadores de desempenho e dois tipos de fotodetectores comumente usados.

◇Fotodiodo PIN

Os fotodetectores utilizam o efeito fotoelétrico de materiais semicondutores para obter conversão fotoelétrica. O efeito fotoelétrico dos materiais semicondutores é mostrado na figura abaixo.

Photodetector

Quando a energia hv do fóton incidente é menor que o band gap E, o efeito fotoelétrico não ocorrerá independentemente da intensidade da luz incidente. Ou seja, a seguinte condição deve ser atendida para que o efeito fotoelétrico ocorra:

Em outras palavras, a luz incidente com frequência v < E/h não pode produzir o efeito fotoelétrico. Convertendo v em comprimento de onda, λc=hc/E. Ou seja, apenas a luz incidente com comprimento de onda λ < λc pode gerar portadores fotogerados neste material. Portanto, λc é o comprimento de onda máximo da luz incidente necessário para produzir o efeito fotoelétrico, também conhecido como comprimento de onda de corte, e o v correspondente é chamado de frequência de corte. Cada fóton absorvido por um material semicondutor gerará um par de elétrons-buracos. Se um campo elétrico for aplicado ao material semicondutor, o par de elétrons-buracos viajará através do material semicondutor, formando uma fotocorrente.

Além de ter um comprimento de onda de corte, a eficiência de conversão do fotodiodo diminui quando o comprimento de onda da luz incidente é muito curto. Em um fotodiodo, os fótons incidentes são absorvidos, gerando pares de elétrons-buracos. Quando a distância x=0, a potência óptica é P(0). Após uma distância x, a potência óptica absorvida é:

Na fórmula, (λ) é o coeficiente de absorção do material, que é função do comprimento de onda.

Quando o comprimento de onda da luz incidente é muito curto, o coeficiente de absorção do material é muito grande. Como resultado, um grande número de fótons é absorvido na superfície do fotodiodo, criando uma região de campo-elétrico-zero. Os pares de elétrons -buracos gerados aqui devem primeiro se difundir para a camada de depleção antes de serem coletados pelo circuito externo. Contudo, nesta região, os portadores minoritários têm vidas muito curtas e difundem-se muito lentamente, recombinando-se frequentemente antes de serem recolhidos. Isso reduz a eficiência do fotodetector. Portanto, fotodiodos feitos de certos materiais possuem uma faixa de resposta de comprimento de onda específica. Por exemplo, a faixa de resposta do comprimento de onda dos fotodiodos de Si é de 0,5–10 μm, e a dos fotodiodos InGaAs é de 1,1–1,6 μm.

Photodetector

A luz incidente (potência P) contém um grande número de fótons. A razão entre o número de fótons que podem ser convertidos em fotocorrente e o número total de fótons incidentes é chamada de eficiência quântica, que é calculada pela seguinte fórmula:

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Na fórmula, é a carga do elétron,=1.6 × 10⁻¹ grau; I é a fotocorrente gerada; h é a constante de Planck; e v é a frequência do fóton. A eficiência quântica varia de 50% a 90%.

Se a refletividade da superfície incidente for r, e os pares de{0}buracos de elétrons gerados na camada superficial do campo-elétrico-zero não puderem ser efetivamente convertidos em fotocorrente, e a potência da luz incidente for P(0), então a fotocorrente será:

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Na fórmula, é o coeficiente de absorção da região do campo-zero e da camada de esgotamento, é a espessura da região do campo-zero e é a largura da camada de esgotamento. A eficiência é então:

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A relação entre a fotocorrente e a potência da luz incidente em um fotodetector é chamada de responsividade (medida em A/W).

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Esta característica indica a eficiência do fotodetector na conversão de sinais ópticos em sinais elétricos. Os valores típicos para R variam de 0,5 a 1,0 A/W. Por exemplo, o valor R para um fotodetector de Si é 0,65 A/W em um comprimento de onda de 900 nm; o valor R para um fotodetector Ge é 0,45 A/W (a 1300 nm); e a responsividade do InGaAs é 0,9 A/W a 1300 nm e 1,0 A/W a 1550 nm.

Para um determinado comprimento de onda, a responsividade é constante, mas não é constante quando se considera uma grande faixa de comprimento de onda. À medida que o comprimento de onda da luz incidente aumenta, a energia dos fótons incidentes diminui e, quando é menor que o bandgap, a responsividade cai rapidamente no comprimento de onda de corte.

Para gerar portadores fotogerados, a energia do fóton incidente deve ser maior que o bandgap do material fotodetector. Esta condição pode ser expressa da seguinte forma:

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Na fórmula, λ é o comprimento de onda de corte.

Em outras palavras, para um determinado material de detecção semicondutor, apenas a luz com comprimentos de onda menores que o comprimento de onda de corte pode ser detectada, e a eficiência quântica do detector varia com o comprimento de onda; esta característica é chamada de espectro de resposta. Portanto, os fotodetectores não são universais e os espectros de resposta de diferentes materiais diferem. Os materiais semicondutores fotoelétricos comumente usados incluem Si, Ge, InGaAs, InGaAsP e GaAsP, e seus espectros de resposta são mostrados na Figura x.

Photodetector

A taxa na qual a fotocorrente gerada por um fotodiodo segue o sinal de luz incidente é normalmente expressa como tempo de resposta. O tempo de resposta é um parâmetro que reflete a capacidade do fotodetector de responder a sinais de luz modulados transitórios ou de alta{1}}velocidade. É afetado principalmente pelos três fatores a seguir:
1) O tempo de trânsito dos fotoportadores na região de esgotamento.

2) O tempo de difusão dos fototransportadores gerados fora da região de depleção.

3) A constante de tempo RC do fotodiodo e seus circuitos associados.

O tempo de resposta pode ser expresso como o tempo de subida e descida do pulso de saída de um fotodetector. Quando a capacitância de junção do fotodiodo é relativamente pequena, o tempo de subida e descida são curtos e relativamente consistentes; quando a capacitância de junção do fotodiodo é relativamente grande, o tempo de resposta é limitado pela constante de tempo RC formada pela resistência de carga e pela capacitância de junção, resultando em tempos de subida e descida mais longos.

Geralmente, as especificações técnicas dos fotodetectores fornecem o tempo de subida. Para fotodiodos PIN, o tempo de subida t₀é normalmente<1 ns; for APDs, this value is less than 0.5 ns.

Photodetector

Corrente escura refere-se à corrente em um fotodetector quando não há luz incidente. Embora não haja luz incidente, a uma determinada temperatura, a energia térmica externa pode gerar algumas cargas livres na região de depleção. Essas cargas fluem sob a influência de uma tensão de polarização reversa, formando uma corrente escura. Obviamente, quanto maior a temperatura, mais elétrons são excitados pela temperatura e maior é a corrente escura. Para um fotodiodo PIN, deixe a corrente escura na temperatura T ser I(T). Quando a temperatura sobe para T, então: