מהו Photodetector?

photodetector (PD) ממיר שהתקבלאוֹפּטִיאותות לאותות חשמליים, ובכך להשלים את המרת האות האופטי-ל-חשמלי. הדרישות הבסיסיות ל-PD הן:

1) יש לו תגובתיות גבוהה מספיק באורך הגל ההפעלה של המערכת, כלומר הוא יכול להפיק את זרם הצילום הגדול ביותר האפשרי עבור הספק של אור נופל נתון.

2) יש לו מהירות תגובה מהירה מספיק, מתאים למערכות מהירות- גבוהות או פס רחב.

3) יש לו את הרעש הנמוך ביותר האפשרי כדי למזער את השפעת המכשיר על האות.

4) הם כוללים גודל קטן וחיי פעולה ארוכים.

נכון לעכשיו, ישנם שני גלאי פוטו מוליכים למחצה נפוצים: פוטודיודות PIN (PIN-PDs) ופוטודיודות מפולת (APDs). חלק זה מציג בעיקר את העקרונות, מחווני הביצועים ושני סוגים נפוצים של גלאי פוטו.

עיקרון של גלאי פוטו

◇פוטודיודת PIN

גלאי פוטו מנצלים את האפקט הפוטואלקטרי של חומרים מוליכים למחצה כדי להשיג המרה פוטו-אלקטרית. האפקט הפוטואלקטרי של חומרים מוליכים למחצה מוצג באיור למטה.

כאשר האנרגיה hv של הפוטון הנוצר קטן מפער הרצועה E, האפקט הפוטואלקטרי לא יתרחש ללא קשר לעוצמת האור הנוצר. כלומר, התנאי הבא חייב להתקיים כדי שהאפקט הפוטואלקטרי יתרחש:

במילים אחרות, אור בולט עם תדר v < E/h אינו יכול לייצר את האפקט הפוטואלקטרי. המרת v לאורך גל, λc=hc/E. כלומר, רק אור חודר עם אורך גל λ < λc יכול ליצור נשאים שנוצרים בחומר זה. לכן, λc הוא אורך הגל המקסימלי של אור בולט הדרוש להפקת האפקט הפוטואלקטרי, הידוע גם כאורך הגל החיתוך, וה-v המקביל נקרא תדר החיתוך. כל פוטון שנקלט בחומר מוליכים למחצה יפיק זוג- חורים אלקטרונים. אם מופעל שדה חשמלי על החומר המוליך למחצה, זוג האלקטרונים -יעבור דרך החומר המוליכים למחצה ויוצר זרם צילום.

מלבד אורך גל חיתוך, יעילות ההמרה של הפוטודיודה יורדת כאשר אורך הגל של האור הנכנס קצר מדי. בפוטודיודה, פוטונים תקפים נספגים, ויוצרים זוגות חורים של- אלקטרונים. כאשר המרחק x=0, ההספק האופטי הוא P(0). לאחר מרחק x, ההספק האופטי הנקלט הוא:

בנוסחה, (λ) הוא מקדם הספיגה של החומר, שהוא פונקציה של אורך הגל.

כאשר אורך הגל של האור הנכנס קצר מאוד, מקדם הספיגה של החומר גדול מאוד. כתוצאה מכך, מספר רב של פוטונים נספגים על פני הפוטודיודה, ויוצרים אזור אפס -חשמלי-. זוגות חורים-אלקטרונים שנוצרו כאן חייבים תחילה להתפזר לשכבת הדלדול לפני איסוף על ידי המעגל החיצוני. עם זאת, באזור זה, לנשאי מיעוטים יש תוחלת חיים קצרה מאוד והם מתפזרים באיטיות רבה, ולעתים קרובות מתחברים מחדש לפני איסוף. זה מפחית את היעילות של הפוטו-גלאי. לכן, לפוטודיודות העשויות מחומרים מסוימים יש טווח תגובה ספציפי של אורך גל. לדוגמה, טווח התגובה של אורך הגל של פוטודיודות Si הוא 0.5-10 מיקרומטר, ושל פוטודיודות InGaAs הוא 1.1-1.6 מיקרומטר.

מאפיינים של גלאי פוטו

יעילות קוונטית

אור בולט (הספק P) מכיל מספר רב של פוטונים. היחס בין מספר הפוטונים שניתן להמיר לזרם פוטו למספר הכולל של הפוטונים המתרחשים נקרא היעילות הקוונטית, אשר מחושבת על ידי הנוסחה הבאה:

בנוסחה, הוא מטען האלקטרון,=1.6 × 10⁻¹ מעלות; I הוא זרם הצילום שנוצר; h הוא הקבוע של פלאנק; ו-v הוא התדר של הפוטון. היעילות הקוונטית נעה בין 50% ל-90%.

אם ההחזרה של פני השטח המתרחשים היא r, וזוגות האלקטרונים-המיוצרים בשכבת פני השטח האפס-חשמליים-לא ניתן להמיר ביעילות לפוטו-זרם, והספק האור הנכנס הוא P(0), אז הפוטו-זרם הוא:

בנוסחה, הוא מקדם הקליטה של ​​אזור-שדה האפס ושכבת הדלדול, הוא העובי של אזור-שדה האפס, והוא רוחב שכבת הדלדול. היעילות היא אז:

הֵעָנוּת

היחס בין זרם הצילום להספק האור הנובע בפוטו-גלאי נקרא תגובה (נמדדת ב-A/W).

מאפיין זה מצביע על יעילות הפוטו-גלאי בהמרת אותות אופטיים לאותות חשמליים. ערכים אופייניים ל-R נעים בין 0.5 ל-1.0 A/W. לדוגמה, ערך R עבור photodetector Si הוא 0.65 A/W באורך גל של 900 ננומטר; ערך R עבור גלאי צילום Ge הוא 0.45 A/W (ב-1300 ננומטר); וההיענות של InGaAs היא 0.9 A/W ב-1300 ננומטר ו-1.0 A/W ב-1550 ננומטר.

עבור אורך גל נתון, התגובה היא קבועה, אך היא אינה קבועה כאשר בוחנים טווח אורך גל גדול. ככל שאורך הגל של האור הנכנס גדל, האנרגיה של הפוטונים הנופלים יורדת, וכאשר היא קטנה מפער הרצועה, התגובה יורדת במהירות באורך הגל המנתק.

ספקטרום תגובה

על מנת ליצור נשאים שנוצרים בפוטו, האנרגיה של הפוטון המתרחש חייבת להיות גדולה מרווח הפס של חומר הפוטו-גלאי. מצב זה יכול להתבטא באופן הבא:

בנוסחה, λ הוא אורך הגל החיתוך.

במילים אחרות, עבור חומר זיהוי מוליכים למחצה נתון, ניתן לזהות רק אור עם אורכי גל קצרים מאורך הגל הניתוק, והיעילות הקוונטית של הגלאי משתנה עם אורך הגל; מאפיין זה נקרא ספקטרום התגובה. לכן, גלאי פוטו אינם אוניברסליים, וספקטרום התגובה של חומרים שונים שונה. חומרים מוליכים למחצה פוטו-אלקטריים הנפוצים כוללים Si, Ge, InGaAs, InGaAsP ו- GaAsP, וספקטרום התגובה שלהם מוצג באיור x.

זמן תגובה

הקצב שבו זרם הפוטו שנוצר על ידי פוטודיודה עוקב אחר אות האור הנכנס, מתבטא בדרך כלל כזמן תגובה. זמן תגובה הוא פרמטר המשקף את יכולתו של גלאי הצילום להגיב לאותות אור חולפים או-במהירות גבוהה. הוא מושפע בעיקר משלושת הגורמים הבאים:
1) זמן המעבר של נושאי צילום באזור הדלדול.

2) זמן הדיפוזיה של נושאי צילום שנוצרו מחוץ לאזור הדלדול.

3) קבוע הזמן RC של הפוטודיודה והמעגלים הקשורים לה.

ניתן לבטא את זמן התגובה כזמן העלייה וזמן הנפילה של דופק המוצא של פוטו. כאשר קיבול הצומת של הפוטודיודה קטן יחסית, זמן העלייה וזמן הנפילה קצרים ועקביים יחסית; כאשר קיבול הצומת של הפוטודיודה גדול יחסית, זמן התגובה מוגבל על ידי קבוע הזמן RC הנוצר על ידי התנגדות העומס וקיבול הצומת, וכתוצאה מכך זמני עלייה ונפילה ארוכים יותר.

באופן כללי, המפרט הטכני של גלאי הפוטו מספק את זמן העלייה. עבור פוטודיודות PIN, זמן העלייה t₀הוא בדרך כלל<1 ns; for APDs, this value is less than 0.5 ns.

זרם אפל

זרם כהה מתייחס לזרם בפוטו-גלאי כאשר אין אור בולט. למרות שאין אור בולט, בטמפרטורה מסוימת, אנרגיית חום חיצונית יכולה ליצור כמה מטענים חופשיים באזור הדלדול. מטענים אלה זורמים בהשפעת מתח הטיה הפוכה, ויוצרים זרם כהה. ברור שככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, יותר אלקטרונים מתרגשים על ידי הטמפרטורה, והזרם הכהה גדול יותר. עבור פוטודיודה PIN, תן לזרם הכהה בטמפרטורה T להיות I(T). כאשר הטמפרטורה עולה ל-T, אז:

בנוסחה, C הוא קבוע אמפירי, ו-C=8 לפוטודיודת Si.

הזרם הכהה קובע בסופו של דבר את ההספק האופטי המינימלי שניתן לזהות, שהוא הרגישות של הפוטודיודה.

בהתאם לחומר המוליך למחצה המשמש, הזרם הכהה משתנה בין 0.1 ל-500 nA.