Kvantové fotodetektory a optoelektronické přijímače X34 SOS 2009

Kvantové fotodetektory a Kvantové fotodetektory a optoelektronické přijímače optoelektronické přijímače

X34 SOS 2009X34 SOS 2009

Kvantové fotodetektoryKvantové fotodetektory

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

Detektory optického záření

s přímou přeměnou s nepřímou přeměnou

Detektory zářeníDetektory záření

Fotoelektrický jevvnější(fotokatodafotoemitér)

vnitřní

fotovodivost (kontaktní nebo mikrovlnné koncepce)

hustota nosičů (extrinsické a intrinsické fotoodpory)

pohyblivost

absorpcí

tlakem („fotonový vítr“)fotonapěťový jev

PN přechodSchottky přechod

objemovéjevy

fotoelektromagnetický jev

Fotodetektory - základní rozděleníFotodetektory - základní rozdělení

FotorezistoryFotorezistory

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)

FotonásobičeFotonásobiče

Fotodetektory-pásový modelFotodetektory-pásový model

a) Mezipásová absorpce, b) Absorpce na hladinách příměsí

c) Absorpce na volných nosičích

Polovodičové fotodetektory Polovodičové fotodetektory PrincipPrincip – 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

Polovodičové fotodetektory Polovodičové fotodetektory

Absorpční spektra některých polovodičových materiálů


Vdt

G nn

p

n

2

penepqnq

kTWhi

khc

TaWhc

i

Chlazená clona zvýší citlivost detektoru až 100x- eliminace tepelného záření okolí


Fotodiody – PN,PINFotodiody – PN,PIN

Pokles optického zářivého výkonu pod povrchem polovodiče vlivem mezipásové absorpce

Vliv geometrie struktury fotodiody na spektrální charakteristiku



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 0,85 až 2,2 InGaAs/InP pro pásmo 0,85 až 2,2 m resp. m resp. InGaAsP/InP pro úzkopásmové použití, přijatelný InGaAsP/InP pro úzkopásmové použití, přijatelný temný proud Itemný proud Id d , responzivita od 0,6 A/W do 1,2 A/W, responzivita od 0,6 A/W do 1,2 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

Fotodiody – PN,PINFotodiody – PN,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

PN – FD s homopřechodemPN – FD s homopřechodem 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

Komunikační fotodiody - PINKomunikační fotodiody - PIN

Fotodetektor PIN s homopřechodem


Fotodetektor PIN s heteropřechodem


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

Fotodiody – PN,PINFotodiody – PN,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 odpor a je odpor a

kapacita zátěžekapacita 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

Difuzní časy nosičůDifuzní časy nosičů mimo vyčerpanou oblast mimo vyčerpanou oblast DD = (W = (WII))22 / 2D / 2D

kde D – je difuzní konstantakde D – je difuzní konstanta

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


Elektrický náhradní obvod pro malé změny signálu FD

Časové konstanty fotodiody Si v závislosti na vlnové délce



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

Fotodiody – PN,PINFotodiody – PN,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 fotoproudu – 1) Šumová složka fotoproudu – kvantový šumkvantový šum 2) Šumová složka temného proudu2) Šumová složka temného proudu

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

kde Ikde Iš š je celkový výstřelový šum, Ije celkový výstřelový šum, Iff fotoproud, I fotoproud, It t temný proud, temný proud, f šířka pásmaf 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 jednotkovou šířkou pásma f = 1 Hzf = 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

Lavinové fotodiody - APDLavinové 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 r, c) Prostorové rozložení intenzity el. pole E


Ionizační koeficienty Ionizační koeficienty ee resp. resp. hh - - vyjadřují vyjadřují

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

Ionizační koeficienty – rostou s intenzitou Ionizační koeficienty – rostou s intenzitou elektrického pole E a klesají s růstem teplotyelektrického pole 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 Jelikoš různé materiály mají různý vztah mezi ionizační koeficienty zavádí se ionizační 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 je zvětšen o šum lavinovýšum lavinový, který roste se zesílením M , 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


Závislost responzivity S fotodiody APD na napětí U


Technologické provední lavinové fotodiody - Si


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 APDParazitní 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, I f f je fotoproud , je fotoproud , F(M) je šumový faktor, M je multiplikační konstantaF(M) je šumový faktor, M je multiplikační konstanta

Šumový faktorŠumový faktor – šumové číslo – šumové číslo 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 20 vrstvy 20mm,, tloušťku p vrstvy 2 tloušťku p vrstvy 2 m a m a koncentraci dotace koncentraci dotace vrstvy 10 vrstvy 1020 20 mm-3-3..

Stanovte velikost závěrného napětí pro Stanovte velikost závěrného napětí pro

zajištění intenzity elektrického pole zajištění intenzity elektrického pole

10106 6 VmVm-1-1v celé vrstvě v celé vrstvě

Komunikační APD fotodiody Komunikační APD fotodiody

FD lavinové InGaAs , Si a Ge a pro pásma

0,8 až 1,6 m [[ 5 5 ]]

Schotky fotodetektory MSM

Fotodetektory z Ga As, které využívají Schotkyho PN přechod, ale fotovodivostní princip detekce záření. V plošném provedení mají meandrovou strukturu.

Vlastnosti:

Horší vnější kvantová účinnost, velmi dobré dynamické vlastnosti, vycházející z krátkých driftových časů, daných velmi malými vzdálenostmi v meandru.

Použití: Používají se v OEIO, pro rychlosti komunikace

stovky Mb/s až jednotky Gb/s.

Schotky fotodetektory MSM

Meandrová struktura fotodetektoru MSM

Kvantové fotodetektory-porovnání

Srovnávací tabulka kvantových fotodetektorů

FotonásobičeFotonásobiče

fotokatodyfotokatody

Klasická fotokatoda Fotokatoda NEANegativní elektronová afinita

Dynodový násobící systém – zesilovač se šumovým číslem F1

Kruhové uspořádání dynod

Fotonásobiče

Multiplikační faktor

M=n

kde koefecient sekundární emise, n je počet dynod

Šumové číslo

F= /

Závislost koeficientu sekundární emise na energii primárních elektronů

Termoemisní proudy fotokatod v závislosti na teplotě: 1-AgOCs (S1), 2- SbCsO (S11), 3 – SbNaKCs (S20), 4- SbKCs, 5-SbNaK

OE přijímače pro optické sdělováníOE přijímače pro optické sdělování

Obecné požadavky na OE přijímačObecné požadavky na OE přijímač Vysoká citlivost vyjádřená poměrem V/W do Vysoká citlivost vyjádřená poměrem V/W do

definované zátěžedefinované zátěže Vysokou citlivost OE přijímače do definované zátěžeVysokou citlivost OE přijímače do definované zátěže Vhodnou vlnovou délku vzhledem k přijímanému Vhodnou vlnovou délku vzhledem k přijímanému

zářenízáření Dobrou dynamiku vzhledem k typu požadované Dobrou dynamiku vzhledem k typu požadované

modulacemodulace Linearitu vzhledem k rozsahu intenzity optického Linearitu vzhledem k rozsahu intenzity optického

záření na vstupu OE přijímačezáření na vstupu OE přijímače

OE přijímače základní zapojeníOE přijímače základní zapojení

a) Nízkoimpedanční typ, b) Transimpedanční typ, c)Vysokoimpedanční typ s ekvalizérem

OE přijímače základní zapojeníOE přijímače základní zapojení Typy OE přijímačů:Typy OE přijímačů:

Nízkoimpedanční OE přijímačNízkoimpedanční OE přijímač – – FD v odporovém režimu platí FD v odporovém režimu platí Rz << Zvst Rz << Zvst kde Rz je zatěžovací odpor FD a Zvst vstupní kapacitní impedance kde Rz je zatěžovací odpor FD a Zvst vstupní kapacitní impedance

zesilovače zesilovače – – Vlastnosti - velká šířka pásma, malý přenos a velký šum Vlastnosti - velká šířka pásma, malý přenos a velký šum – – Používá se pro šířky pásma jednotek až desítek GHzPoužívá se pro šířky pásma jednotek až desítek GHz

Transimpedanční OE přijímačTransimpedanční OE přijímač – – FD v odporovém režimu platí FD v odporovém režimu platí Rzv > Rzv > Rz > ZvstRz > Zvst – – Vlastnosti - kompromisní přenos při střední šířce pásma a střední míře Vlastnosti - kompromisní přenos při střední šířce pásma a střední míře

šumu šumu – – Použít pro šířky pásma do 1 GHzPoužít pro šířky pásma do 1 GHz

Vysokoimpedanční OE přijímačVysokoimpedanční OE přijímač – – FD v odporovém režimu, nakloněné modulační charakteristice, kterouFD v odporovém režimu, nakloněné modulační charakteristice, kterou vyrovnáváme ekvalizačním členem platívyrovnáváme ekvalizačním členem platí Rz = Zvst Rz = Zvst – – Vlastnosti - velmi malý šum, vysoký přenos, malá šířka pásma a maláVlastnosti - velmi malý šum, vysoký přenos, malá šířka pásma a malá dynamika dynamika – – Použití pro šířky pásma do 150 MHzPoužití pro šířky pásma do 150 MHz



OE přijímače šumové zapojeníOE přijímače šumové zapojení

Redukovaný šumový náhradní ekvivalentní obvod

OE přijímače šumové zapojeníOE přijímače šumové zapojení

V ideálním případě je dominantní výstřelový šum FD Lze hledat optimální hodnotu M, protože pokud

roste M roste i F

OE přijímače citlivostOE přijímače citlivost

Citivost OEP Citivost OEP – minimální hodnota – minimální hodnota optického výkonu, při které přijímač optického výkonu, při které přijímač dosáhne požadovaného odstupu signál/ dosáhne požadovaného odstupu signál/ šum SNR nebo požadované chybovosti šum SNR nebo požadované chybovosti BER.BER.

OEP s PIN fotodiodouOEP s PIN fotodiodou

OEP s APDOEP s APD

OE přijímače citlivostOE přijímače citlivost Citivost OEP Citivost OEP s PIN FD s PIN FD

Celkový šumový proudCelkový šumový proud


Citlivost OEPCitlivost OEP s APD s APD

Šumový faktor

Temný proud


Optimální multiplikativnní faktorOptimální multiplikativnní faktor

OE přijímače šumOE přijímače šum

OEP s MES FE tranzistorem


Šum zesilovače Šum zesilovače je odvozen především od je odvozen především od šumu vstupního tranzistorušumu vstupního tranzistoru

MES FE tranzistor MES FE tranzistor – tepelný šum kanálu a – tepelný šum kanálu a odporu Rodporu RL L , svodový proud Schottky diody, , svodový proud Schottky diody,

1/f šum1/f šum


Optimální volba Optimální volba parametrů FE tranzistoruparametrů FE tranzistoru

Celková kapacita na vstupu OEPCelková kapacita na vstupu OEP

Pro maximální citlivost platí:


Optimální volba parametrů FET – nutno Optimální volba parametrů FET – nutno zabezpečit, aby poměr zabezpečit, aby poměr

představující člen s B3 v rovnici pro šum zesilovače byl co největší. Toho lze dosáhnout vhodnou optimální volbou délky a šířky kanálu FET


Velikosti Personickových koeficientů v rovnici pro šum

Velikosti koeficientu Si JFET – 0,7 ; GaAs MES FET – 1,1 ; Si MOS FET – 1,5


Maximální citlivostMaximální citlivost – podmínky – podmínky

Tranzistor s co největším fTranzistor s co největším fmm

Co nejvíce zmenšit kapacitu fotodetektoru Co nejvíce zmenšit kapacitu fotodetektoru

a rozptylové kapacity zpětné vazbya rozptylové kapacity zpětné vazby

Navrhnout vstupní FET tak, aby platilo Navrhnout vstupní FET tak, aby platilo


Zapojení OEP s bipolárním tranzistorem


BJ tranzistor BJ tranzistor – výstřelový šum kolektorového – výstřelový šum kolektorového proudu a proudu báze diody, termický šum proudu a proudu báze diody, termický šum odporu Rodporu RL L a odporu báze a odporu báze


Celková kapacita Celková kapacita na vstupu zesilovačena vstupu zesilovače

kde kapacita báze je složena s kapacity prostorového náboje a kapacity difuzní


Optimální kolektorový proud IOptimální kolektorový proud Icc

kde funkce vyjadřuje závislost na přenosové rychlosti B a mezní frekvenci fT


Pro nízké přenosové rychlosti B Pro nízké přenosové rychlosti B < < 1 Gb/s1 Gb/s

roste difuzní kapacita s přenosovou rychlostí B dle vztahu, kde C0 je celková kapacita pro Ic = 0


Pro vysoké přenosové rychlosti B Pro vysoké přenosové rychlosti B > > 1 Gb/s1 Gb/s

celková kapacita dosahuje svého maxima

CT = 2C0

Při nízkých přenosových rychlostech termický šum a při vysokých přenosových rychlostech se projevuje především výstřelový šum daný kolektorovým proudem tím je dána citlivost OEP



Kaskodový SS-SB-SE transimpedanční OE přijímač pro modulační pásma do 150 MHz lit. [ 8 ]


Hybridní transimpedanční OE přijímač s šířkou pásma 700 MHz lit. [ 6 ]


Monolitický obvod PIN FET pro gigahertzové pásmo lit. [ 8 ]

Documents

Kvantové fotodetektory a optoelektronické přijímače X34 SOS 2009