Bir fotodetektör (PD) alınanları dönüştürüroptiksinyalleri elektrik sinyallerine dönüştürür, böylece optik-elektrik sinyaline-dönüşüm tamamlanır. Bir PD için temel gereksinimler şunlardır:
1) Sistemin çalışma dalga boyunda yeterince yüksek duyarlılığa sahiptir; bu, belirli bir ışık gücü için mümkün olan en büyük foto akımını üretebileceği anlamına gelir.
2) Yüksek-hızlı veya geniş bantlı sistemlere uygun, yeterince hızlı bir yanıt hızına sahiptir.
3) Cihazın sinyal üzerindeki etkisini en aza indirmek için mümkün olan en düşük gürültüye sahiptir.
4) Küçük boyutlara ve uzun çalışma ömrüne sahiptirler.
Şu anda yaygın olarak kullanılan iki yarı iletken fotodetektör vardır: PIN fotodiyotları (PIN-PD'ler) ve çığ fotodiyotları (APD'ler). Bu bölümde temel olarak prensipler, performans göstergeleri ve yaygın olarak kullanılan iki fotodedektör türü tanıtılmaktadır.
Fotodedektörlerin prensibi
Fotodedektörler, fotoelektrik dönüşümü sağlamak için yarı iletken malzemelerin fotoelektrik etkisini kullanır. Yarı iletken malzemelerin fotoelektrik etkisi aşağıdaki şekilde gösterilmektedir.
Gelen fotonun enerjisi hv bant aralığından E daha az olduğunda, gelen ışığın şiddeti ne olursa olsun fotoelektrik etki meydana gelmeyecektir. Yani fotoelektrik etkinin oluşabilmesi için aşağıdaki koşulun karşılanması gerekir:
Başka bir deyişle, v < E/h frekansına sahip gelen ışık fotoelektrik etkiyi üretemez. V'yi dalga boyuna dönüştürürsek, λc=hc/E. Yani, yalnızca λ < λc dalga boyuna sahip gelen ışık, bu malzemede fotojenlenmiş taşıyıcılar üretebilir. Bu nedenle λc, kesme dalga boyu olarak da bilinen, fotoelektrik etkiyi üretmek için gereken ışığın maksimum dalga boyudur ve karşılık gelen v, kesme frekansı olarak adlandırılır. Yarı iletken bir malzeme tarafından emilen her foton, bir elektron-delik çifti üretecektir. Yarı iletken malzemeye bir elektrik alanı uygulanırsa, elektron-deliği çifti yarı iletken malzeme boyunca ilerleyerek bir fotoakım oluşturur.
Kesme dalga boyuna sahip olmasının yanı sıra, gelen ışığın dalga boyu çok kısa olduğunda fotodiyotun dönüşüm verimliliği düşer. Bir fotodiyotta, gelen fotonlar emilerek elektron-deliği çiftleri oluşturulur. Uzaklık x= 0 olduğunda optik güç P(0) olur. X mesafesinden sonra emilen optik güç:
Formülde (λ), dalga boyunun bir fonksiyonu olan malzemenin emme katsayısıdır.
Gelen ışığın dalga boyu çok kısa olduğunda malzemenin soğurma katsayısı çok büyük olur. Sonuç olarak, fotodiyodun yüzeyinde çok sayıda foton emilir ve sıfır-elektrik-alan bölgesi oluşturulur. Burada oluşturulan elektron-delik çiftlerinin, harici devre tarafından toplanmadan önce ilk olarak tükenme katmanına yayılması gerekir. Ancak bu bölgede azınlık taşıyıcılarının ömürleri çok kısadır ve çok yavaş yayılırlar, sıklıkla toplanmadan önce yeniden birleşirler. Bu, fotodedektörün verimliliğini azaltır. Bu nedenle, belirli malzemelerden yapılmış fotodiyotların belirli bir dalga boyu tepki aralığı vardır. Örneğin, Si fotodiyotların dalga boyu tepki aralığı 0,5–10 μm, InGaAs fotodiyotların ise 1,1–1,6 μm'dir.
Fotodedektörlerin özellikleri
kuantum verimliliği
Gelen ışık (güç P) çok sayıda foton içerir. Fotoakıma dönüştürülebilen foton sayısının gelen fotonların toplam sayısına oranına kuantum verimliliği adı verilir ve bu oran aşağıdaki formülle hesaplanır:
Formülde elektron yükü=1.6 × 10⁻¹ derecedir; I üretilen fotoakımdır; h Planck sabitidir; ve v fotonun frekansıdır. Kuantum verimliliği %50 ile %90 arasında değişir.
Gelen yüzeyin yansıtıcılığı r ise ve sıfır-elektrik-alan yüzey katmanında üretilen elektron-delik çiftleri etkili bir şekilde fotoakıma dönüştürülemiyorsa ve gelen ışık gücü P(0) ise, bu durumda fotoakım şöyle olur:
Formülde, sıfır-alan bölgesinin ve tükenme katmanının soğurma katsayısı, sıfır-alan bölgesinin kalınlığı ve tükenme katmanının genişliğidir. O halde verimlilik:
duyarlılık
Bir fotodedektörde foto akımın gelen ışık gücüne oranına duyarlılık denir (A/W olarak ölçülür).
Bu özellik, fotodedektörün optik sinyalleri elektrik sinyallerine dönüştürmedeki etkinliğini gösterir. R için tipik değerler 0,5 ile 1,0 A/W arasındadır. Örneğin bir Si fotodetektörünün R değeri 900 nm dalga boyunda 0,65 A/W'dir; Ge fotodetektörünün R değeri 0,45 A/W'dir (1300 nm'de); ve InGaAs'ın duyarlılığı 1300 nm'de 0,9 A/W ve 1550 nm'de 1,0 A/W'dir.
Belirli bir dalga boyu için duyarlılık sabittir, ancak geniş bir dalga boyu aralığı dikkate alındığında sabit değildir. Gelen ışığın dalga boyu arttıkça gelen fotonların enerjisi azalır ve bant aralığından az olduğunda kesme dalga boyundaki duyarlılık hızla düşer.
Tepki spektrumu
Fotojenlenmiş taşıyıcılar oluşturmak için, gelen fotonun enerjisinin, fotodetektör malzemesinin bant aralığından daha büyük olması gerekir. Bu durum şu şekilde ifade edilebilir:
Formülde λ kesme dalga boyudur.
Başka bir deyişle, belirli bir yarı iletken tespit malzemesi için yalnızca kesme dalga boyundan daha kısa dalga boylarına sahip ışık tespit edilebilir ve dedektörün kuantum verimliliği dalga boyuna göre değişir; bu özelliğe tepki spektrumu denir. Bu nedenle fotodetektörler evrensel değildir ve farklı malzemelerin tepki spektrumları farklılık gösterir. Yaygın olarak kullanılan fotoelektrik yarı iletken malzemeler arasında Si, Ge, InGaAs, InGaAsP ve GaAsP bulunur ve bunların yanıt spektrumları Şekil x'te gösterilmektedir.
Tepki süresi
Bir fotodiyot tarafından üretilen foto akımın gelen ışık sinyalini takip etme hızı tipik olarak tepki süresi olarak ifade edilir. Tepki süresi, fotodetektörün geçici veya yüksek-hızlı modüle edilmiş ışık sinyallerine yanıt verme yeteneğini yansıtan bir parametredir. Esas olarak aşağıdaki üç faktörden etkilenir:
1) Foto taşıyıcıların tükenme bölgesindeki geçiş süresi.
2) Tükenme bölgesi dışında üretilen foto taşıyıcıların difüzyon süresi.
3) Fotodiyotun ve ilgili devresinin RC zaman sabiti.
Tepki süresi, bir fotodetektörün çıkış darbesinin yükselme süresi ve düşme süresi olarak ifade edilebilir. Fotodiyotun bağlantı kapasitansı nispeten küçük olduğunda, yükselme süresi ve düşme süresi kısa ve nispeten tutarlıdır; fotodiyotun bağlantı kapasitansı nispeten büyük olduğunda, tepki süresi, yük direnci ve bağlantı kapasitansı tarafından oluşturulan RC zaman sabiti ile sınırlanır, bu da daha uzun yükselme ve düşme sürelerine neden olur.
Genel olarak fotodedektörlerin teknik özellikleri yükselme süresini sağlar. PIN fotodiyotları için yükselme süresi t0tipik olarak<1 ns; for APDs, this value is less than 0.5 ns.
Karanlık akım
Karanlık akım, gelen ışık olmadığında fotodetektördeki akımı ifade eder. Gelen ışık olmamasına rağmen, belirli bir sıcaklıkta dış ısı enerjisi, tükenme bölgesinde bir miktar serbest yük oluşturabilir. Bu yükler ters öngerilim voltajının etkisi altında akarak karanlık bir akım oluşturur. Açıkçası, sıcaklık ne kadar yüksek olursa, sıcaklık tarafından o kadar fazla elektron uyarılır ve karanlık akım da o kadar büyük olur. Bir PIN fotodiyodu için T sıcaklığındaki karanlık akımın I(T) olmasına izin verin. Sıcaklık T'ye yükseldiğinde:
Formülde C ampirik bir sabittir ve Si fotodiyot için C=8'dir.
Karanlık akım sonuçta fotodiyotun hassasiyeti olan minimum tespit edilebilir optik gücü belirler.
Kullanılan yarı iletken malzemeye bağlı olarak karanlık akım 0,1 ile 500 nA arasında değişmektedir.
