ΠΑΡΑΔΟΣΕΙΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ «ΕΙΔΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ» ΚΕΦ.5 ΠΑΡΑΔΟΣΕΙΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ «ΕΙΔΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ» ΚΕΦ.5 ΜΑΡΤΙΟΣ 2005

ΟΠΤΙΚΟΙ ΑΝΙΧΕΥΤΕΣ (ΦΩΤΟΔΙΟΔΟΙ) OPTICAL ή LIGHT DETECTORS (PHOTODIODES) ΟΠΤΙΚΟΙ ΑΝΙΧΕΥΤΕΣ (ΦΩΤΟΔΙΟΔΟΙ) OPTICAL ή LIGHT DETECTORS (PHOTODIODES) (p – i – n Photodiode) (Avalanche Photodiode - APD)

ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ (detection) ΦΩΤΟΣ & ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΖΩΝΕΣ pin APD

ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΦΩΤΟΣ LIGHT DETECTION ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ (QUANTUM MECHANICS) ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΦΩΤΟΣ LIGHT DETECTION ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ (QUANTUM MECHANICS)

ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΡΟΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΡΟΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Απορρόφηση ενέργειας  Μετάβαση Ηλεκτρονίων σε υψηλότερες ενεργειακές στάθμες Χαμηλή Ενεργειακή στάθμη Υψηλή Ενεργειακή στάθμη φώς Παραγωγή Ελεύθερων Ηλεκτρονίων  Ροή Ρεύματος

ΒΑΣΙΚΗ ΔΟΜΗ ΦΩΤΟΔΙΟΔΟΥ ΒΑΣΙΚΗ ΔΟΜΗ ΦΩΤΟΔΙΟΔΟΥ

ΦΩΤΟΔΙΟΔΟΣ p-i-n “pin” Photodiode ή “pin” Photodetector

ΒΑΣΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΦΩΤΟΔΙΟΔΟΥ p-i-n Απορροφώνται φωτόνια στην περιοχή “i” (intrinsic) Δημιουργούν ζεύγη ηλεκτρονίων (e) και οπών (holes) Εφαρμόζεται ανάστροφη τάση στα άκρα της διόδου Παράγεται «Φωτορεύμα» (Photocurrent) Το φωτορεύμα συλλέγεται σε ηλεκτρόδια πριν τα ηλεκτρόνια επανασυνδεδουν με τις οπές

p i n

ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΦΩΤΟΔΙΟΔΟΥ p-i-n

ΣΧΕΣΗ ΑΝΑΜΕΣΑ ΣΤΑ ΕΞΗΣ ΜΕΓΕΘΗ: ΣΧΕΣΗ ΑΝΑΜΕΣΑ ΣΤΑ ΕΞΗΣ ΜΕΓΕΘΗ: ΑΝΑΣΤΡΟΦΗΣ ΤΑΣΗΣ ΠΟΛΩΣΗΣ (Bias Voltage) ΕΚΤΑΣΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΑΡΑΙΩΣΗΣ (Depletion area) ΧΩΡΗΤΙΚΌΤΗΤΑΣ ΦΩΤΟΔΙΟΔΟΥ p-i-n (pF)

Το φώς προσπίπτει στην πλευρά “p” Τα ηλεκτρόνια και οι οπές, που παράγονται απο την απορρόφηση του φωτός  σαρώνονται κατα μήκος της επαφής απο την ανάστροφη πόλωση (εφαρμοζόμενη ηλεκτρική τάση)  παράγεται ένα μικρό φωτορεύμα το οποίο «συλλαμβάνεται» στα ηλεκτρόδια της φωτοδιόδου

ΒΑΘΟΣ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗΣ ΦΩΤΟΣ ΣΤΗΝ ΦΩΤΟΔΙΟΔΟ p-i-n

ΔΥΟ ΒΑΣΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΦΩΤΟΔΙΟΔΟΥ ΔΥΟ ΒΑΣΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΦΩΤΟΔΙΟΔΟΥ QUANTUM EFFICIENCY & RESPONSIVITY

QUANTUM EFFICIENCY Quantum Efficiency (Q.E.) ή n(λ) = Αποδοτικότητα μετατροπής φωτονίων σε ηλεκτρόνια (e ή q) και ηλεκτρικό ρεύμα ( % )

RESPONSIVITY Responsivity R(λ) = Ευαισθησία (Sensitivity) της φωτοδιόδου στο φώς = φωτορεύμα <iPhoto (λ)> ανα μονάδα οπτικής ισχύος <POptical (λ)> (Αmperes / Wattoptical)

ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΤΗΣ RESPONSIVITY (Q.E.) ΜΕ ΤΟ λ

ΕΞΑΡΤΗΣΗ (%) ΤΗΣ RESPONSIVITY ΑΠΟ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ RESPONSIVITY ΦΩΤΟΔΙΟΔΩΝ GaAs PIN photodiode Large Area (1-3mm) GaAs PIN photodiode

ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΦΩΤΟΔΙΟΔΟΥ p-i-n

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ I - V Χωρίς Φώς Με Φώς ισχύος P (P0 P1 P0) ID = Dark Current (Σκοτεινό ρεύμα) ρέει στην ανάστροφα πολωμένη φωτοδίοδο χωρίς προσπίπτον φως ISAT = Ρεύμα κορεσμού στην ανάστροφη πόλωση VA = Τάση ανάστροφης πόλωσης IP = Φωτορεύμα ITOTAL = Συνολικό ρεύμα

ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΠΟΛΩΣΗ ΤΗΣ ΦΩΤΟΔΙΟΔΟΥ p-i-n ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΠΟΛΩΣΗ ΤΗΣ ΦΩΤΟΔΙΟΔΟΥ p-i-n Ανάστροφη πόλωση Φωτοδιόδου με θετική τάση V+ Σε σειρά αντίσταση φορτίου RL Ροή φωτορεύματος IP Τάση εξόδου VO ανάλογη του πρόσπίπτοντος φωτός (VO = IP RL)

ΙΣΟΔΥΝΑΜΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΦΩΤΟΔΙΟΔΟΥ p-i-n Η φωτοδίοδος λειτουργεί σαν Πηγή Ρευματος Id = Dark Current CJ = Χωρητικότητα επαφής (στρώμα αραίωσης) φωτοδιόδου ( 5-10 pF) RSH = Αντίσταση φωτοδιόδου εν παραλλήλω ( > 10 ΜΩ)  ΑΜΕΛΗΤΕΑ RS = Αντίσταση φωτοδιόδου σε σειρά (10 – 1000 Ω) Iph = Φωτορεύμα Iο = Συνολικό ρεύμα RL = Αντίσταση φορτίου

ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΑΝΑΣΤΡΟΦΗ ΠΟΛΩΣΗ

ΘΟΡΥΒΟΣ (noise) ΦΩΤΟΔΙΟΔΟΥ p-i-n

ΠΗΓΕΣ ΘΟΡΥΒΟΥ ΣΤΗΝ ΦΩΤΟΔΙΟΔΟ ΠΗΓΕΣ ΘΟΡΥΒΟΥ ΣΤΗΝ ΦΩΤΟΔΙΟΔΟ Οι πηγές θορύβου είναι οι εξής: Shot Noise προερχόμενος απο τη ροή του ρεύματος Thermal Noise προερχόμενος απο την RL Total Shot Thermal

Οταν Ip = Itn  τότε Po = NEP ΙΣΟΔΥΝΑΜΗ ΙΣΧΥΣ ΘΟΡΥΒΟΥ Το ποσό της προσπίπτουσας οπτικής ισχύος στην φωτοδίοδο που γεννά φωτορεύμα ίσο με το ρεύμα θορύβου ΟΝΟΜΑΖΕΤΑΙ  Ισοδύναμη Ισχύς Θορύβου (NEP) Οταν Ip = Itn  τότε Po = NEP

ΧΡΟΝΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΦΩΤΟΔΙΟΔΟΥ ΧΡΟΝΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΦΩΤΟΔΙΟΔΟΥ Υψηλή Ευαισθησία απαιτεί Μεγάλο Q.E. & Responsivity Μεγάλη επιφάνεια φωτοδιόδου Μεγάλο βάθος περιοχής p Υψηλή Ταχύτητα Απόκρισης απαιτεί  Μικρή Χωρητικότητα CJ Μικρή επιφάνεια φωτοδιόδου Ρηχή περιοχή p TRADE OFF  SENSITIVITY x BANDWIDTH

ΧΡΟΝΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΦΩΤΟΔΙΟΔΟΥ

ΤΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΦΩΤΟΔΙΟΔΟΥ ΕΞΑΡΤΩΝΤΑΙ ΣΤΕΝΑ ΑΠΟ ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΠΟΥ ΑΚΟΛΟΥΘΕΙ ΤΟ ΟΠΟΙΟ ΕΝΙΣΧΥΕΙ ΤΟ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟ ΣΗΜΑ