Vežba 1: Fotodioda
Kao poslednji element u jednom opti
č
kom lancu pojavljuje se prijemnik koji prevodi
opti
č
ki signal u elektri
č
ni. Prvi element prijemnika je fotodetektor. Fotodetektor
konvertuje varijacije opti
č
ke snage koja pada na njega u odgovaraju
ć
e varijacije elektri
č
ne
struje. Pošto je opti
č
ki signal oslabljen i izobli
č
en kada iza
đ
e iz fibera, fotodetektor mora
imati odli
č
ne osobine. Najvažnije su visoka osetljivost na talasnoj dužini koju emituje
opti
č
ki izvor, što manji šum, brz odziv ili veliki frekvencijski opseg. Fotodetektor treba da
bude što manje osetljiv na promene temperature, da bude kompatibilan sa fizi
č
kim
dimenzijama opti
č
kog fibera, da ima razumnu cenu u odnosu na druge komponente
senzorskog sistema i, naravno, da ima dug radni vek.
Postoji nekoliko vrsta fotodetektora: fotomultiplikatori, piroelektri
č
ni detektori,
poluprovodni
č
ki fotoprovodnici, fototranzistori i fotodiode. Me
đ
utim, ve
ć
ina ovih
detektora ne zadovoljava jedan ili više zahteva navedenih u prethodnom pasusu.
Fotomultiplikatori imaju veliko poja
č
anje i mali šum. Na nesre
ć
u, njihove velike dimenzije
i veliki naponi napajanja ih
č
ine nepodesnim u fiberopti
č
kim sistemima. Piroelektri
č
ni
fotodetektori konvertuju fotone u toplotu. Apsorpcija fotona rezultuje promenom
temperature dielektri
č
nog materijala. Ovo prouzrokuje pove
ć
anje promene dielektri
č
ne
konstante, što se obi
č
no meri kao promena kapaciteta. Odziv ovih detektora je prili
č
no
ravan u širokom spektralnom opsegu, ali je njihova brzina ograni
č
ena brzinom hla
đ
enja
posle eksitacije. Njihova glavna primena je za detektovanje laserskih impulsa, i oni nisu
naro
č
ito pogodni za fiberopti
č
ke sisteme. Fotoprovodnici su spori i imaju veliku struju
mraka, kao i fototranzistori.
Od poluprovodni
č
kih fotodetektora fotodiode se skoro isklju
č
ivo koriste u fiberopti
č
kim
sistemima zbog malih dimenzija, pogodnog materijala, visoke osetljivosti i brzog odziva.
Koriste se dva tipa fotodetektora: P-i-N i lavinski fotodetektori (APD).
Vežba 1: Fotodioda
Najjednostavniju poluprovodni
č
ku fotodiodu
č
ini
p-n
spoj poluprovodnika
č
iji je
energetski procep manji od energije fotona svetlosti koju treba detektovati. Opti
č
ko
zra
č
enje prolazi kroz tanku, naj
č
eš
ć
e
p
oblast i apsorbuje se u osiromašenoj oblasti. Ako je
energija fotona ve
ć
a od energetskog procepa materijala, u ispražnjenoj oblasti se generiše
par elektron-šupljina. Pod dejstvom elektri
č
nog polja ispražnjene oblasti stvoreni par
slobodnih nosilaca naelektrisanja biva razdvojen, te se elektroni kre
ć
u ka
n
oblasti, a
šupljine ka
p
oblasti. Fotodioda se ponaša kao strujni generator i kroz priklju
č
eno
spoljašnje kolo elektroni teku u smeru od anode ka katodi. Struja u kolu je, dakle, inverzna
kroz fotodiodu i proporcionalna brzini generacije nosilaca naelektrisanja tj. snazi opti
č
kog
zra
č
enja koje pada na fotodiodu. Spoj reaguje i na one parove nosilaca koji nastaju van
oblasti osiromašenja i difunduju do nje pre nego što se rekombinuju. Utvr
đ
eno je da samo
oni nosioci koji nastanu na udaljenosti manjoj od difuzione dužine manjinskih nosilaca
uspevaju da do
đ
u do osiromašene oblasti.
Najvažniji parametri fotodiode su:
•
vreme odziva
•
totalna ekvivalentna snaga šuma
•
kvantna efikasnost
•
osetljivost.
Kada je odziv fotodiode linearan, njena osetljivost je linearno srazmerna kvantnoj
efikasnosti, pa su dva poslednja parametra istovetna. Kod nelinearnog odziva osetljivost je
funkcija, ne samo kvantne efikasnosti, ve
ć
i drugih karakteristika fotodiode
1
.
Nabrojana
č
etiri parametra zavise od tipa fotodiode i poluprovodni
č
kog materijala od koga
je fotodioda napravljena. Prva dva parametra treba da budu što manja, a druga dva što
ve
ć
a. U cilju pove
ć
avanja kvantne efikasnosti, fotodioda na bazi klasi
č
nog PN spoja
zamenjena je P-i-N fotodiodom. Zbog postojanja
i
-oblasti kvantna efikasnost je višestruko
pove
ć
ana. Kod lavinske diode je tako
đ
e pove
ć
ana osetljivost ali je, zbog multiplikacionog
procesa na kome se zasniva njen rad, pove
ć
ana vrednost vremenske konstante kao i šuma.
1
P. Matavulj, "Analiza nelinearnog i nestacionarnog odziva P-i-N fotodiode napravljene od dvodolinskog
poluprovodnika",
Magistarski rad
, Univerzitet u Beogradu, 1997.
2
