Seorang fotodetektor (PD) yang bertobat diterimaoptiksinyal menjadi sinyal listrik, sehingga menyelesaikan konversi sinyal optik-ke-listrik. Persyaratan dasar untuk seorang PD adalah:
1) Ia memiliki respons yang cukup tinggi pada panjang gelombang operasi sistem, yang berarti ia dapat menghasilkan arus foto sebesar mungkin untuk daya cahaya yang terjadi.
2) Memiliki kecepatan respons yang cukup cepat, cocok untuk-sistem berkecepatan tinggi atau broadband.
3) Memiliki kebisingan serendah mungkin untuk meminimalkan pengaruh perangkat terhadap sinyal.
4) Mereka memiliki ukuran kecil dan umur pengoperasian yang panjang.
Saat ini, ada dua fotodetektor semikonduktor yang umum digunakan: fotodioda PIN (PIN-PD) dan fotodioda longsoran (APD). Bagian ini terutama memperkenalkan prinsip, indikator kinerja, dan dua jenis fotodetektor yang umum digunakan.
Prinsip fotodetektor
Fotodetektor memanfaatkan efek fotolistrik bahan semikonduktor untuk mencapai konversi fotolistrik. Efek fotolistrik bahan semikonduktor ditunjukkan pada gambar di bawah.
Ketika energi hv foton datang lebih kecil dari celah pita E, efek fotolistrik tidak akan terjadi berapa pun intensitas cahaya yang datang. Artinya, syarat berikut harus dipenuhi agar efek fotolistrik dapat terjadi:
Dengan kata lain, cahaya datang dengan frekuensi v < E/h tidak dapat menghasilkan efek fotolistrik. Mengonversi v ke panjang gelombang, λc=hc/E. Artinya, hanya cahaya datang dengan panjang gelombang λ < λc yang dapat menghasilkan pembawa fotogenerasi dalam material ini. Oleh karena itu, λc adalah panjang gelombang maksimum cahaya datang yang diperlukan untuk menghasilkan efek fotolistrik, juga dikenal sebagai panjang gelombang cutoff, dan v yang sesuai disebut frekuensi cutoff. Setiap foton yang diserap oleh bahan semikonduktor akan menghasilkan pasangan lubang-elektron. Jika medan listrik diterapkan pada bahan semikonduktor, pasangan lubang -elektron akan bergerak melalui bahan semikonduktor, membentuk arus foto.
Selain memiliki panjang gelombang terputus, efisiensi konversi fotodioda menurun ketika panjang gelombang cahaya datang terlalu pendek. Dalam fotodioda, foton yang datang diserap, menghasilkan pasangan lubang-elektron. Ketika jarak x=0, daya optiknya adalah P(0). Setelah jarak x, daya optik yang diserap adalah:
Dalam rumusnya, (λ) adalah koefisien serapan bahan, yang merupakan fungsi dari panjang gelombang.
Ketika panjang gelombang cahaya datang sangat pendek, koefisien serapan material menjadi sangat besar. Akibatnya, sejumlah besar foton diserap pada permukaan fotodioda, sehingga menciptakan wilayah medan-listrik-nol. Pasangan lubang-elektron yang dihasilkan di sini harus terlebih dahulu berdifusi ke lapisan penipisan sebelum dikumpulkan oleh sirkuit eksternal. Namun, di wilayah ini, pembawa minoritas mempunyai masa hidup yang sangat pendek dan berdifusi sangat lambat, sering kali melakukan rekombinasi sebelum dikumpulkan. Hal ini mengurangi efisiensi fotodetektor. Oleh karena itu, fotodioda yang terbuat dari bahan tertentu mempunyai rentang respon panjang gelombang tertentu. Misalnya, rentang respons panjang gelombang fotodioda Si adalah 0,5–10 μm, dan fotodioda InGaAs adalah 1,1–1,6 μm.
Karakteristik fotodetektor
efisiensi kuantum
Cahaya datang (kekuatan P) mengandung sejumlah besar foton. Rasio jumlah foton yang dapat diubah menjadi arus foton dengan jumlah total foton yang datang disebut efisiensi kuantum, yang dihitung dengan rumus berikut:
Dalam rumusnya, adalah muatan elektron,=1.6 × 10⁻¹ derajat ; Saya adalah arus foto yang dihasilkan; h adalah konstanta Planck; dan v adalah frekuensi foton. Efisiensi kuantum berkisar antara 50% hingga 90%.
Jika reflektifitas permukaan datang adalah r, dan pasangan lubang-elektron yang dihasilkan di lapisan permukaan medan-nol-listrik tidak dapat secara efektif diubah menjadi arus foto, dan daya cahaya datang adalah P(0), maka arus foto adalah:
Dalam rumusnya, adalah koefisien serapan wilayah-bidang nol dan lapisan penipisan, adalah ketebalan wilayah-bidang nol, dan merupakan lebar lapisan penipisan. Maka efisiensinya adalah:
daya tanggap
Rasio arus foto terhadap daya cahaya yang datang dalam fotodetektor disebut responsivitas (diukur dalam A/W).
Karakteristik ini menunjukkan efisiensi fotodetektor dalam mengubah sinyal optik menjadi sinyal listrik. Nilai tipikal untuk R berkisar antara 0,5 hingga 1,0 A/W. Misalnya, nilai R untuk fotodetektor Si adalah 0,65 A/W pada panjang gelombang 900 nm; nilai R untuk fotodetektor Ge adalah 0,45 A/W (pada 1300 nm); dan respons InGaAs adalah 0,9 A/W pada 1300 nm dan 1,0 A/W pada 1550 nm.
Untuk panjang gelombang tertentu, responsnya adalah konstan, namun tidak konstan jika mempertimbangkan rentang panjang gelombang yang besar. Ketika panjang gelombang cahaya datang meningkat, energi foton datang berkurang, dan ketika energi tersebut lebih kecil dari celah pita, responsivitas turun dengan cepat pada panjang gelombang cutoff.
Spektrum respons
Untuk menghasilkan pembawa fotogenerasi, energi foton yang datang harus lebih besar daripada celah pita material fotodetektor. Kondisi tersebut dapat diungkapkan sebagai berikut:
Dalam rumusnya, λ adalah panjang gelombang cutoff.
Dengan kata lain, untuk bahan pendeteksi semikonduktor tertentu, hanya cahaya dengan panjang gelombang lebih pendek dari panjang gelombang cutoff yang dapat dideteksi, dan efisiensi kuantum detektor bervariasi menurut panjang gelombang; karakteristik ini disebut spektrum respons. Oleh karena itu, fotodetektor tidak bersifat universal, dan spektrum respons material yang berbeda berbeda-beda. Bahan semikonduktor fotolistrik yang umum digunakan meliputi Si, Ge, InGaAs, InGaAsP, dan GaAsP, dan spektrum responsnya ditunjukkan pada Gambar x.
Waktu respons
Kecepatan arus foto yang dihasilkan oleh fotodioda mengikuti sinyal cahaya yang datang biasanya dinyatakan sebagai waktu respons. Waktu respons adalah parameter yang mencerminkan kemampuan fotodetektor dalam merespons sinyal cahaya termodulasi kecepatan-transien atau tinggi. Hal ini terutama dipengaruhi oleh tiga faktor berikut:
1) Waktu transit pembawa foto di wilayah penipisan.
2) Waktu difusi photocarrier yang dihasilkan di luar wilayah penipisan.
3) Konstanta waktu RC dari fotodioda dan sirkuit terkait.
Waktu respons dapat dinyatakan sebagai waktu naik dan turunnya pulsa keluaran fotodetektor. Ketika kapasitansi persimpangan fotodioda relatif kecil, waktu naik dan turunnya pendek dan relatif konsisten; ketika kapasitansi sambungan fotodioda relatif besar, waktu respons dibatasi oleh konstanta waktu RC yang dibentuk oleh resistansi beban dan kapasitansi sambungan, sehingga waktu naik dan turun menjadi lebih lama.
Umumnya, spesifikasi teknis fotodetektor memberikan waktu naik. Untuk fotodioda PIN, waktu naik t0biasanya<1 ns; for APDs, this value is less than 0.5 ns.
Arus gelap
Arus gelap mengacu pada arus dalam fotodetektor ketika tidak ada cahaya yang datang. Meskipun tidak ada cahaya yang datang, pada suhu tertentu, energi panas eksternal dapat menghasilkan sejumlah muatan bebas di wilayah penipisan. Muatan ini mengalir di bawah pengaruh tegangan bias balik, membentuk arus gelap. Jelasnya, semakin tinggi suhunya, semakin banyak elektron yang tereksitasi oleh suhu, dan semakin besar arus gelapnya. Untuk fotodioda PIN, biarkan arus gelap pada suhu T menjadi I(T). Ketika suhu naik menjadi T, maka:
Dalam rumusnya, C adalah konstanta empiris, dan C=8 untuk fotodioda Si.
Arus gelap pada akhirnya menentukan daya optik minimum yang dapat dideteksi, yaitu sensitivitas fotodioda.
Tergantung pada bahan semikonduktor yang digunakan, arus gelap bervariasi antara 0,1 dan 500 nA.
