Un photodétecteur (PD) convertit la réceptionoptiquesignaux en signaux électriques, complétant ainsi la conversion du signal optique-en-électrique. Les exigences de base pour un PD sont :
1) Il possède une réactivité suffisamment élevée à la longueur d'onde de fonctionnement du système, ce qui signifie qu'il peut produire le photocourant le plus important possible pour une puissance lumineuse incidente donnée.
2) Il a une vitesse de réponse suffisamment rapide, adaptée aux systèmes à haut débit ou à haut débit.
3) Il a le bruit le plus faible possible pour minimiser l'influence de l'appareil sur le signal.
4) Ils présentent une petite taille et une longue durée de vie.
Actuellement, il existe deux photodétecteurs à semi-conducteurs couramment utilisés : les photodiodes PIN (PIN-PD) et les photodiodes à avalanche (APD). Cette section présente principalement les principes, les indicateurs de performance et deux types de photodétecteurs couramment utilisés.
Principe des photodétecteurs
Les photodétecteurs utilisent l'effet photoélectrique des matériaux semi-conducteurs pour réaliser une conversion photoélectrique. L'effet photoélectrique des matériaux semi-conducteurs est illustré dans la figure ci-dessous.
Lorsque l'énergie hv du photon incident est inférieure à la bande interdite E, l'effet photoélectrique ne se produira pas quelle que soit l'intensité de la lumière incidente. Autrement dit, la condition suivante doit être remplie pour que l’effet photoélectrique se produise :
En d’autres termes, la lumière incidente avec une fréquence v < E/h ne peut pas produire l’effet photoélectrique. Conversion de v en longueur d'onde, λc=hc/E. Autrement dit, seule la lumière incidente d’une longueur d’onde λ < λc peut générer des porteurs photogénérés dans ce matériau. Par conséquent, λc est la longueur d’onde maximale de la lumière incidente requise pour produire l’effet photoélectrique, également connue sous le nom de longueur d’onde de coupure, et la valeur v correspondante est appelée fréquence de coupure. Chaque photon absorbé par un matériau semi-conducteur générera une paire d'électrons-trous. Si un champ électrique est appliqué au matériau semi-conducteur, la paire d'électrons -trous se déplacera à travers le matériau semi-conducteur, formant un photocourant.
En plus d'avoir une longueur d'onde de coupure, l'efficacité de conversion de la photodiode diminue lorsque la longueur d'onde de la lumière incidente est trop courte. Dans une photodiode, les photons incidents sont absorbés, générant des paires d'électrons-trous. Lorsque la distance x=0, la puissance optique est P(0). Après une distance x, la puissance optique absorbée est :
Dans la formule, (λ) est le coefficient d'absorption du matériau, qui est fonction de la longueur d'onde.
Lorsque la longueur d’onde de la lumière incidente est très courte, le coefficient d’absorption du matériau est très grand. En conséquence, un grand nombre de photons sont absorbés à la surface de la photodiode, créant une région de champ électrique -nul-. Les paires d'électrons-trous générées ici doivent d'abord diffuser vers la couche d'appauvrissement avant d'être collectées par le circuit externe. Cependant, dans cette région, les porteurs minoritaires ont une durée de vie très courte et se diffusent très lentement, recombinant souvent avant d'être collectés. Cela réduit l'efficacité du photodétecteur. Par conséquent, les photodiodes constituées de certains matériaux ont une plage de réponse en longueur d'onde spécifique. Par exemple, la plage de réponse en longueur d'onde des photodiodes Si est de 0,5 à 10 μm et celle des photodiodes InGaAs est de 1,1 à 1,6 μm.
Caractéristiques des photodétecteurs
efficacité quantique
La lumière incidente (puissance P) contient un grand nombre de photons. Le rapport entre le nombre de photons pouvant être convertis en photocourant et le nombre total de photons incidents est appelé efficacité quantique, qui est calculée par la formule suivante :
Dans la formule, la charge électronique est :=1.6 × 10⁻¹ degré ; I est le photocourant généré ; h est la constante de Planck ; et v est la fréquence du photon. L'efficacité quantique varie de 50 % à 90 %.
Si la réflectivité de la surface incidente est r et que les paires d'électrons-trous générées dans la couche de surface de champ électrique-zéro-électrique-ne peuvent pas être efficacement converties en photocourant et que la puissance de la lumière incidente est P(0), alors le photocourant est :
Dans la formule, est le coefficient d'absorption de la région de champ zéro-et de la couche d'épuisement, est l'épaisseur de la région de champ zéro-et est la largeur de la couche d'épuisement. Le rendement est alors :
réactivité
Le rapport entre le photocourant et la puissance lumineuse incidente dans un photodétecteur est appelé réactivité (mesurée en A/W).
Cette caractéristique indique l'efficacité du photodétecteur à convertir les signaux optiques en signaux électriques. Les valeurs typiques de R vont de 0,5 à 1,0 A/W. Par exemple, la valeur R pour un photodétecteur Si est de 0,65 A/W à une longueur d'onde de 900 nm ; la valeur R pour un photodétecteur Ge est de 0,45 A/W (à 1 300 nm) ; et la réactivité d'InGaAs est de 0,9 A/W à 1 300 nm et de 1,0 A/W à 1 550 nm.
Pour une longueur d’onde donnée, la réactivité est constante, mais elle ne l’est pas lorsqu’on considère une large gamme de longueurs d’onde. À mesure que la longueur d’onde de la lumière incidente augmente, l’énergie des photons incidents diminue et lorsqu’elle est inférieure à la bande interdite, la réactivité chute rapidement à la longueur d’onde de coupure.
Spectre de réponse
Afin de générer des porteurs photogénérés, l’énergie du photon incident doit être supérieure à la bande interdite du matériau photodétecteur. Cette condition peut s’exprimer ainsi :
Dans la formule, λ est la longueur d'onde de coupure.
En d’autres termes, pour un matériau de détection semi-conducteur donné, seule la lumière dont les longueurs d’onde sont plus courtes que la longueur d’onde de coupure peut être détectée, et l’efficacité quantique du détecteur varie en fonction de la longueur d’onde ; cette caractéristique est appelée spectre de réponse. Par conséquent, les photodétecteurs ne sont pas universels et les spectres de réponse des différents matériaux diffèrent. Les matériaux semi-conducteurs photoélectriques couramment utilisés comprennent Si, Ge, InGaAs, InGaAsP et GaAsP, et leurs spectres de réponse sont illustrés à la figure x.
Temps de réponse
La vitesse à laquelle le photocourant généré par une photodiode suit le signal lumineux incident est généralement exprimée en temps de réponse. Le temps de réponse est un paramètre reflétant la capacité du photodétecteur à répondre à des signaux lumineux transitoires ou modulés à grande vitesse. Elle est principalement affectée par les trois facteurs suivants :
1) Le temps de transit des photoporteurs dans la région d'épuisement.
2) Le temps de diffusion des photoporteurs générés en dehors de la région d'appauvrissement.
3) La constante de temps RC de la photodiode et de ses circuits associés.
Le temps de réponse peut être exprimé comme le temps de montée et le temps de descente de l'impulsion de sortie d'un photodétecteur. Lorsque la capacité de jonction de la photodiode est relativement petite, le temps de montée et le temps de descente sont courts et relativement cohérents ; lorsque la capacité de jonction de la photodiode est relativement grande, le temps de réponse est limité par la constante de temps RC formée par la résistance de charge et la capacité de jonction, ce qui entraîne des temps de montée et de descente plus longs.
Généralement, les spécifications techniques des photodétecteurs donnent le temps de montée. Pour les photodiodes PIN, le temps de montée t0est généralement<1 ns; for APDs, this value is less than 0.5 ns.
Courant sombre
Le courant d'obscurité fait référence au courant dans un photodétecteur lorsqu'il n'y a pas de lumière incidente. Bien qu’il n’y ait pas de lumière incidente, à une certaine température, l’énergie thermique externe peut générer des charges gratuites dans la région d’épuisement. Ces charges circulent sous l’influence d’une tension de polarisation inverse, formant un courant d’obscurité. Évidemment, plus la température est élevée, plus les électrons sont excités par la température et plus le courant d’obscurité est important. Pour une photodiode PIN, laissez le courant d'obscurité à la température T être I(T). Lorsque la température monte jusqu’à T, alors :
Dans la formule, C est une constante empirique et C=8 pour la photodiode Si.
Le courant d'obscurité détermine finalement la puissance optique minimale détectable, qui est la sensibilité de la photodiode.
Selon le matériau semi-conducteur utilisé, le courant d'obscurité varie entre 0,1 et 500 nA.
