광검출기(PD)는 수신된 신호를 변환합니다.광학신호를 전기 신호로 변환하여 광-에서-전기 신호로의 변환을 완료합니다. PD의 기본 요구 사항은 다음과 같습니다.
1) 시스템의 작동 파장에서 충분히 높은 응답성을 가지며, 이는 주어진 입사광 전력에 대해 가능한 가장 큰 광전류를 출력할 수 있음을 의미합니다.
2) 응답 속도가 충분히 빠르며 고속-또는 광대역 시스템에 적합합니다.
3) 기기가 신호에 미치는 영향을 최소화하기 위해 노이즈를 최대한 최소화하였습니다.
4) 크기가 작고 수명이 길다.
현재 일반적으로 사용되는 반도체 광검출기에는 PIN 광다이오드(PIN-PD)와 애벌런치 광다이오드(APD)의 두 가지가 있습니다. 이 섹션에서는 주로 광검출기의 원리, 성능 지표 및 일반적으로 사용되는 두 가지 유형을 소개합니다.
광검출기의 원리
광검출기는 반도체 재료의 광전 효과를 활용하여 광전 변환을 달성합니다. 반도체 재료의 광전 효과는 아래 그림과 같습니다.
입사광자의 에너지 hv가 밴드갭 E보다 작으면 입사광의 강도에 관계없이 광전 효과가 발생하지 않습니다. 즉, 광전효과가 일어나기 위해서는 다음과 같은 조건이 충족되어야 한다.
즉, 주파수 v < E/h의 입사광은 광전 효과를 생성할 수 없습니다. v를 파장, λc=hc/E로 변환합니다. 즉, 파장이 λ < λc인 입사광만이 이 물질에서 광생성 캐리어를 생성할 수 있습니다. 따라서 λc는 광전 효과를 생성하는 데 필요한 입사광의 최대 파장(차단 파장이라고도 함)이며 해당 v를 차단 주파수라고 합니다. 반도체 물질에 흡수된 각 광자는 전자-정공 쌍을 생성합니다. 반도체 재료에 전기장이 가해지면 전자-정공 쌍이 반도체 재료를 통과하여 광전류를 형성합니다.
컷오프 파장을 갖는 것 외에도 입사광의 파장이 너무 짧으면 포토다이오드의 변환 효율이 감소합니다. 포토다이오드에서는 입사 광자가 흡수되어 전자-정공 쌍이 생성됩니다. 거리 x=0 일 때 광 출력은 P(0)입니다. 거리 x 이후 흡수된 광전력은 다음과 같습니다.
공식에서 (λ)는 물질의 흡수 계수이며 파장의 함수입니다.
입사광의 파장이 매우 짧을 때 물질의 흡수계수는 매우 크다. 결과적으로 많은 수의 광자가 포토다이오드 표면에 흡수되어 제로-전기장- 영역이 생성됩니다. 여기에서 생성된 전자-정공 쌍은 외부 회로에 의해 수집되기 전에 먼저 공핍층으로 확산되어야 합니다. 그러나 이 영역에서 소수 캐리어는 수명이 매우 짧고 매우 느리게 확산되며 종종 수집되기 전에 재결합합니다. 이는 광검출기의 효율을 감소시킵니다. 따라서 특정 재료로 만들어진 포토다이오드는 특정 파장 응답 범위를 갖습니다. 예를 들어 Si 포토다이오드의 파장 응답 범위는 0.5~10μm이고 InGaAs 포토다이오드의 파장 응답 범위는 1.1~1.6μm입니다.
광검출기의 특성
양자 효율
입사광(전력 P)에는 많은 수의 광자가 포함되어 있습니다. 총 입사 광자 수에 대한 광전류로 변환될 수 있는 광자 수의 비율을 양자 효율이라고 하며, 이는 다음 공식으로 계산됩니다.
공식에서 전자 전하는=1.6 × 10⁻¹ 도입니다. I는 생성된 광전류입니다. h는 플랑크 상수입니다. v는 광자의 주파수입니다. 양자 효율은 50%에서 90%까지이다.
입사면의 반사율이 r이고 제로-전계- 표면층에서 생성된 전자-정공 쌍이 효과적으로 광전류로 변환될 수 없으며 입사광 전력이 P(0)이면 광전류는 다음과 같습니다.
식에서 는 제로-필드 영역과 공핍층의 흡수계수, 는 제로-필드 영역의 두께, 는 공핍층의 너비입니다. 그러면 효율성은 다음과 같습니다.
민감도
광검출기의 입사광 전력에 대한 광전류의 비율을 응답성(A/W로 측정)이라고 합니다.
이 특성은 광 신호를 전기 신호로 변환하는 광검출기의 효율성을 나타냅니다. R의 일반적인 값은 0.5~1.0A/W 범위입니다. 예를 들어, Si 광검출기의 R 값은 900nm의 파장에서 0.65A/W입니다. Ge 광검출기의 R 값은 0.45A/W(1300nm에서)입니다. InGaAs의 응답성은 1300 nm에서 0.9 A/W이고 1550 nm에서 1.0 A/W입니다.
주어진 파장에 대해 응답성은 일정하지만 넓은 파장 범위를 고려하면 일정하지 않습니다. 입사광의 파장이 증가할수록 입사광자의 에너지는 감소하며, 밴드갭보다 작을 경우 차단파장에서 응답성이 급격하게 떨어진다.
응답 스펙트럼
광생성 캐리어를 생성하려면 입사 광자의 에너지가 광검출기 물질의 밴드갭보다 커야 합니다. 이 조건은 다음과 같이 표현될 수 있습니다.
공식에서 λ는 차단 파장입니다.
즉, 특정 반도체 감지 재료의 경우 차단 파장보다 짧은 파장의 빛만 감지할 수 있으며 감지기의 양자 효율은 파장에 따라 달라집니다. 이 특성을 응답 스펙트럼이라고 합니다. 따라서 광검출기는 보편적이지 않으며 다양한 재료의 반응 스펙트럼이 다릅니다. 일반적으로 사용되는 광전 반도체 재료에는 Si, Ge, InGaAs, InGaAsP 및 GaAsP가 포함되며 해당 응답 스펙트럼은 그림 x에 표시됩니다.
응답 시간
포토다이오드에 의해 생성된 광전류가 입사광 신호를 따르는 속도는 일반적으로 응답 시간으로 표현됩니다. 응답 시간은 일시적 또는 고속 변조 광 신호에 반응하는 광검출기의 능력을 반영하는 매개변수입니다.- 주로 다음 세 가지 요소의 영향을 받습니다.
1) 고갈 영역에서 광캐리어의 이동 시간.
2) 공핍 영역 외부에서 생성된 광캐리어의 확산 시간.
3) 포토다이오드 및 관련 회로의 RC 시간 상수.
응답 시간은 광검출기 출력 펄스의 상승 시간과 하강 시간으로 표현할 수 있습니다. 포토다이오드의 접합 용량이 상대적으로 작을 때 상승 시간과 하강 시간은 짧고 상대적으로 일정합니다. 포토다이오드의 접합 용량이 상대적으로 크면 부하 저항과 접합 용량에 의해 형성된 RC 시상수에 의해 응답 시간이 제한되어 상승 및 하강 시간이 길어집니다.
일반적으로 광검출기의 기술 사양은 상승 시간을 제공합니다. PIN 포토다이오드의 경우 상승 시간 t0일반적으로<1 ns; for APDs, this value is less than 0.5 ns.
암전류
암전류는 입사광이 없을 때 광검출기의 전류를 나타냅니다. 입사광은 없지만 특정 온도에서 외부 열 에너지로 인해 공핍 영역에서 일부 자유 전하가 생성될 수 있습니다. 이러한 전하는 역방향 바이어스 전압의 영향을 받아 암전류를 형성합니다. 분명히 온도가 높을수록 온도에 의해 더 많은 전자가 여기되고 암전류가 더 커집니다. PIN 포토다이오드의 경우 온도 T에서의 암전류를 I(T)로 둡니다. 온도가 T까지 올라가면:
식에서 C는 경험상수이고 C=8는 Si 포토다이오드이다.
암전류는 궁극적으로 포토다이오드의 감도인 감지 가능한 최소 광전력을 결정합니다.
사용된 반도체 재료에 따라 암전류는 0.1~500nA 사이에서 다양합니다.
