Convertoare Foton Electron

  • Published on
    18-Dec-2014

  • View
    15

  • Download
    3

Embed Size (px)

DESCRIPTION

optoelectronica, traductoare fotonice

Transcript

<p>CAPITOLUL 6 186 ____________________________________________________________________ DISPOZITIVE CONVERTOARE FOTON-ELECTRON 6.1 Introducere Conversia fotonelectron este necesar n prezent din cel puin dou motive. n primul rnd optoelectronica nu i-a dezvoltat nc o instrumentaie de msur proprie i apeleaz, deocamdat, la aceast conversie urmat de msurri pur electronice. n al doilea rnd n casele i n birourile noastre de lucru toate receptoarele funcioneaz nc pe electroni (telefon, radio, televizor, PC, ) astfel nct informaia primit pe fibr optic pe purttoare fotonic trebuie convertit pentru a fi compatibil cu aceste receptoare clasice. Conversia foton-electron poate fi realizat cu dou tipuri de dispozitive: - dispozitive termice n care absorbia fluxului de fotoni este urmat de creterea temperaturii dispozitivului i de modificarea unei proprieti de material (de exemplu rezistivitatea sau starea de polarizaie); aceste dispozitive nu sunt selective i n general au inerie mare; - dispozitive cuantice (electronice) n care absorbia fluxului de fotoni este nsoit de excitarea electronilor pe nivele energetice superioare (fie din banda de valen n banda de conducie, fie chiar de extragerea electronilor din cristal n vidul dispozitivului); aceste dispozitive pot avea inerii foarte mici. CAPITOLUL 6 __________________________________________________________________ 187 6.2 Dispozitive convertoare cuantice cu jonciuni semiconductoare Fie o jonciune semiconductoare pn la echilibru termodinamic (fig. 6.1,a) cu regiunea de sarcin spaial de dimensiune W i cmpul intern i E . Aplicnd un flux de fotoni ou acestei structuri, o parte din acest flux va fi reflectat (oRu unde R este coeficientul de reflexie depinznd de lungimea de und a radiaiei), n semiconductor penetrnd la x = 0 fluxul ( )o1 Ru . Dac W A e &gt; , acest flux va fi absorbit n semiconductor genernd perechi electron gol (fie coeficientul de absorbie). Deci n adncime rezult: ( ) ( )xox 1 R e ou u = (6.1) WF WC WV qVB a W p n q(VB VL) qVL b W p n 0 x R 0 0 Fig. 6.1. a jonciune pn la echilibru termodinamic i structura zonelor sale energetice b jonciune pn sub aciunea unui flux de fotoni 0 i strutura zonelor sale energetice i E i ECAPITOLUL 6 188 ____________________________________________________________________ Purttorii de sarcin minoritari de neechilibru generai de o parte i de alta a zonei de sarcin spaial de ctre ( ) x u vor fi accelerai de ctre cmpul intern spre regiunile cu purttori majoritari de acelai tip. Trecnd prin zona de sarcin spaial, aceti purttori determin apariia unui curent IL al crui sens corespunde cu sensul curentului direct din jonciune. ( ) ( )( )} =a0a0 Le 1 R 1 dx x ~ I o u q u q (6.2) unde: q - randamentul cuantic de generare (numrul de perechi electron-gol generai pe numrul de fotoni incideni); a adncimea maxim de ptrundere a fluxului de fotoni n semiconductor. Electronii i golurile de neechilibru care tranziteaz zona de sarcin spaial determin apariia unui cmp electric orientat n sens invers cmpului intern. Bariera de potenial qVB (unde q este sarcina elementar) se va micora cu qVL (figura 6.1,b), ca i cnd jonciunea ar fi polarizat direct cu tensiunea VL (figura 6.2). nchiznd circuitul pe rezistena de sarcin RL rezult: VL = I RL (6.3) Ls LqVI I exp 1 IkT ( | |= | (\ . (6.4) unde Is este curentul de saturaie de ntuneric. n regim de gol ( ) 0LR ,I = din (6.4) rezult: LLsI kTV ln 1q I| |= + |\ . (6.5) Fig. 6.2. Jonciune pniradiat nchis perezistena de sarcin RLVLpnI0RLCAPITOLUL 6 __________________________________________________________________ 189 n regim de scurt (RL = 0, VL = 0) rezult LI I = Jonciunea semiconductoare din figura 6.2 poate fi utilizat n trei regimuri: - polarizare direct, figura 6.3,a (neindicat deoarece curentul direct al jonciunii mascheaz curentul IL produs de fotoni); - polarizare invers, figura 6.3,b (regimul de fotodiod); - fr polarizare, figura 6.3,c (regimul de celul solar). 6.3 Fotodiode semiconductoare Dac jonciunea semiconductoare este polarizat cu tensiunea invers U (regim de fotodiod) curentul prin jonciune va avea expresia: Ls LqV qUI I exp 1 IkT ( | |= | (\ . (6.6) Up nR- +0UIaUp nR- +0UIbIUp nRL0UIcIFig. 6.3. Cele trei regimuri de funcionare a unei jonciuni pn iradiate:a-polarizare direct;b-polarizare invers;c-fr polarizare.CAPITOLUL 6 190 ____________________________________________________________________ Alegnd LV U &gt;&gt; i kT qU &gt;&gt; expresia 6.6 devine: s LI I I = (6.7) Dac valoarea curentului de ntuneric Is tinde ctre zero, din relaia 6.2 rezult: 0 L~ I I u ~ (6.8) relaie de proporionalitate care se pstreaz aproximativ 9 ordine de mrime. Rezult deci c o fotodiod de calitate trebuie alimentat cu o tensiune invers ct mai mare n valoare absolut (aproape de limita de strpungere a jonciunii) i trebuie s aib un curent de ntuneric ct mai mic. Acest ultim deziderat se asigur prin urmtoarele: - folosirea unui semiconductor de nalt puritate, fr defecte n reeaua cristalin n special n zona de sarcin spaial, adic fr fenomene de generare recombinare n volumul acestei zone; - pasivarea suprafeelor libere ale jonciunii semiconductoare, deci reducerea la minim a conduciei de suprafa. Pentru o fotodiod se definete responsivitatea monocromatic 0LSIu= (6.9) care din (6.2) devine: ( )( )ae 1 R 1 ~ So q (6.10) Pentru o responsivitate ct mai mare trebuie acionat asupra celor trei factori ai relaiei (6.10). Randamentul cuantic de generare q , fr a lua msuri deosebite, este mai mare dect 0,9. IsIs+IL1Is+IL202010=0IUFig. 6.4. Dependenacurent-tensiune a uneifotodiodeCAPITOLUL 6 __________________________________________________________________ 191 Din pcate coeficientul de reflexie R este destul de mare (aproximativ 0,3) din cauza indicelui de refracie mare al materialelor semiconductoare folosite. Pentru reducerea coeficientului de reflexie se folosete, ntotdeauna, un strat antireflectant (figura 6.5). Dac se alege gro- simea acestui strat 011d4n= (6.11) coeficientul de re-flexie devine ( )( )221 0 2min 221 0 2n n nRn n n=+. Impunnd pentru stratul antireflectant un indice de refracie 1 0 2n n n = la lungimea de und 0 rezult Rmin = 0. n jurul acestei lungimi de und favorite coeficienii de reflexie au valori de ordinul 0,06 0,1. Pentru a ob-ine rezultate i mai bune se pot folosi dou stra- turi antireflectan-te (figura 6.6). Grosimile acestora se aleg : 011d4n= (6.12) strat antireflectant(AR)semiconductor0n0n1n2d1R 0Fig. 6.5. Strat antireflectant pesuprafaa semiconductoruluistrat antireflectant(AR1)strat antireflectant(AR2)semiconductor0n0n1n2n3d2d1R 0Fig. 6.6. Strat antireflectant dublu pesuprafaa semiconductoruluiCAPITOLUL 6 192 ____________________________________________________________________ 0224dn= (6.13) pentru care coeficientul de reflexie devine: ( )( )22 21 3 2 0min 22 21 3 2 0n n n nRn n n n=+ Alegnd materialele straturilor astfel nct 2 21 3 2 0n n n n = se obine la lungimea de und 0 un Rmin=0. n jurul acesteia Rmin=0,04 0,06. Tehnologia straturilor antireflectante, singura posibil, este destul de delicat n primul rnd prin natura materialelor care s aib indicele de refracie corespunztor (oxid, dioxid sau nitrur de siliciu, oxizi de aluminiu, titan sau tantal) i n al doilea rnd prin grosimea riguros controlat a stratului (sute de nanometri, relaiile (6.11) (6.13)). Din relaia (6.10) rezult c responsivitatea monocromatic S crete mult dac semiconductorul ales are un coeficient de absorbie mare pentru lungimile de und dorite ale fasciculului de fotoni. n figura 6.7 sunt reprezentate grafic depen-dena coeficientului de absorbie de lungimea de und pentru semicon-ductoarele Ge, Si, GaAs, In0,7Ga0,3As0,64P0,36. Pentru un semi-conductor care are coefi-cientul de absorbie 5 110 cm o = (de exemplu: Ga As la 00,7 m = ) dac zona de absorbie este a = 1m rezult: (cm-1)105104103102100,4 0,8 1,2 1,60 (m)GeSiGa AsIn0,7 Ga0,3 As0,64 P0,36Fig. 6.7 Dependena coeficientului de absorbie delungimea de und pentru unele semiconductoarefolosite pentru fotodiode.CAPITOLUL 6 __________________________________________________________________ 193 1 e 1 e 110 a~ = o Rezult, deci, necesitatea ca zona de sarcin spaial s fie ct mai mare, ceea ce este n concordan cu tensiunea invers mare aplicat structurii pentru liniaritatea rspunsului. O zon de sarcin spaial ntins asigur i un rspuns n frecven bun, absolut necesar n condiiile n care fibrele optice asigur debite de zeci de Gbit/s. Pentru a asigura o vitez de rspuns mare generarea perechilor de purttori trebuie s aib loc n regiunea de sarcin spaial unde cmpul imprimat de aproximativ 2 104 V/m asigur o vitez mare purttorilor (de exemplu n Siliciu cu viteza de drift de aproximativ 107cm/s, o zon de 10m este tranzitat n mai puin de 10 ps. Purttorii de sarcin generai de fotoni n regiunile neutre difuzeaz cu vitez mic afectnd rspunsul n domeniul timp (pe distana de 10m purttorii difuzeaz n Siliciu n aproximativ 40ns). Din punctul de vedere al vitezei de rspuns zona de sarcin spaial trebuie s fie ct mai ntins, astfel nct, s genereze n aceast zon perechi electron-gol. Acest deziderat poate fi ndeplinit pe dou ci: - o tensiune invers ct mai mare n valoare absolut care mrete dimensiunea zonei de sarcin spaial (n acelai timp mbuntind i liniaritatea rspunsului); - dotarea ct mai slab a zonei semiconductoare n care se ntinde sarcina spaial la limit chiar folosirea unui strat intrinsec ntre zonele neutre p i n (fotodiodele pin). Funcionarea n frecven a fotodiodelor este de asemenea limitat de valoarea constantei de timp RC jonct . LR R R = + 0ACWc c'= unde Rjonct. - rezistena jonciunii; CAPITOLUL 6 194 ____________________________________________________________________ A suprafaa zonei de sarcin spaial; Pentru micorarea constantei de timp se lucreaz cu rezistene de sarcin mici (RL aproximativ 25 50 ), cu tensiuni de polarizare invers mari (w mare) i cu suprafee A ct mai mici ( tehnologii de fabricaie MESA). 6.4 Structuri de fotodiode pe siliciu i pe monocristale AIII BV Primele structuri de fotodiode au fost realizate pe Siliciu pentru fereastra 1 a comunicaiilor pe fibr optic. Pe substrat n+ se crete epitaxial stratul intrinsec n care se difuzeaz zona p+. Zona de sarcin spaial cuprinde stratul foarte subire p+ i aproape n ntregime stratul intrinsec (lrgimea acestei zone w=2050m). Datorit lrgimii mari a benzii interzise (1,1 eV) caracteristica spectral a unei fotodiode pe Siliciu (figura 6.9) are maximul la aproximativ 0,85 m cu SM = 0,5 0,6 A/w. Pentru ferestrele 2 i 3 ale fibrei optice din SiO2 se folosete semiconductoarele AIII BV ternare sau cuaternare. i0AR-+n+substratp+ difuzatFig. 6.8 Structura unei fotodiode pe SiliciuiS0,7SM0,8 0,9 1 0(m)Fig. 6.9 Caracteristica spectral aunei fotodiode pe SiliciuCAPITOLUL 6 __________________________________________________________________ 195 n figura 6.10 sunt prezentate lrgimile benzii interzise ale compusului Gax In1-x Asy P1-y. Pentru fereastra 2 (0 = 1,3 m) trebuie folosit o compoziie cu iW 0,955eV A &lt; , iar pentru fereastra 3 (0 = 1,5 m) o compoziie cu iW 0,822eV A &lt; . n figura 6.11 sunt prezentate dou structuri de fotodiode AIII BV, ambele pornind de la un substrat n+InP. Zona de sarcin spaial cuprinde stratul foarte slab dotat n(pentru semiconductoarele AIII BV se obin tehnologic foarte greu zone intrinseci). Datorit substratului transparent de InP fasciculul de fotoni poate ptrunde n fotodiod att prin partea superioar, ct i prin cea inferioar a structurii. Varianta MESA, avnd o suprafa A a zonei 01AR-+Fig. 6.11 Structuri de fotodiode AIII BV :a varianta planar;b varianta MESA.AR02an+ In P (substrat)p+n In Ga Asn- In Ga As (zonade sarcin spaial)n In P (buffer)+AR02- 01ARn+ In P (substrat)p+ In Ga As Pn- In Ga As (zonade sarcin spaial)bFig. 6.10. Lrgimea benzii interzise asemiconductorului Gax In1-x Asy P1-y0,50,511 xInPGaPGa AsIn As0,6 eV0,8 eV1 eV1,4 eV1,8 eVyCAPITOLUL 6 196 ____________________________________________________________________ de sarcin spaial mai mic poate funciona la frecvene modulatoare mari (zeci de Gbit/s). 6.5 Fotodiode cu avalane Fotodiodele sunt generatoare de curent, iar datorit valorii mici a rezistenei RL (pentru a obine viteze mari), tensiunea de ieire este mic necesitnd amplificare destul de puternic. Din acest motiv este normal dorina de amplificare a semnalului electric prin multiplicarea n avalan a purttorilor generai de fluxul de fotoni. n acest scop, dispozitivul trebuie s conin o regiune cu cmp electric foarte intens pentru multiplicarea n avalan a purttorilor de sarcin fotogenerai. O structur posibil este reprezentat n figura 6.12. Zona p este o zon ngropat obinut obinuit prin implantare ionic. Pentru a obine o uniformitate a multiplicrii n avalan a purttorilor trebuie asigurat un cmp suficient de mare n materiale semiconductoare fr defecte. i0-+n+Fig. 6.12. Structura unei fotodiode pin cu avalan realizat pe Siliciu idistribuia cmpului electric pe verticala acestei structuri.ARp+pn nWzzona dedriftzona deamplificareECAPITOLUL 6 __________________________________________________________________ 197 Cmpul n zona de drift trebuie s fie i el mare (pentru a obine un timp de tranzit mic), dar principala cdere de tensiune trebuie realizat pe zona pn+ care asigur multiplicarea n avalane. Factorul de multiplicare are expresia nstr1MU1U=| | |\ . (6.14) unde Ustr - tensiune de strpungere invers a structurii; n exponent empiric (n</p>