-
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
iE .
Aplicnd un flux de fotoni o acestei structuri, o parte din acest
flux
va fi reflectat ( oR unde R este coeficientul de reflexie
depinznd de
lungimea de und a radiaiei), n semiconductor penetrnd la x = 0
fluxul
o 1 R .
Dac W , acest flux va fi absorbit n semiconductor genernd
perechi electron gol (fie coeficientul de absorbie).
Deci n adncime rezult:
xox 1 R e
(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
iE iE
-
CAPITOLUL 6
188
____________________________________________________________________
Purttorii de sarcin minoritari de neechilibru generai de o parte
i
de alta a zonei de sarcin spaial de ctre x 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.
a
0
a
0L e1R1dxx~I
(6.2)
unde: - 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 L
qVI I exp 1 I
kT
(6.4)
unde Is este curentul de saturaie de ntuneric.
n regim de gol 0LR ,I din (6.4) rezult:
LL
s
IkTV ln 1
q I
(6.5)
Fig. 6.2. Jonciune pniradiat nchis perezistena de sarcin RL
VL
p n
I
0
RL
-
CAPITOLUL 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 L
qV qUI I exp 1 I
kT
(6.6)
U
p n
R
-+
0
U
I
a
U
p n
R
- +
0
U
I
b
I
U
p n
RL
0
U
I
c
I
Fig. 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 LVU i kTqU expresia 6.6 devine:
s LI I I (6.7)
Dac valoarea curentului de
ntuneric Is tinde ctre zero, din relaia 6.2
rezult:
0L ~II (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
0
L
SI
(6.9)
care din (6.2) devine:
ae1R1~S (6.10)
Pentru o responsivitate ct mai mare trebuie acionat asupra celor
trei
factori ai relaiei (6.10).
Randamentul cuantic de generare , fr a lua msuri deosebite,
este mai mare dect 0,9.
Is
Is+IL1
Is+IL202
01
0=0I
U
Fig. 6.4. Dependenacurent-tensiune a uneifotodiode
-
CAPITOLUL 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
01
1
d4n
(6.11)
coeficientul de re-
flexie devine
22
1 0 2
min 22
1 0 2
n n nR
n 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 :
01
1
d4n
(6.12)
strat antireflectant(AR)
semiconductor
0n0
n1
n2
d1
R 0
Fig. 6.5. Strat antireflectant pesuprafaa semiconductorului
strat antireflectant(AR1)
strat antireflectant(AR2)
semiconductor
0n0
n1
n2
n3
d2
d1
R 0
Fig. 6.6. Strat antireflectant dublu pesuprafaa
semiconductorului
-
CAPITOLUL 6
192
____________________________________________________________________
02
24d
n
(6.13)
pentru care coeficientul de reflexie devine:
22 2
1 3 2 0
min 22 2
1 3 2 0
n n n nR
n 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 (de exemplu: Ga As la 0 0,7 m )
dac
zona de absorbie este a = 1m rezult:
(cm-1)
105
104
103
102
10
0,4 0,8 1,2 1,6 0 (m)
Ge
SiGa As
In0,
7 G
a 0,3 A
s 0,6
4 P
0,36
Fig. 6.7 Dependena coeficientului de absorbie delungimea de und
pentru unele semiconductoare
folosite pentru fotodiode.
-
CAPITOLUL 6
__________________________________________________________________
193
1e1e1 10a
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 2104 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
0 ACW
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.
i
0 AR-
+
n+substrat
p+ difuzat
Fig. 6.8 Structura unei fotodiode pe Siliciu
i
S
0,7
SM
0,8 0,9 1 0(m)
Fig. 6.9 Caracteristica spectral a
unei fotodiode pe Siliciu
-
CAPITOLUL 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 , iar pentru fereastra
3 (0 = 1,5 m) o compoziie cu
iW 0,822eV .
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.
AR02
a
n+ In P (substrat)
p+n In Ga As
n- In Ga As (zona
de sarcin spaial)
n In P (buffer)
+AR
02
-01AR
n+ In P (substrat)
p+ In Ga As P
n- In Ga As (zona
de sarcin spaial)
b
Fig. 6.10. Lrgimea benzii interzise a
semiconductorului Gax In1-x Asy P1-y
0,5
0,5
1
1 xInP
GaP
Ga AsIn As
0,6
eV
0,8
eV
1 e
V
1,4
eV
1,8
eV
y
-
CAPITOLUL 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.
i
0-
+n+
Fig. 6.12. Structura unei fotodiode pin cu avalan realizat pe
Siliciu i
distribuia cmpului electric pe verticala acestei structuri.
AR
p+
p
nn
W
z
zona de
drift
zona de
amplificare
E
-
CAPITOLUL 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
n
str
1M
U1
U
(6.14)
unde Ustr - tensiune de strpungere invers a structurii;
n exponent empiric (n
-
CAPITOLUL 6
198
____________________________________________________________________
F M -factorul de zgomot n exces depinznd de caracteristica
jonciunii.
La folosirea fotodiodelor cu multiplicare n avalane nu
trebuie
neglijat faptul c din dorina unui
factor de multiplicare ct mai mare
se lucreaz aproape de tensiunea de
strpungere. Dei se folosesc inele
de gard, iar driverele sunt pro-
iectate cu grij, pericolul distrugerii
fotodiodei prin strpungere rmne
foarte mare.
6.6 Celule solare
Structura unei celule solare este prezentat n figura 6.15
mpreun
cu caracteristica sa curent tensiune.
Fasciculul de fotoni genereaz, n zona de sarcin spaial,
perechi
electroni-gol care sub aciunea cmpului intern E conduc la
apariia unui
potenial la borne.
20
F(M)
W(m)
10
0 2 4 6 8
Fig. 6.14 Dependena factorului de zgomot n exces de lrgimea
zonei de sarcin spaial.
M=100
0 I
AR
RL
U n
i
p
I
U
VL
IL arctg. RL
Fig. 6.15. Structura unei celule solare i
caracteristica sa curent-tensiune
-
CAPITOLUL 6
__________________________________________________________________
199
n gol (I = 0) acest potenial are expresia 6.5
LL
s
IkTV 1
q I
Energia generat n gol nu poate depi energia benzii interzise
(figura 6.1,a):
L iqV W
Deci pentru Siliciu cu iW 1,1eV potenialul n gol VL nu poate
depi aproximativ 1V pe celul. Pentru a obine poteniale mai
mari
celulele solare se nseriaz.
Cel mai mare curent se obine n regimul de scurtcircuit (V =
0)
situaie n care I = -IL.
n regim de sarcin se urmrete pe caracteristica curent
tensiune
(figura 6.15) un punct de funcionare n cadranul IV pentru care
se poate
obine cea mai mare putere electric la ieire Pemax. . Se definete
eficiena
conversiei:
emaxe
0
P
Eficiena este cu att mai mare cu ct a1 R 1 e este mai
mare.
Primele celule solare au fost realizate pe Siliciu
monocristalin, dar
eficiena acestuia este n jur de 25% (cu lrgimea benzii interzise
de1,1 eV
acesta nu folosete pentru conversie dect fotonii cu 0 1,13 m ).
n plus,
preul de cost este mare mai ales atunci cnd pentru cureni mari
sunt
necesare panouri solare cu suprafee mari.
Pentru scderea preului de cost se folosete Siliciul
policristalin dar
datorit densitii mari a defectelor eficiena de conversie scade
la
aproximativ 10% (Siliciul policristalin are lrgimea benzii
interzise de
-
CAPITOLUL 6
200
____________________________________________________________________
1,7eV, deci folosete din spectrul solar numai fotonii cu 0 0,73
m ).
Un material semiconductor mult cercetat este Cu In Se2 cu
lrgimea
benzii interzise de 0,92eV (deci, folosind pentru conversie
fotoni pn la
lungimea de und 1,35m.
Bine neles c o soluie foarte bun este utilizarea semicon-
ductoarelor ternare sau cuaternare AIII BV , cu lrgimi ale
benzii interzise
mai mici, deci folosind mai eficient ntreg spectrul, ns preul de
cost al
acestora este prohibitiv deocamdat pentru bunuri de larg consum
(se
folosesc, n prezent, pentru spaiul cosmic prezentnd i o durat de
via
mult mai mare dect celulele solare pe siliciu).
6.7 Bibliografie
J. M. Senior. Optical Fiber Communications, New York,
Prentice Hall, 1992, Cap. 10: Optical amplification and
integrated optics, p.
512-579.
*** Ultrafast Pulse Amplification In: J. Select. Topics
Quantum
Electron, vol. 4, nr. 2, martie/aprilie 1998, p. 376-469.
P. Vavelink i alii. Theoretical Analysis of the Photocurent
Dark Decay in Photorefractive Media, In: IEEE J. Quantum
Electron, vol.
36, nr. 6, iunie 2000, p. 692-697.
V. Boucher, A. Sharaiha. Spectral Properties of Amplified
Spontaneous Emission in Semiconductor Optical Amplifiers, In:
IEEE J.
Quantum Electron, vol. 36, nr. 6, iunie 2000, p. 708-720.
D. Cassioli i alii. A Time-Domain Computer Simulator of the
Nonlinear Response of Semiconductor Optical Amplifier, In: IEEE
J.
Quantum Electron, vol. 36, nr. 9, septembrie 2000, p.
1072-1080.
-
CAPITOLUL 6
__________________________________________________________________
201
D. Ban, E. H. Sayent. Influence of Nonuniform Carrier
Distribution on the Polarization Dependence of Model Gain in
Multiquantum-Well Lasers and Semiconductor Optical Amplifiers,
In:
IEEE J. Quantum Electron, vol. 36, nr. 9, septembrie 2000, p.
1081-1088.
J. M. Tang i alii. Pump-Power Dependence of Transparency
Characteristic in Semiconductor Optical Amplifiers, In: IEEE J.
Quantum
Electron, vol. 36, nr. 12, decembrie 2000, p. 1462-1467.
E. S. Bjrlin i alii. Long Wavelength Vertical-Cavity
Semiconductor Optical Amplifiers, In: IEEE J. Quantum Electron,
vol. 37,
nr. 2, februarie 2001, p. 274-281.
S. Blaser i alii. Characterisation and Modeling of Quantum
Cascade Laser Based on a Photon-Assistead Tunneling Transition
In: IEEE
J. Quantum Electron, vol. 37, nr. 3, martie 2001, p.
448-455.
H. A. Hans. Optimum Noise Performance of Optical
Amplifiers, In: IEEE J. Quantum Electron, vol. 37, nr. 6, iunie
2001, p.
813-823.
*** Ultrafast Phenomena and Their Applications, In: J.
Select.
Topics Quantum Electron, vol. 7, nr. 4, iulie/august 2001, p.
501-744.
G. H. Duan, E. Georgiev. Non-White Photodetection Noise at
the Output of an Optical Amplifier: Theory and Experiment, In:
IEEE J.
Quantum Electron, vol. 37, nr. 8, august 2001, p. 1008-1014.
P. Vavelink i alii. An Electron-Hole Transport Model for the
Analysis of Photorefractive Harmonic Gratings, In: IEEE J.
Quantum
Electron, vol. 37, nr. 8, august 2001, p. 1040-1049.
J. Yu, P. Jeppesen. Increasing Input Power Dynamic Range of
SOA by Shifting the Transparent Wavelength of Tunable Optical
Filter, In:
IEEE J. Lightwave Technol., vol. 19, nr. 9, septembrie 2001, p.
1316-1325.
-
CAPITOLUL 6
202
____________________________________________________________________
M. Achtenhagen i alii. Gain and Noise in
Ytterbium-Sensitized
Erbium Doped Fiber Amplifiers: Measurements and Simulations, In:
IEEE
J. Lightwave Technol., vol. 19, nr. 10, octombrie 2001, p.
1521-1526.
L. Occhi i alii. Intraband Gain Dynamics in Bulk
Semiconductor Optical Amplifiers: Measurements and Simulations,
In:
IEEE J. Quantum Electron, vol. 38, nr. 1, ianuarie 2002, p.
54-60.
E. S. Bjrlin, J. E. Bowers. Noise Figure of Vertical-Cavity
Semiconductor Optical Amplifiers, In: IEEE J. Quantum Electron,
vol. 38,
nr. 1, ianuarie 2002, p. 61-66.
E. V. Vanin i alii. Spectral Functional Forms for Gain and
Noise Characterization of Erbium-Doped Fiber Amplifiers, In:
IEEE J.
Lightwave Technol., vol. 20, nr. 2, februarie 2001, p.
250-254.
P. Royo i alii. Vertical Cavity Semiconductor Optical
Amplifiers: Comparison of Fabry-Perot and Ratte Equation
Approaches,
In: IEEE J. Quantum Electron, vol. 38, nr. 3, martie 2002, p.
279-284.
K. Dreyer i alii. High Gain Mode-Adapted Semiconductor
Optical Amplifier with 12.4 dBm Saturation Output Power at 1550
nm, In:
IEEE J. Lightwave Technol., vol. 20, nr. 4, aprilie 2002, p.
718-721.
H. Shi. Performance Analysis on Semiconductor Laser
Amplifier Loops Mirrors, In: IEEE J. Lightwave Technol., vol.
20, nr. 4,
aprilie 2002, p. 682-688.
A. Mosi i alii. 1.58 m Broad-Band Erbium-Doped Tellurite
Fiber Amplifier, In: IEEE J. Lightwave Technol., vol. 22, nr. 5,
mai 2002,
p. 822-827.