PHOTODETECTOR NOISE Ref : Keiser
1
Noise Detektor Foto S Daya sinyal dr arus foto --- = -----------------------------------------------------------------N Daya noise detektor foto + daya noise penguat Sumber noise di penerima meningkat dr noise detektor foto akibat dr sifat alami proses konversi photon-elektron dan noise termal di sirkit penguat. Utk mendapatkan S/N tinggi : (a) Detektor foto harus memiliki efisiensi kuantum yg tinggi utk membangkitkan sinyal besar. (b) Noise detektor foto dan penguat harus sekecil mungkin. Sensitivitas detektor foto : daya optis minimal yg dpt dideteksi. 2
Sumber Noise
(a) Model sederhana penerima detektor foto. (b) Sirkit ekivalen Rs : tahanan seri kecil (Rs << RL) Î dlm praktek diabaikan Cd : kapasitansi total (junction + wadah) RL : tahanan bias atau beban Ca : kapasitansi input penguat Ra : tahanan input penguat
3
Arus foto primer dibangkitkan :
i ph (t ) =
ηq hf
P (t )
P(t) : Daya optis sinyal bermodulasi Arus foto primer terdiri dr arus dc Ip, arus foto rata2 berasal dr daya sinyal dan komponen sinyal ip(t). Utk dioda pin arus sinyal mean square :
is2 = i p2 (t ) Utk dioda avalanche arus sinyal mean square :
is2 = i p2 (t ) M 2 4
Utk sinyal input bervariasi sinusoida dgn indeks modulasi m, komponen sinyal :
i (t ) 2 p
m2 2 = Ip 2
m : indeks modulasi Noise detektor foto tanpa internal gain : (a) Quantum/shot noise Î sifat alami statistik (b) Durk current Î tdk ada cahaya datang (c) Surface leakage current Î kerusakan permukaan
5
Arus noise kuantum mean square :
iQ2 = 2qI p BM 2 F (M ) B : Lebar pita F(M) : noise figure F(M) = Mx , 0 ≤ x ≤ 1,0, tergantung bahan Detektor pin Î M = 1, Î F(M) = 1 Arus bulk dark mean square : 2 iDB = 2qI D BM 2 F (M )
ID : arus bulk dark detektor primer (tanpa perkalian)
6
Surface leakage current (surface dark current) mean square:
i
2 DS
= 2qI L B
IL : arus bocor permukaan Arus noise detektor foto total mean square :
iN2
2 2 = iQ2 + iDB + iDS
iN2
= 2q(I P + I D )BM 2 F (M ) + 2qI L B
Utk penyederhanaan Ra >> RL Î kontribusi tahanan beban detektor foto : 2 T
i
4 k BT = B RL
kB : kontanta Boltzman 7
Perbandingan arus dark dioda foto Si, Ge, GaAs dan InGaAs sbg fungsi normalisasi teg bias. 8
Perbandingan sinyal thd noise i p2 M 2
S = N 2q (I P + I D )BM 2 F (M ) + 2qI L B + 4k BTB / RL Pin Î noise termal dominan APD Î noise detektor dominan F(M) : fungsi M, S : fungsi M2, noise kuantum dan arus dark : fungsi M2F(M) Î ada harga S/N optimum. M optimum :
M
x+2 opt
2qI L + 4k BT / RL = xq(I p + I D ) 9
Contoh Dioda foto pin GaAs memiliki parameter pd panj gel 1300 nm : ID = 4 nA, η = 0,65, RL = 1000 Ohm dan IL diabaikan. Daya optis datang 300 nW, lebar pita penerima 20 MHz, T =300o K. Hitunglah : (a) Arus foto primer (b) Noise2 di penerima. (c) S/N jika m = 0,8
10
Waktu Respon Detektor Depletion layer photocurrent
Skema tegangan mundur dioda foto pin 11
Kondisi steady state rapat arus total mengalir melalui lapisan deplesi tegangan mundur :
J tot = J dr + J diff Jdr : rapat arus drift dihasilkan oleh carrier yg dibangkitkan dlm daerah deplesi Jdiff : rapat arus difusi timbul dr carrier yg dihasilkan diluar daerah deplesi dlm semikonduktor (daerah n dan p) dan berdifusi kedalam junction teg mundur. Rapat arus drift :
J dr = φ0 =
Ip A
(
= qφ0 1 − e −α x w
)
P0 (1 − R f ) Ahf
A : luas dioda foto Φ0 : photon flux datang per satuan luas
12
Permukaan lapisan p dioda foto pin umumnya tipis. Arus difusi akan ditentukan oleh difusi hole dr bulk daerah n. Difusi hole dapat dihitung dr :
pn − pn 0 ∂ 2 pn Dp − + G(x ) = 0 2 ∂x τp G ( x ) = φ0α s e −α x x Dp : koefisien difusi Pn : konsentrasi hole di bahan tipe-n tp : excess hole life time Pn0 : rapat hole kondisi seimbang/equilibrium G(x) : laju pembangkitan elektron-hole 13
Shg rapat arus difusi :
J diff
α s Lp Dp −α w = qφ0 + qpn 0 e 1 + α s Lp Lp s
Rapat arus total mengalir melalui lapisan deplesi tegangan mundur :
J tot
−α s w ⎞ ⎛ Dp e ⎟ ⎜ + qpn 0 = qφ 0 1 − ⎟ ⎜ 1 + α s Lp ⎠ Lp ⎝
Pn0 umumnya kecil shg arus foto yg dibangkitkan total sebanding dgn photon flux Φ0 14
Waktu Respon •
Faktor waktu respon dioda foto : – – –
•
Waktu transit carrier foto di daerah deplesi Waktu difusi carrier fotoyg dibangkitkan diluar daerah deplesi Konstanta waktu RC dioda foto dan sirkit yg berkaitan
Parameter yg berpengaruh thd faktor tsb : – – – – – – –
Koefisien absorbsi αs Lebar daerah deplesi w Kapasitansi junction dan dioda foto Kapasitansi penguat Tahanan beban detektor Tahanan masukan penguat Tahanan seri penguat 15
Respon dioda foto thd pulsa masukan optis
16
Waktu respon suatu dioda foto yg tidak dideplesi penuh
17
Respon pulsa dioda foto dr berbagai parameter detektor 18
Variasi faktor noise electron excess sbg fungsi dr penguatan elektron utk berbagai harga perbandingan laju ionisasi efektif keff 19
Pengaruh Suhu pd Penguatan APD Mekanisme penguatan APD sangat sensitif thd suhu krn ketergantungan laju ionisasi elektron dan hole. Ketergantungan tsb sangat kritis pd teg bias tinggi.
1 M = n 1 − (V / VB ) V = Va − I M RM
VB (T ) = VB (T0 )[1 + a(T − T0 )] n(T ) = n(T0 )[1 + b(T − T0 )]
20
VB : Teg breakdown saat M menjadi tak hingga n : tgt material, nilai 2,5 – 7 Va : teg bias mundur detektor IM : arus foto multiplied RM : tahanan seri foto dioda dan beban detektor a, b : konstanta, positip utk RAPD dan ditentukan dr grafik percobaan penguatan thd suhu.
21
Pengaruh suhu terhadap penguatan APD silikon pd 825 nm 22
