PHOTODETECTOR. Ref : Keiser. Fakultas Teknik Elektro 1

PHOTODETECTOR Ref : Keiser

Fakultas Teknik Elektro

1

Detektor Silikon PIN Fakultas Teknik Elektro

2

Syarat foto detektor • • • • • • •

High response atau sensitifitas Noise rendah Respon cepat atau bandwidth lebar Tidak sensitif thd variasi suhu Kompatibel dgn fiber Murah Tahan lama


3

Detektor foto yg ada • Photomultiplier (photocathode + multiplier dlm vacum tube) • Pyroelectric detector (konversi photon ke panas  konstanta dielektrik) • Semiconductor-based photoconductor (pin dan APD) cocok u fiber optik.


4


5

PHOTO MULTIPLIER TUBE


6

Detektor PIN

Konfigurasi detektor PIN Fakultas Teknik Elektro

7

Sirkit dioda foto pin diberi tegangan mundur


8

Diagram pita energi dioda foto pin

Photon datang memiliki energi ≥ energi band-gap  photon akan memberikan energinya dan membangkitkan elektron (di depletion region) dr pita valensi ke pita konduksi  photocarrier. Fakultas Teknik Elektro

9

Carrier bermuatan mengalir melalui material, beberapa pasangan elektron-hole berekombinasi dan hilang. Elektron bergerak sejauh Ln sedang hole bergerak sejauh Lp. Jarak tsb disebut panjang difusi. Waktu yg dibutuhkan berekombinasi disebut carrier lifetime, elektron selama  n dan hole selama  p.

Ln 

Dn n

Lp 

D p p

Dn : koefisien difusi elektron Dp : koefisien difusi hole Fakultas Teknik Elektro

10

Radiasi optis yg diserap material semikonduktor :

P( x)  P0 (1  e

 S (  ) x

)

αs(λ) : koefisien absorbsi pd panj gel λ P0 : daya optis datang P(x) : daya optis diserap sejauh x Upper wavelength cutoff :

hc 1,24 C ( m)   Eg Eg (eV ) Panj gel cutoff Si sekitar 1,06 μm, dan Ge sekitar 1,6 μm


11

Koefisien absorbsi sbg fungsi panj gelombang Fakultas Teknik Elektro

12

Contoh Dioda-foto terbuat dr GaAs, memiliki energi band gap 1,43 eV pd 300o K. Panjang gel cutoff :

C atau







hc 6,625 x10 34 J .s 3x108 m / s    0,869m 19 1,43eV  1,6 x10 J / eV Eg

C 





1,24  0,867 m 1,43

Dioda-foto tidak akan beroperasi utk photon dng panjang gelombang lebih dari 867 nm Fakultas Teknik Elektro

13

Jika daerah deplesi memiliki lebar w, maka daya diserap :

P(w)  P0 (1  e

 S w

)

Jika memperhatikan reflektifitas permukaan diodafoto Rf, maka arus foto primer Ip :

Ip

q  S w  P0 (1  e )1  R f  hf

q : muatan elektron hf : energi photon


14

Efisiensi kuantum : Jumlah elektron hole yg dibangkitkan η = -------------------------------------------------------- = Jumlah photon datang

Ip / q P0 / hf

Responsivitas :

 

Ip P0



q

[A/W]

hf

Parameter ini sangat berguna karena menspesifikasikan arus foto yg dibangkitkan tiap satuan daya.


15

Perbandingan responsivitas dan efisiensi kuantum sbg fungsi panj gel Fakultas Teknik Elektro

16

Contoh InGaAs pd panj gel 1100 nm < λ < 1600 nm, memiliki efisiensi kuantum 60 %. Berapa responsivitasnya pd panj gel 1300 nm ? Jika daya optis yg datang 10 μW, berapa arus foton yg dibangkitkan ?


17

Avalanche Photodiode (APD)


18

Avalanche Photodiode APD secara internal melipat gandakan arus foto sinyal primer sebelum memasuki sirkit penguat  meningkatkan sensitifitas penerima. Mekanisme pelipatgandaan elektron/hole disebut impact ionization.

Carrier baru yg dibangkitkan juga dipercepat oleh medan listrik kuat, shg menguatkan energi utk impact ionization selanjutnya. Phenomena tsb disebut efek avalanche.

Dibawah tegangan breakdown jumlah carrier yg dibangkitkan tertentu, sedangkan diatas tegangan breakdown carrier yg dibangkitkan dpt tak terbatas.


19

Konstruksi p+πpn+ reach-through APD (RAPD) p-type : resistivitas tinggi p+ : heavily doped p-type n+ : heavily doped n-type π : bahan intrinsik tdk murni krn kurang hati2 shg tercampur p doping Fakultas Teknik Elektro

20

Electrode

R

Ip h

SiO 2 E

h > Eg

e– n+ p

h+

š

 n et

(a)

p+

Electrode

(b) x

E(x) (c) x Absorption region Avalanche region

(a) A schematic illustration of the structure of an avalanche photodiode (APD) biased for avalanche gain. (b) The net space charge density across the photodiode. (c) The field across the diode and the identification of absorption and multiplication regions. © 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)


21

E

E

e–

h+

e–

Ec Ev

h+

n+

p

š

Avalanche region

(b)

(a)

(a) A pictorial view of impact ionization processes releasing EHPs and the resulting avalanche multiplication. (b) Impact of an energetic conduction electron with crystal vibrations transfers the electron's kinetic energy to a valence electron and thereby excites it to the conduction band. © 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

EHP : Electron Hole Pair Fakultas Teknik Elektro

22

Electrode

SiO 2

Antireflection coating n+ p š

(a)

Guard ring

n

Avalanche breakdown

n+ p

n

š

(b) p+

p+

Substrate

Substrate Electrode

Electrode

(a) A Si APD structure without a guard ring. (b) A schematic illustration of the structure of a more practical Si APD © 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)


23

Vr Ip h Electrode

InP

InP

EE

h

R

InGaA s

Vout

e– h+

P+ E(x)

N

n

Avalanche region

n+ Absorption region x

Simplified schematic diagram of a separat e absorpt ion and multiplicat ion (SAM) APD using a heterostructure based on InGaAs-InP. P and N refer t o p and n -t ype wider-bandgap semiconductor. © 1999 S.O. K asap,Optoelectronics(P rentice H all)


24

Pd penggunaan normal RAPD bekerja pd modus depleted penuh. Cahaya memasuki device mel daerah p+ dan diserap bahan π yg bekerja sbg daerah pengumpul carrier yg dibangkitkan oleh photon.

Saat diserap photon memberikan energi, shg membangkitkan pasangan elektron-hole yg kemudiandipisahkan oleh medan listrik di daerah π. Elektron yg dibangkitkan oleh photon bergeser dr daerah π ke pn+ junction yg terdapat medan listrik kuat. Pd daerah medan listrik kuat terjadi pelipat gandaan carrier.


25

Ionization rate : jumlah rata2 pasangan elektron-hole yg dibangkitkan persatuan jarak tempuh. Banyak bahan memiliki laju ionisasi elektron α berbeda dng laju ionisasi hole β. Perbandingan k = β/α merupakan ukuran unjuk kerja photodetector. Faktor multiplikasi :

IM M  IP

IM : rata2 arus keluaran multiplikasi total IP : arus foto tanpa multiplikasi primer Dlm praktek mekanisme avalanche adalah proses statistik, krn tidak semua pasangan carrier yg dibangkitkan dlm dioda menghasilkan multiplikasi sama == > M : harga rata2.

Responsivitas :

 APD 

q hf

M  0 M


26

Laju ionisasi hasil percobaan Fakultascarrier Teknik Elektro

27

Contoh Suatu APD memiliki efisiensi kuantum 65 % pd panj gel 900 nm. Jika daya optis 0,50 μW menghasilkan arus foto multiplikasi 10 μA, berapa faktor multiplikasi M ?


28

Pengaruh teg bias thd penguatan arus Fakultas Teknik Elektro

29

Ping-Pong (Full-Duplex) LED


30

PHOTODETECTOR. Ref : Keiser. Fakultas Teknik Elektro 1

Recommend Documents