Hvað er ljósnemi?

Ljósnemi (PD) breytir mótteknumsjónræntmerki yfir í rafmerki og lýkur þannig umbreytingu ljósmerkja-í-rafmagns. Grunnkröfur fyrir PD eru:

1) Það hefur nægilega mikla svörun við vinnubylgjulengd kerfisins, sem þýðir að það getur gefið út stærsta mögulega ljósstraum fyrir tiltekið innfallsljósafl.

2) Það hefur nægilega hraðan viðbragðshraða, hentugur fyrir há-hraða eða breiðbandskerfi.

3) Það hefur minnsta mögulega hávaða til að lágmarka áhrif tækisins á merkið.

4) Þeir eru með litla stærð og langan endingartíma.

Eins og er, eru tveir algengir hálfleiðara ljósnemar: PIN ljósdíóða (PIN-PD) og snjóflóðaljósdíóða (APD). Þessi hluti kynnir aðallega meginreglur, frammistöðuvísa og tvær algengar gerðir ljósnema.

◇PIN ljósdíóða

Ljósnemar nýta ljósrafmagnsáhrif hálfleiðaraefna til að ná fram ljósumbreytingu. Ljósrafmagnsáhrif hálfleiðaraefna eru sýnd á myndinni hér að neðan.

Photodetector

Þegar orka hv á innfallsljóseindinni er minni en bandbilið E, munu ljósrafmagnsáhrifin ekki eiga sér stað óháð styrk innfallsljóssins. Það er, eftirfarandi skilyrði verða að vera uppfyllt til að ljósrafmagnsáhrifin komi fram:

Með öðrum orðum, innfallsljós með tíðni v < E/h getur ekki framkallað ljósrafmagnsáhrif. Umbreytir v í bylgjulengd, λc=hc/E. Það er, aðeins innfallandi ljós með bylgjulengd λ < λc getur myndað ljósmyndaða burðarefni í þessu efni. Þess vegna er λc hámarksbylgjulengd innfallsljóss sem þarf til að framleiða ljósafmagnsáhrifin, einnig þekkt sem cutoff-bylgjulengd, og samsvarandi v er kallað cutoff-tíðni. Hver ljóseind sem er frásoguð af hálfleiðara efni myndar rafeinda-holapar. Ef rafsviði er lagt á hálfleiðaraefnið mun rafeinda-gatparið ferðast í gegnum hálfleiðaraefnið og mynda ljósstraum.

Auk þess að hafa afmörkunarbylgjulengd minnkar umbreytingarvirkni ljósdíóðunnar þegar innfallsbylgjulengd ljóssins er of stutt. Í ljósdíóðu frásogast innfallandi ljóseindir og mynda rafeinda-gatapör. Þegar fjarlægðin x=0 er ljósaflið P(0). Eftir fjarlægð x er frásogað ljósafl:

Í formúlunni er (λ) frásogsstuðull efnisins, sem er fall af bylgjulengd.

Þegar innfallsbylgjulengd ljóssins er mjög stutt er frásogsstuðull efnisins mjög stór. Fyrir vikið frásogast mikill fjöldi ljóseinda á yfirborði ljósdíóðunnar, sem skapar núll-rafsviðssvæði-. Rafeinda-gatapör sem myndast hér verða fyrst að dreifast í eyðingarlagið áður en þeim er safnað af ytri hringrásinni. Hins vegar, á þessu svæði, hafa minnihlutaberar mjög stuttan líftíma og dreifast mjög hægt og sameinast oft áður en þeim er safnað. Þetta dregur úr skilvirkni ljósnemans. Þess vegna hafa ljósdíóða úr ákveðnum efnum ákveðið bylgjulengdarviðbragðssvið. Til dæmis er bylgjulengdarviðbragðssvið Si ljósdíóða 0,5–10 μm og InGaAs ljósdíóða er 1,1–1,6 μm.

Photodetector

Innfallsljós (afl P) inniheldur mikinn fjölda ljóseinda. Hlutfall fjölda ljóseinda sem hægt er að breyta í ljósstraum og heildarfjölda ljóseinda sem falla inn er kallað skammtanýtni, sem er reiknuð út með eftirfarandi formúlu:

info-728-109

Í formúlunni er rafeindahleðslan,=1.6 × 10⁻¹ gráðu; I er myndastraumurinn; h er fasti Plancks; og v er tíðni ljóseindarinnar. Skammtanýtingin er á bilinu 50% til 90%.

Ef endurspeglun innfallsyfirborðsins er r og rafeinda-gatapörin sem myndast í núll-rafmagns-flatarlaginu er ekki hægt að umbreyta í ljósstraum og innfallsljósið er P(0), þá er ljósstraumurinn:

info-698-59

Í formúlunni er frásogsstuðull núll-sviðssvæðisins og eyðingarlagsins, er þykkt núll-sviðssvæðisins og er breidd eyðingarlagsins. Hagkvæmnin er þá:

info-676-57

Hlutfall ljósstraums og innfallsljósafls í ljósnema er kallað svörun (mæld í A/W).

info-523-67

Þessi eiginleiki gefur til kynna skilvirkni ljósnemarans við að umbreyta ljósmerkjum í rafmerki. Dæmigert gildi fyrir R eru á bilinu 0,5 til 1,0 A/W. Til dæmis er R gildi fyrir Si ljósnema 0,65 A/W við bylgjulengd 900 nm; R gildið fyrir Ge ljósnema er 0,45 A/W (við 1300 nm); og svörun InGaAs er 0,9 A/W við 1300 nm og 1,0 A/W við 1550 nm.

Fyrir tiltekna bylgjulengd er svörunin fasti, en hún er ekki stöðug þegar litið er til stórs bylgjulengdarsviðs. Þegar bylgjulengd innfallsljóssins eykst minnkar orka ljóseindanna sem falla inn og þegar hún er minni en bandbilið lækkar svörunin hratt við afmörkunarbylgjulengdina.

Til þess að mynda ljósmynduð burðarefni verður orka ljóseindarinnar að vera meiri en bandbil ljósnemaefnisins. Þetta ástand má lýsa sem hér segir:

info-562-92

Í formúlunni er λ skurðarbylgjulengdin.

Með öðrum orðum, fyrir tiltekið hálfleiðara greiningarefni, er aðeins hægt að greina ljós með bylgjulengd styttri en afmörkunarbylgjulengd, og skammtavirkni skynjarans er breytileg eftir bylgjulengd; þessi eiginleiki er kallaður svörunarróf. Þess vegna eru ljósnemar ekki alhliða og svörunarróf mismunandi efna eru mismunandi. Almennt notuð ljósrafmagns hálfleiðaraefni eru Si, Ge, InGaAs, InGaAsP og GaAsP og svörunarróf þeirra eru sýnd á mynd x.

Photodetector

Hraðinn sem ljósstraumurinn sem myndaður er af ljósdíóða fylgir ljósmerkinu á innfalli er venjulega gefinn upp sem viðbragðstími. Viðbragðstími er færibreyta sem endurspeglar getu ljósnemans til að bregðast við skammvinnum eða-háhraðamótuðum ljósmerkjum. Það er aðallega fyrir áhrifum af eftirfarandi þremur þáttum:
1) Flutningstími ljósbera á eyðingarsvæðinu.

2) Dreifingartími ljósbera sem myndast utan eyðingarsvæðisins.

3) RC tímafasti ljósdíóðunnar og tengdra rafrása hennar.

Hægt er að tjá viðbragðstíma sem hækkunartíma og falltíma úttakspúls ljósnema. Þegar tengirýmd ljósdíóðunnar er tiltölulega lítill er hækkunartími og falltími stuttur og tiltölulega samkvæmur; þegar tengirýmd ljósdíóðunnar er tiltölulega stór, er viðbragðstíminn takmarkaður af RC tímafastanum sem myndast af álagsviðnáminu og tengirýmdinni, sem leiðir til lengri hækkunar- og falltíma.

Almennt séð veita tækniforskriftir ljósnema upphækkunartímann. Fyrir PIN ljósdíóða er hækkunartíminn t₀er venjulega<1 ns; for APDs, this value is less than 0.5 ns.

Photodetector

Myrkur straumur vísar til straums í ljósnema þegar ekkert innfallsljós er. Þó að það sé ekkert innfallsljós, við ákveðið hitastig, getur ytri varmaorka myndað nokkrar ókeypis hleðslur á eyðingarsvæðinu. Þessar hleðslur flæða undir áhrifum öfugs forspennu og mynda dimma straum. Augljóslega, því hærra sem hitastigið er, því fleiri rafeindir örva hitastigið og því meiri er dökkstraumurinn. Fyrir PIN ljósdíóða, láttu dimma strauminn við hitastig T vera I(T). Þegar hitastigið hækkar í T, þá: