photodetector - sugito.staff.telkomuniversity.ac.id · dr: rapat arus drift dihasilkan oleh carrier...
Post on 07-Apr-2019
230 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Fakultas Teknik Elektro 1
PHOTODETECTOR NOISE
Ref : Keiser
Fakultas Teknik Elektro 2
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.
Fakultas Teknik Elektro 3
Sumber Noise
(a) Model sederhana penerima detektor foto.
(b) Sirkit ekivalen
Rs : tahanan seri kecil (Rs << RL) dlm praktek diabaikan
Cd : kapasitansi total (junction + wadah)
RL : tahanan bias atau beban
Ca : kapasitansi input penguat
Ra : tahanan input penguat
Fakultas Teknik Elektro 4
Arus foto primer dibangkitkan :
)()( tPhf
qtiph
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 :
tii ps
22
Utk dioda avalanche arus sinyal mean square :
222 Mtii ps
Fakultas Teknik Elektro 5
Utk sinyal input bervariasi sinusoida dgn indeks
modulasi m, komponen sinyal :
22
2
2pp I
mti
Noise detektor foto tanpa internal gain :
(a) Quantum/shot noise sifat alami statistik
(b) Durk current tdk ada cahaya datang
(c) Surface leakage current kerusakan permukaan
m : indeks modulasi
Fakultas Teknik Elektro 6
Arus noise kuantum mean square :
MFBMqIi pQ
22 2
B : Lebar pita
F(M) : noise figure
F(M) = Mx , 0 ≤ x ≤ 1,0, tergantung bahan
Detektor pin M = 1, F(M) = 1
Arus bulk dark mean square :
MFBMqIi DDB
22 2
ID : arus bulk dark detektor primer (tanpa perkalian)
Fakultas Teknik Elektro 7
Surface leakage current (surface dark current) mean square:
BqIi LDS 22
IL : arus bocor permukaan
Arus noise detektor foto total mean square :
BqIMFBMIIqi
iiii
LDPN
DSDBQN
22 22
2222
Utk penyederhanaan Ra >> RL kontribusi tahanan beban
detektor foto :
BR
Tki
L
BT
42
kB : kontanta Boltzman
Fakultas Teknik Elektro 8
Perbandingan arus dark dioda foto Si, Ge, GaAs dan InGaAs
sbg fungsi normalisasi teg bias.
Fakultas Teknik Elektro 9
Perbandingan sinyal thd noise
LBLDP
p
RTBkBqIMFBMIIq
Mti
N
S
/422
)(
2
22
Pin noise termal dominan
APD noise detektor dominan
F(M) : fungsi M, S : fungsi M2, noise kuantum dan arus dark :
fungsi M2F(M) ada harga S/N optimum.
M optimum :
Dp
LBLx
optIIxq
RTkqIM
/422
Fakultas Teknik Elektro 10
ContohDioda 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
APD dgn parameter tsb, utk x = 0,5
Hitunglah :
(a) Mopt
(b) Arus (foto primer) multiplikasi
(c) Noise2 di penerima
(d) S/Nmaks
Fakultas Teknik Elektro 11
Waktu Respon Detektor
Depletion layer photocurrent
Skema tegangan mundur dioda foto pin
Fakultas Teknik Elektro 12
Kondisi steady state rapat arus total mengalir
melalui lapisan deplesi tegangan mundur :
diffdrtot JJJ
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 : wp
drseq
A
IJ
10
Ahf
RP f
10
0
A : luas dioda foto
Φ0 : photon flux datang per satuan luas
Fakultas Teknik Elektro 13
Permukaan lapisan p dioda foto pin umumnya tipis.
Arus difusi akan ditentukan oleh difusi hole dr bulk daerah n.
Difusi hole dapat dihitung dr :
x
s
p
nnnp
sexG
xGpp
x
pD
0
0
2
2
0
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
Fakultas Teknik Elektro 14
Shg rapat arus difusi :
p
p
n
w
ps
ps
diffL
Dqpe
L
LqJ s
001
Rapat arus total mengalir melalui lapisan
deplesi tegangan mundur :
p
p
n
ps
w
totL
Dqp
L
eqJ
s
001
1
Pn0 umumnya kecil shg arus foto yg dibangkitkan total
sebanding dgn photon flux Φ0
Fakultas Teknik Elektro 15
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
Fakultas Teknik Elektro 16
Respon dioda foto thd pulsa masukan optis
Fakultas Teknik Elektro 17
Waktu respon suatu dioda foto yg tidak dideplesi penuh
Fakultas Teknik Elektro 18
Respon pulsa dioda foto dr berbagai parameter detektor
Fakultas Teknik Elektro 19
Variasi faktor noise electron excess sbg fungsi dr penguatan
elektron utk berbagai harga perbandingan laju ionisasi efektif keff
Fakultas Teknik Elektro 20
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.
00
00
1
1
/1
1
TTbTnTn
TTaTVTV
RIVV
VVM
BB
MMa
n
B
Fakultas Teknik Elektro 21
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.
Fakultas Teknik Elektro 22
Pengaruh suhu terhadap penguatan APD silikon pd 825 nm
top related