photodetector - afiefdiaspambudi.staff.telkomuniversity.ac.id · syarat foto detektor • high...

PHOTODETECTOR

Ref : Keiser

Detektor Silikon PIN

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

Detektor foto yg ada

• Photomultiplier (photocathode + multiplier dlm vacumtube)

• Pyroelectric detector (konversi photon ke panaskonstanta dielektrik)

• Semiconductor-based photoconductor (pin dan APD) cocok u fiber optik.

Konfigurasi detektor PIN

Detektor PIN

Sirkit dioda foto pin diberi tegangan mundur

Photon datang memiliki energi ≥ energi band-gap photon akan memberikan energinya dan membangkitkan elektron (didepletion region) dr pita valensi ke pita konduksiphotocarrier.

Diagram pita energi dioda foto pin

Carrier bermuatan mengalir melalui material, beberapapasangan elektron-hole berekombinasi dan hilang. Elektron bergerak sejauh Ln sedang hole bergeraksejauh Lp.

Jarak tsb disebut panjang difusi.

Waktu yg dibutuhkan berekombinasi disebut carrier lifetime, elektron selama tn dan hole selama tp.

ppp

nnn

DL

DL

τ

τ

=

=

Dn : koefisien difusi elektron

Dp : koefisien difusi hole

Radiasi optis yg diserap material semikonduktor :

)1()( )(0

xSePxP λα−−=αs(λ) : koefisien absorbsi pd panj gel λ

P0 : daya datang optis

P(x) : daya optis diserap sejauh x

Upper wavelength cutoff :

)(24,1)(eVEE

hcmgg

C ==μλ

Panj gel cutoff Si sekitar 1,06 μm, dan Ge sekitar 1,6 μm

Koefisien absorbsi sbg fungsi panj gelombang

Contoh

Dioda-foto terbuat dr GaAs, memiliki energi band gap 1,43 eV pd 300o K.

Panjang gel cutoff :

( )( )( )( )

m

meVJxeV

smxsJxEhc

C

gC

μλ

μλ

867,043,124,1

869,0/106,143,1

/103.10625,619

834

==

=== −

−

atau

Dioda-foto tidak akan beroperasi utk photon dng panjanggelombang lebih dari 869 nm

Jika daerah deplesi memiliki lebar w, maka dayadiserap :

)1()( 0wSePwP α−−=

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

( )fw

p RePhfqI S −−= − 1)1(0

α

q : muatan elektron

hf : energi photon

Efisiensi kuantum :

Jumlah elektron hole yg dibangkitkanη = -------------------------------------------------------- =

Jumlah photon datang hfPqI p

//

0

Responsivitas :

hfq

PI p η

==ℜ0

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

[A/W]

Perbandingan responsivitas dan efisiensi kuantum sbgfungsi panj gel

Contoh

InGaAs pd panj gel 1100 nm < λ < 1600 nm, memilikiefisiensi kuantum 60 %.

Berapa responsivitasnya pd panj gel 1300 nm ?

Jika daya optis yg datang 10 μW, berapa arus foton ygdibangkitkan ?

Avalanche PhotodiodeAPD secara internal melipat gandakan arus foto sinyalprimer sebelum memasuki sirkit penguatmeningkatkan sensitifitas penerima.

Mekanisme pelipatgandaan elektron/hole disebutimpact ionization.

Carrier baru yg dibangkitkan juga dipercepat olehmedan listrik kuat, shg menguatkan energi utk impact ionization selanjutnya.

Phenomena tsb disebut efek avalanche.

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

Konstruksi p+πpn+ reach-through APD

p-type : resistivitas tinggip+ : heavily doped p-typen+ : heavily doped n-typeπ : bahan intrinsik tdk murni krn kurang hati2 shg tercampurp doping

Pd penggunaan normal RAPD bekerja pd modus depleted penuh.

Cahaya memasuki device mel daerah p+ dan diserap bahanπ yg bekerja sbg daerah pengumpul carrier yg dibangkitkanoleh photon.

Saat diserap photon memberikan energi, shgmembangkitkan pasangan elektron-hole ygkemudiandipisahkan oleh medan listrik di daerah π.

Elektron yg dibangkitkan oleh photon bergeser dr daerah πke pn+ junction yg terdapat medan listrik kuat.

Pd daerah medan listrik kuat terjadi pelipat gandaan carrier.

Ionization rate : jumlah rata2 pasangan elektron-hole ygdibangkitkan persatuan jarak tempuh.

Banyak bahan memiliki laju ionisasi elektron α berbeda dnglaju ionisasi hole β.

Perbandingan k = β/α merupakan ukuran unjuk kerjaphotodetector.

Faktor multiplikasi :

P

M

IIM =

IM : rata2 arus keluaran multiplikasi total

IP : arus foto tanpa multiplikasi primary

Dlm praktek mekanisme avalanche adalah proses statistik, krn tidak semua pasangan carrier yg dibangkitkan dlmdioda menghasilkan multiplikasi sama == > M : harga rata2.

Responsivitas : MMhfq

APD 0ℜ==ℜη

Laju ionisasi carrier hasil percobaan

Contoh

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

Pengaruh teg bias thd penguatan arus