Jak optimalizovat odezvu fotodetektoru pomocí struktur p-i-n a Avalanche fotodiod

V oblasti optických detektorů je časová odezva detektoru jedním z klíčových parametrů, který přímo ovlivňuje jeho výkonnost, zejména v aplikacích vyžadujících vysokou rychlost detekce. Časová odezva fotodetektoru je ovlivněna řadou faktorů, mezi které patří mobilita nositelů náboje, šířka depleční vrstvy a kapacitance diody. V této kapitole se zaměříme na analýzu impulsní odezvy fotodetektorů a jak různé struktury, jako je p-i-n fotodioda a avalanche fotodioda, mohou tuto odezvu optimalizovat.

Jedním z klíčových aspektů, který ovlivňuje odezvu detektoru, je čas, který nositelé náboje (elektrony a díry) potřebují, aby se dostali z místa generace do sběrné elektrody. Jak ukazuje obrázek 13.9a, fotodetektor osvětlený velkým počtem fotonů generuje elektrony a díry, které se pohybují napříč detektorem směrem k odpovídajícím sběrným elektrodám. Elektrony, které jsou generovány blíže k sběrné elektrodě, dosahují této elektrody okamžitě, zatímco díry mají delší dráhu, než se dostanou k druhé elektrodě.

V praxi se používá několik metod pro optimalizaci času přenosu a zkrácení odezvy detektoru. Zjednodušeně lze říci, že čas přenosu nositelů náboje závisí na mobilitě elektronů a děr, šířce depleční vrstvy a velikosti vnitřního elektrického pole. Například zvýšení vnitřního elektrického pole v detektoru může zrychlit pohyb nositelů náboje, což vede k rychlejší odezvě detektoru. Tento efekt je však limitován hodnotou elektrického pole, po jejímž překročení se driftová rychlost nositelů náboje již neproporcionálně zvyšuje.

Dalším faktorem, který přispívá k celkové odezvě fotodiod, je kapacitance diody. Kapacitance p-n přechodu v fotodiodě způsobuje časovou konstantu obvodu, která ovlivňuje frekvenční odezvu detektoru. Například v obvodu, jak ukazuje obrázek 13.10a, je výstupní napětí detektoru určeno odporem zatěžovacího obvodu RL a kapacitancí p-n přechodu. Tento časový faktor, který je známý jako RLC časová konstanta, ovlivňuje šířku pásma detektoru. Při určitém typu detektoru může tento parametr vést k omezení maximální frekvence, kterou je možné efektivně detekovat.

U fotodiod se také ukazuje, že tradiční p-n struktury mají omezené schopnosti v detekci vysokofrekvenčních signálů. Úzká depleční vrstva, která je charakteristická pro tyto diody, omezuje absorpci fotonů, zejména při delších vlnových délkách, kde je absorpční koeficient nižší. Naopak p-i-n (p–intrinsic–n) fotodioda překonává tyto problémy tím, že umožňuje širší absorpční oblast díky širší intrinsické vrstvě. Tato vrstva nejen zvyšuje absorpci fotonů, ale také zlepšuje odpovědnost fotodioda, protože fotogenerované nositele náboje jsou efektivně separovány a driftují směrem k sběrným elektrodám.

P-i-n fotodioda obsahuje vrstvy s různým dopingem: p+ a n+ vrstvy jsou silně dopované, zatímco intrinsická vrstva je velmi slabě dopovaná, což zajišťuje efektivní oddělení a drift fotogenerovaných elektronů a děr. V důsledku této konstrukce dochází k efektivnímu rozdělení nábojů, což zvyšuje celkovou odpovědnost fotodioda a zlepšuje její schopnost absorbovat široké spektrum fotonů. Tato struktura je tedy ideální pro aplikace, které vyžadují vysokou citlivost a široký rozsah vlnových délek.

Výběr mezi p-i-n fotodiodou a avalanche fotodiodou závisí na specifických požadavcích aplikace. P-i-n fotodiody jsou výhodné pro aplikace s vysokým rozsahem vlnových délek a potřebou nízké úrovně šumu. Na druhé straně avalanche fotodioda je ideální pro aplikace, kde je potřeba zajištění vysoké citlivosti a vysoké rychlosti detekce.

Jak vznikají vedené módy v optickém planárním vlnovodu?

Chování elektromagnetického pole v planárních optických vlnovodech je popsáno vlnovou rovnicí, jejíž řešení se zásadně liší v jednotlivých oblastech vlnovodu – ve vodivém jádře a ve slabších plášťových vrstvách. Pole se v jádře šíří oscilatorním způsobem, zatímco ve vnějších oblastech (pláštích) exponenciálně klesá. Tento typ pole, které klesá do prostoru bez šíření energie, je znám jako evanescentní pole a vyskytuje se za podmínky totální vnitřní odrazu.

Základní parametr popisující míru útlumu pole v plášti je útlumový koeficient α, jehož hodnota je odvozena ze vztahu mezi podélným vlnovým číslem β a příčným vektorovým číslem k. Když platí podmínka β > k₀n, kde n je index lomu vnější vrstvy, řešení pole ve směru kolmém na šíření nabývá klesající formy. V oblasti y > 0 má tvar $E_x(y) = E_0 e^{ -\alpha y}$, zatímco pro oblast y < -d se pole šíří jako $E_x(y) = E_0 e^{\alpha y}$.

Podélné a příčné komponenty vlnového čísla – β a κ – definují charakter vedení elektromagnetických módů. Vztah mezi efektivním indexem lomu n_eff a β je vyjádřen jako $β = k_0 n_{\text{eff}} = k_0 n_1 \sinθ_1$, což umožňuje přepsat κ jako $κ = k_0 n_1 \cosθ_1$. Tím je potvrzeno, že v jádře je příčné vlnové číslo reálné a kladné, což znamená existenci harmonického řešení ve formě $E_x(y) = B \cos(κ_1 y) + C \sin(κ_1 y)$.

Nejdůležitější hraniční podmínky vycházejí ze spojitosti tečného komponentu elektrického i magnetického pole. Pomocí Maxwellových rovnic lze z výrazu pro rotaci elektrického pole odvodit vazbu mezi změnou intenzity pol