Lecture12 Photodiode Detectors

8/19/2019 Lecture12 Photodiode Detectors

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L e c t u r e 1 2 : P h o t o d i o d e d e

t e c t o r s

B a c k g r o u n d c o n c e p t s

p - n p h o

t o d i o d e s

P h o t o c o n d u c t i v e / p h o t o v o l t a i c m o d e s

p - i - n p h

o t o d i o d e s

R e s p o n s i v i t y a n d b a n d w

i d t h

N o i s e i n p h o t o d e t e c t o r s

1

R e f e r e n c e s : T h i s l e c t u r e p a r t i a l l y f o l l o w s t h e m a t e r i a l s f r o m P h o t o n i c D e v i c e s , J i a - M i n g

L i u , C h a p t e r 1 4 . A l s o f r o m F u n d a m e n t a l s o f P h o t o n i c s , 2

n d e d

. , S a l e h &

T e i c h

, C h a p t e r s 1 8 .


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2

E l e c t r o n - h o l e p h o t o g

e n e r a t i o n

M o s t m

o d e r n p h o t o d e t e

c t o r s o p e r a t e o n

t h e b a s i s o f t h e

i n t e r n a l p h o t o e l e c t r i c e f f e c t – t h e p h o t o

e x c i t e d e l e c t r o n

s a n d

h o l e s r e

m a i n w i t h i n t h e

m a t e r i a l , i n c r e a

s i n g t h e e l e c t r i c

a l

c o n d u c t i v i t y o f t h e m a t e r i a l

E l e c t r o n - h o l e p h o t o g e n e r a t i o n i n a s e m

i c o n d u c t o r

h

h

• a b s o r b e d p h o t o

n s g e n e r a t e f r e e e l e c t r o n -

h o l e p a i r s

• T r a n s p o r t o f t h e f r e e e l e c t r o n s a n d

h o l e s

u p o n a n e l e c t r i c f i e l d r e s u l t s i n a c u r r e n t

E g


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3

A b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t

B a n d g a p s f o r s o m e s e m i c o

n d u c t o r

p h o t o

d i o d e m a t e r i a l s a t 3 0

0 K

B a n d g a p ( e V ) a t 3 0 0 K

I n d i r e c t

D i r e c t

S i

G e G a A s

I n A s

I n P

G a S b

I n 0 . 5 3 G a 0 . 4 7 A s

I n 0 . 1 4 G a 0 . 8 6 A s

G a A s 0 . 8 8 S b 0

. 1 2

1 . 1 4

0 . 6 7

- - - - - - -

4 . 1 0

0 . 8 1

1 . 4 3

0 . 3 5

1 . 3 5

0 . 7 3

0 . 7 5

1 . 1 5

1 . 1 5

k i n k


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4

A b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t

E . g . a b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t = 1 0 3 c m - 1

M e a n s a n 1 / e o p t i c a l p o

w e r a b s o r p t i o n

l e n g t h o f

1 / =

1 0 - 3 c m = 1 0 m

L i k e w i s e , = 1 0 4 c m - 1

= > 1 / e o p t i c a l p

o w e r a b s o r p t i o n

l e n g t h o f 1

m .

= 1 0 5 c m - 1

= > 1 / e o p t i c a l p o w e r a b s o r p t i o n

l e n

g t h o f 1 0 0 n m .

= 1 0 6 c m - 1

= > 1 / e o p t i c a l p o w e r a b s o r p t i o n

l e n

g t h o f 1 0 n m .


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5

I n d i r e c t a b s o r p t i o n

S i l i c o n a n d g e r m a n i u m

a b s o r b l i g h t b y

b o t h i n d i r e c t a n d

d i r e c t o

p t i c a l t r a n s i t i o n s .

I n d i r e c t a b s o r p t i o n r e q u i r e s t h e a s s i s t a n c e o f a p h o n o n s o t h a t

m o m e n t u m a n d e n e r g y

a r e c o n s e r v e d .

U n l i k e t h e e m i s s i o n p r o

c e s s , t h e a b s o r p

t i o n p r o c e s s c a n b e

s e q u e n t i a l , w i t h t h e e x c i t e d e l e c t r o n - h o l e p a i r t h e r m a l i z e

w i t h i n t h e i r r e s p e c t i v e e

n e r g y b a n d s b y

r e l e a s i n g

e n e r g y / m o m e n t u m v i a p

h o n o n s .

T h i s m a k e s t h e i n d i r e c t

a b s o r p t i o n l e s s

e f f i c i e n t t h a n d i r e c t

a b s o r p t i o n w h e r e n o p h

o n o n i s i n v o l v e d .

e l e c t r o n

w a v e v e c t o r k

E l e c t r o n

e n e r g y

h

t h e r m a l i z a t i o n

P h o n o n

p r o c e s s


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6

I n d i r e c t v s . d i r e c t a b s o r p t i o n i n s i l i c o n a n d g e r m a n i u m

S i l i c o n i s o n l y w e a k l y a b s o r b i n g o v e r t h e w a v e l e n g t h b a n d

0 . 8 – 0 . 9 m . T h i s i s b e c a u s e t r a n s i t i o n

s o v e r t h i s

w a v e l e n g t h b a n d i n s i l i c o n a r e d u e o n l y

t o t h e i n d i r e c t

a b s o r p t i o n m e c h a n i s m .

T h e t h r e s h o l d f o r i n d i r e c t a b s o

r p t i o n

( l o n g w a v e l e n g t h c u t o f f ) o c c u r s a t 1 . 0 9

m .

T h e b a n

d g a p f o r d i r e c t a b s o r p t i o n i n s i l i c o n i s 4 . 1 0 e V ,

c o r r e s p o n d i n g t o a t h r e s h o l d o f 0 . 3 m .

G e r m a n

i u m i s a n o t h e r

s e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l f o r w h i c h t h e

l o w e s t e n e r g y a b s o r p t i o

n t a k e s p l a c e b y

i n d i r e c t o p t i c a l

t r a n s i t i o n s . I n d i r e c t a b s o r p t i o n w i l l o c c

u r u p t o a t h r e s h o l d o f

1 . 8 5 m

.

H o w e v e r , t h e t h r e s h o l d

f o r d i r e c t a b s o r

p t i o n o c c u r s a t 1 . 5 3

m , f o r

s h o r t e r w a v e l e n

g t h s g e r m a n i u m

b e c o m e s s t r o n g l y

a b s o r b i n g ( s e e t h e k i n k i n t h e a b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t c u r

v e ) .


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7

C h o i c e o

f p h o t o d i o d e m a t e r i a l s

A p h o t o

d i o d e m a t e r i a l s h o u l d b e c h o s e n w i t h a b a n d g a p

e n e r g y s l i g h t l y l e s s t h a n

t h e p h o t o n e n e r g y c o r r e s p o n d i n g t o

t h e l o n g

e s t o p e r a t i n g w a v e l e n g t h o f t h e

s y s t e m .

T h i s g i v e s a s u f f i c i e n t l y

h i g h a b s o r p t i o n

c o e f f i c i e n t t o e

n s u r e a

g o o d r e

s p o n s e , a n d y e t

l i m i t s t h e n u m b e r o f t h e r m a l l y

g e n e r a t e d c a r r i e r s i n o r d e r t o a t t a i n a l o

w “ d a r k c u r r e n t

”

( i . e .

c u r r e n t

g e n e r a t e d w i t h n o i n c i d e n t l i g h t ) .

G e r m a n

i u m p h o t o d i o d e

s h a v e r e l a t i v e l y l a r g e d a r k c u r r e n t s

d u e t o t h e i r n a r r o w b a n d g a p s i n c o m p a

r i s o n t o o t h e r

s e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l

s . T h i s i s a m a j o r s h o r t c o m i n g w i t h t h e

u s e o f g

e r m a n i u m p h o t o d i o d e s , e s p e c i a l l y a t s h o r t e r

w a v e l e n

g t h s ( b e l o w 1 . 1

m )

E g s l i g h t l y l e s s

t h a n h L

h L

h s


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8

I I I - V c o m

p o u n d s e m

i c o n d u c t o r s

D i r e c t - b a n d g a p I I I - V c o m p o u n d s e m i c o n d u c t o r s c a n b e

b e t t e r m

a t e r i a l c h o i c e s t h a n g e r m a n i u m

f o r t h e l o n g e r

w a v e l e n g t h r e g i o n .

T h e i r b a n d g a p s c a n b e t a i l o r e d t o t h e d

e s i r e d w a v e l e n g

t h b y

c h a n g i n

g t h e r e l a t i v e c o

n c e n t r a t i o n s o f

t h e i r c o n s t i t u e n t s

( r e s u l t i n g i n l o w e r d a r k

c u r r e n t s ) .

T h e y m

a y a l s o b e f a b r i c a t e d i n h e t e r o j u

n c t i o n s t r u c t u r e

s

( w h i c h

e n h a n c e s t h e i r h

i g h - s p e e d o p e r a t i o n s ) .

e . g . I n 0 . 5 3 G a 0 . 4 7 A s l a t t i c e m a t c h e d t o I n P s u b s t r a t e s r e s p o n d

s t o

w a v e l e n g t h s u p t o a r o u n d 1 . 7 m . ( m o s t i m p o r t a n t f o r 1 . 3

a n d 1 . 5 5 m )


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9

J u n c t i o n

p h o t o d i o d e s

T h e s e m

i c o n d u c t o r p h o t o d i o d e d e t e c t o r

i s a p - n j u n c t i o

n

s t r u c t u r

e t h a t i s b a s e d o

n t h e i n t e r n a l p h

o t o e f f e c t .

T h e p h o t o r e s p o n s e o f a

p h o t o d i o d e r e s u l t s f r o m t h e

p h o t o g e

n e r a t i o n o f e l e c t r o n - h o l e p a i r s t h r o u g h b a n d - t o

- b a n d

o p t i c a l a b s o r p t i o n .

= > T h e

t h r e s h o l d p h o t o

n e n e r g y o f a s e

m i c o n d u c t o r

p h o t o d i o d e i s t h e b a n d g

a p e n e r g y E g o f

i t s a c t i v e r e g i o n .

T h e p h o

t o g e n e r a t e d e l e c t r o n s a n d h o l e s i n t h e d e p l e t i o n

l a y e r

a r e s u b j e c t t o t h e l o c a l e l e c t r i c f i e l d w i t h i n t h a t l a y e r . T

h e

e l e c t r o n

/ h o l e c a r r i e r s d r

i f t i n o p p o s i t e d

i r e c t i o n s . T h i s

t r a n s p o r t p r o c e s s i n d u c

e s a n e l e c t r i c c u

r r e n t i n t h e e x t e

r n a l

c i r c u i t .

H e r e , w

e w i l l f o c u s o n s e m i c o n d u c t o r h

o m o j u n c t i o n s .


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1 0

e

- d i f f u s i o n

r e g i o n

P h o t o e x c i t a t i o

n a n d e n e r g y - b a n d d i a g r a m o f a p - n p h o t o d i o d e

h

h

h

h

h

D

e p l e t i o n l a y e r

W

L e

h o m o g e n e o u s

p r e g i o n

h + d i f f u s i o n

r e g i o n L

h

h o

m o g e n e o u s

n r e g i o n

d r i f t

d r i f t

d i f f u s i o n

d i f f u s i o n

R e c o m b i n e w i t h

m a j o r i t y h +

b e f o r e r e a c h i n g

t h e j u n c t i o n

R e

c o m b i n e w i t h

m a

j o r i t y e -

b e f o r e r e a c h i n g

t h e

j u n c t i o n

A c t i v e r e g i o n

p

n


11/80

1 1

I n t h e d

e p l e t i o n l a y e r , t h e i n t e r n a l e l e c t r i c f i e l d s w e e p s

t h e

p h o t o g e

n e r a t e d e l e c t r o n t o t h e n s i d e a n d t h e p h o t o g e n e r a t e d

h o l e t o t h e p s i d e .

= > a d r

i f t c u r r e n t t h a t f l o w s i n t h e r e v e

r s e d i r e c t i o n f r o

m t h e

n s i d e ( c a t h o d e ) t o t h e p s i d e ( a n o d e ) .

W i t h i n

o n e o f t h e d i f f u s i o n r e g i o n s a t t h e e d g e s o f t h e

d e p l e t i o

n l a y e r , t h e p h o

t o g e n e r a t e d m i n o r i t y c a r r i e r ( h o l e i n

t h e n s i d e a n d e l e c t r o n i n t h e p s i d e ) c a n r e a c h t h e d e p l e t i o n

l a y e r b y

d i f f u s i o n a n d t h e n b e s w e p t t o t h e o t h e r s i d e b y

t h e

i n t e r n a l f i e l d .

= > a d i f f u s i o n c u r r e n t t h a t a l s o f l o w s i n t h e r e v e r s e d i r e c t i o n .

I n t h e p

o r n h o m o g e n e o u s r e g i o n , e s s e

n t i a l l y n o c u r r e n t i s

g e n e r a t e d b e c a u s e t h e r e i s e s s e n t i a l l y n

o i n t e r n a l f i e l d t o

s e p a r a t e t h e c h a r g e s a n d a m i n o r i t y c a r r i e r g e n e r a t e d i n

a

h o m o g e n e o u s r e g i o n c a

n n o t d i f f u s e t o t h e d e p l e t i o n l a y e r

b e f o r e r

e c o m b i n i n g w i t h a m a j o r i t y c a r r i e r .


12/80

1 2

P h o t o c u r r e n t i n a n i l l u

m i n a t e d j u n

c t i o n

I f a j u n c t i o n o f c r o s s - s e c t i o n a l a r e a A i s u n i f o r m l y

i l l u m i n a t e d b y p h o t o n s

w i t h h > E g , a

p h o t o g e n e r a t i o n

r a t e

G ( E H P

/ c m 3 - s ) g i v e s r i s e t o a p h o t o c u r r e n t .

T h e n u m

b e r o f h o l e s c r e a t e d p e r s e c o n d

w i t h i n a d i f f u s i o n

l e n g t h L

h o f t h e d e p l e t i o n r e g i o n o n t h e

n s i d e i s A L h G .

T h e n u m

b e r o f e l e c t r o n s c r e a t e d p e r s e c

o n d w i t h i n a d i f f u s i o n

l e n g t h L

e o f t h e d e p l e t i o n r e g i o n o n t h e

p s i d e i s A L e G .

S i m i l a r l y , A W G c a r r i e r s a r e g e n e r a t e d w i t h i n t h e d e p l e t i o n

r e g i o n o f w i d t h W .

T h e r e s u l t i n g j u n c t i o n p

h o t o c u r r e n t f r o m n t o p :

I p = e A

( L h + L e

+ W )

G


13/80

1 3

D i o d e e q

u a t i o n

R e c a l l t h e c u r r e n t - v o l t a g e ( I - V ) c h a r a c t e r i s t i c o f t h e j u n c t i o n i s

g i v e n b y t h e d i o d e e q u a t i o n :

I = I 0 ( e x p ( e V / k B T ) – 1

)

T h e c u r r e

n t I i s t h e i n j e c t i o n c u r r e n t u n d e

r a f o r w a r d b i a s

V .

I 0 i s t h e “ s a t u r a t i o n c u r r e n

t ” r e p r e s e n t i n g t h e r m a l - g e n e r a t e d f r e e

c a r r i e r s w

h i c h f l o w t h r o u g h t h e j u n c t i o n ( d a r k c u r r e n t ) .

V

I

D a r k c u r r e n t


14/80


15/80

1 5

S h o r t - c i r

c u i t c u r r e n t

a n d o p e n - c i r c u i t v o l t a g e

T h e s h o r t - c i r c u i t c u r r e n t ( V = 0 ) i s t h e

p h o t o c u r r e n t I p .

T h e o p e n - c i r c u i t v o l t a g

e ( I = 0 ) i s t h e p

h o t o v o l t a g e V p

.

V p = (

k B T / e ) l n ( I p /

I 0 +

1 )

I p 1

I p

I p 2

I p 3

V p + -

V

I

G =

0 G 1

G 2

G 3

I 0

V p 1

V p 2 V p 3


16/80

1 6

P h o t o c u r r e n t a n d p h o t o v o l t a g e

A s t h e l i g h t i n t e n s i t y i n c r e a s e s , t h e s h o r t - c i r c u i t c u r r e n t

i n c r e a s e s l i n e a r l y ( I p

G ) ;

T h e o p e n - c i r c u i t v o l t a g e i n c r e a s e s o n l y

l o g a r i t h m i c a l l y

( V p

l n ( I p / I 0

) ) a n d l i m i t s b y t h e e q u i l i b r i u m c o n t a c t p o t e n t i a l .

I n t e n s i t y ( m W / c m 2 )

V p

( V ) I p

( A )


17/80

1 7

O p e n - c i r

c u i t v o l t a g e

T h e p h o t o g e n e r a t e d , f i e

l d - s e p a r a t e d , m a j o r i t y c a r r i e r s ( + v e

c h a r g e o n t h e p - s i d e , - v

e c h a r g e o n t h e n - s i d e ) f o r w a r d - b i a s

t h e j u n c

t i o n .

T h e a p p

e a r a n c e o f a f o r w a r d v o l t a g e a c

r o s s a n i l l u m i n a

t e d

j u n c t i o n ( p h o t o v o l t a g e )

i s k n o w n a s t h e

p h o t o v o l t a i c e f f e c t .

T h e l i m

i t o n V p

i s t h e e q u i l i b r i u m c o n t a c t p o t e n t i a l V 0 a s t h e

c o n t a c t

p o t e n t i a l i s t h e m a x i m u m f o r w a

r d b i a s t h a t c a n

a p p e a r a c r o s s a j u n c t i o n . ( d r i f t c u r r e n t

v a n i s h e s w i t h V

p =

V )

e ( V 0 - V p )

E c

E v

E F

e V 0

E F p

E F n

e V p

+

+ +

- - -

p

n

p

n

A

c c u m u l a t e d

m

a j o r i t y

c a r r i e r s

A c c u m u l a t e d

m a j o r i t y

c a r r i e r s

e ( V 0 - V p

)


18/80

1 8

P h o t o c o n d u c t i v e a n d

p h o t o v o l t a i c m o d e s

T h e r e a

r e t w o m o d e s o f

o p e r a t i o n f o r a

j u n c t i o n p h o t o d i o d e :

p h o t o c o

n d u c t i v e a n d p h

o t o v o l t a i c

T h e d e v

i c e f u n c t i o n s i n

p h o t o c o n d u c t i v e m o d e i n t h e t h

i r d

q u a d r a n

t o f i t s c u r r e n t - v o l t a g e c h a r a c t e r i s t i c s , i n c l u d i n g

t h e

s h o r t - c i r c u i t c o n d i t i o n o n t h e v e r t i c a l a x i s f o r V = 0 . ( a c t i n g

a s a c u r

r e n t s o u r c e )

I t f u n c t i o n s i n p h o t o v o l t a i c m o d e i n t h e

f o u r t h q u a d r a n t ,

i n c l u d i n g t h e o p e n - c i r c u i t c o n d i t i o n o n

t h e h o r i z o n t a l a x i s f o r

I = 0 . ( a c t i n g a s a v o l t a

g e s o u r c e w i t h o u t p u t v o l t a g e l i m i t e d

b y t h e e q u i l i b r i u m c o n t a c t p o t e n t i a l )

T h e m o

d e o f o p e r a t i o n i s d e t e r m i n e d b y t h e b i a s c o n d i t i o n

a n d t h e

e x t e r n a l c i r c u i t r y .


19/80

1 9

P h o t o c o n d u c t i v e m o d e u n d e r r e v

e r s e b i a s

E c

E v

E F

e V 0

p

n

E c

E v

E F p

e ( V 0 +

V B )

p

n

E F n

e V B

( F o r s i l i c o n p h o t o d i o d e s , V 0

0 . 7 V , V B c a n b e u p t o - 5 – - 1 0

V )

W

W + D


20/80

2 0

B a s i c c i r c u i t r y

a n d l o a d l i n e f o r t h e p h o t o c o n d u c t i v e m o d e

“ P h o t o c o n d

u c t i v e ” m o d e – r e v e r s e b i a s i n g t h e p h o t o d i o d e

W i t h a s e r i e s l o a d r e s i s t o r R L <

R i g i v e s t h e l o a d l i n e

K e e p V o u t <

V B s o t h a t t h e p h o t o d i o d e i s r e v e r s e b

i a s e d

( V B i s s u f f i c

i e n t l y l a r g e )

U n d e r t h e s e c o n d i t i o n s a n d b e f o r e i t s a t u r a t e s , a p

h o t o d i o d e h a s t h e f o l l o w i n g

l i n e a r r e s p o n s e : V o u t = ( I 0 + I p

) R L

V o u t

+ -

R L

V B

R i

V

I

G = 0 G

1

- V B

- V

B / R L

R L < < R i

I 0

V

o u t = 0 V

+ -

V B

R i

V

I

G = 0 G

1

- V B

I 0

R L = 0

I 0 + I p

I 0 + I p

V o u t

( s h

o r t - c i r c u i t

c u r r e n t )


21/80

2 1

B a s i c c i r c u i t r y a n d l o a d l i n e f o r t h e p h o t o v o l t a i c m o d e

V o u t

+ -

V

I

G = 0 G

1 G 2

G 3

I 0

R L

R L > > R i

I

• D o e s n o t r e q u i r e a b i a s v o l t a g e b u t r e q u

i r e s a l a r g e l o a d

r e s i s t a n c

e .

• R L > > R i , s o t h a t t h e c u r r e n t I f l o w i n g t h

r o u g h t h e d i o d e

a n d

t h e l o a d

r e s i s t a n c e i s n e g

l i g i b l y s m a l l .

L i m i t e d b y t h e

c o n t a c t p o t e n t i a l


22/80

2 2

O p e r a t i o n r e g i m e s o f a n i l l u m i n a t e d j u n c t i o n

P h o t o c o n d u

c t i v e :

P o w e r ( + v e )

i s d e l i v e r e d t o

t h e d e v i c e b y

t h e e x t e r n a l

c i r c u i t ( p h o t o d e t e c t o r )

P h o t o v o l t a i c :

P o w e r

( - v e ) i s d e l i v e r e d t o

t h e l o a d b y t h e d e v i c e

( s o l a r c

e l l / e n e r g y h a r v

e s t i n g )

3 r d q u a d r a n t

( e x t e r n a l r e v e r s e b i a s ,

r e v e r s e c u r r e n t )

V

I

p n

i r

+ - V r

R L

4 t h q u a d r a n t

( i n t e r n a l f o r w a r d b i a s ,

r e v e r s e c u r r e n t )

V

I

p n

i r

- + V

R L


23/80

2 3

A r e v e r s e - b i a s e d p - n

p h o t o d i o d e

I t i s i m p o r t a n t t h a t t h e p h o t o

n s a r e a b s o r b e d i n

t h e d e p l e t i o n r e g i o n .

T h u s , i t i

s m a d e a s l o n g a s p

o s s i b l e ( s a y b y d e c

r e a s i n g t h e d o p i n g

i n t h e n

t y p e m a t e r i a l ) . T h e d e p l e t i o

n r e g i o n w i d t h i n a

p - n p h o t o d i o d e i s

n o r m a l l y

1 – 3 m .

T h e d e p l e t i o n - l a y e r w i d t h w i d e n s a n d t h e j u n c t i o n c a p a c i t a n c e d r o

p s w i t h

r e v e r s e v

o l t a g e a c r o s s t h e j u

n c t i o n .

p n

E - f i e l d

D e p l e t i o n

r e g i o n

D i f f u s i o n

r e g i o n

A b s o r p t i o n

r e g i o n

W + D


24/80

2 4

p - i - n p h o

t o d i o d e s

A p - i - n p h o t o d i o d e c o

n s i s t s o f

a n

i n t r i n s i c r e g i o n s a n

d w i c h e d

b e t w e e n h e a v i l y d o p e d p + a n d n +

r e g

i o n s . T h e d e p l e t i o n l a y e r i s

a l m

o s t c o m p l e t e l y d e f i n e d b y t h e

i n t r i n s i c r e g i o n .

I n p r a c t i c e , t h e i n t r i n s i c r e g i o n

d o e s n o t h a v e t o b e t r u l y

i n t r i n s i c b u t o n l y h a s t o b e

h i g

h l y r e s i s t i v e ( l i g h t l y d o p e d p

o r n r e g i o n ) .


25/80

2 5

A r e v e r s e - b i a s e d p - i - n p h o t o d i o d

e

A l l t h e a b s o r p t i o n t a k e s p l a c e i n t h e d e p l e t i o n r

e g i o n . T h e i n t r i n s i c r e g i o n

c a n b e a n

n - t y p e m a t e r i a l t h a t i s l i g h t l y d o p e d , a n d t o m a k e a l o w -

r e s i s t a n c e c o n t a c t a h i g h l y d

o p e d n - t y p e ( n + ) l a y e r i s a d d e d .

p i

E - f i e l d

D e p l e t i o

n

r e g i o n

A b s o r p t i o n

r e g i o n

n +

| |


26/80

2 6

T h e d e p l e t i o n - l a y e r w i d t h W i n a p - i - n d

i o d e d o e s n o t v a r y

s i g n i f i c a

n t l y w i t h b i a s v o l t a g e b u t i s e s s e n t i a l l y f i x e d b y

t h e

t h i c k n e s

s , d i , o f t h e i n t r i n s i c r e g i o n s o t h

a t W

d i .

T h e i n t e

r n a l c a p a c i t a n c e

o f a p - i - n d i o d e c a n b e d e s i g n e d :

C i = C j = A / W

A / d

i

T h i s c a p

a c i t a n c e i s e s s e n t i a l l y i n d e p e n d e n t o f t h e b i a s

v o l t a g e ,

r e m a i n i n g c o n s t a n t i n o p e r a t i o n .


27/80

2 7

p - i - n p

h o t o d i o d e s o f

f e r t h e f o l l o w

i n g a d v a n t a g e

s :

I n c r e a s i n g t h e w i d t h

o f t h e d e p l e t i o n l a y e r ( w h e r e t h e

g e n e r a t e d c a r r i e r s c a n b e t r a n s p o r t e d b y d r i f t ) i n c r e a s e s

t h e a r e a a v a i l a b l e f o r c a p t u r i n g l i g h

t

I n c r

e a s i n g t h e w i d t h

o f t h e d e p l e t i o n l a y e r r e d u c e s t h e

j u n c

t i o n c a p a c i t a n c e a n d t h e r e b y t h e R C t i m e c o n s t a n t .

Y e t , t h e t r a n s i t t i m e

i n c r e a s e s w i t h t h e w i d t h o f t h e

d e p l e t i o n l a y e r .

R e d

u c i n g t h e r a t i o b

e t w e e n t h e d i f f u s i o n l e n g t h a n d

t h e

d r i f t l e n g t h o f t h e d e v i c e r e s u l t s i n a

g r e a t e r p r o p o r t i o n o f

t h e g e n e r a t e d c u r r e n t b e i n g c a r r i e d

b y t h e f a s t e r d r i f t

p r o c

e s s .


28/80

2 8

H e t e r o j u n c t i o n p h o t o d i o d e s

M a n y I I I - V p - i - n p h o t o

d i o d e s h a v e h e t e r o j u n c t i o n

s t r u c t u r e s .

E x a m p l e s : p + - A l G a A s / G a A s / n + - A l G a A

s , p + - I n P / I n G a A

s / n + -

I n P , o r p + - A l G a A s / G a A

s / n + - G a A s , p + - I

n G a A s / I n G a A s / n + -

I n P .

A l G a A s / G a A s ( 0 . 7 – 0 . 8 7 m )

I n G a A s

/ I n P ( 1 3 0 0 – 1 6 0 0 n m ) . A t y p i c a l I n G a A s p - i - n

p h o t o d e t e c t o r o p e r a t i n g

a t 1 5 5 0 n m h a s

a q u a n t u m e f f i c i e n c y

0 . 7 5

a n d a r e s p o n s i v i t y R

0 . 9 A / W

p + I n P

i I n G a A s

n + I n P P

n a r r o w b a n d g a p

w i d e b a n d g a p

w i d e b a n d g a p


29/80

2 9

H e t e r o j u n c t i o n p h o t o d i o d e s

H e t e r o j u n c t i o n s t r u c t u r e s o f f e r a d d i t i o n

a l f l e x i b i l i t y i n

o p t i m i z

i n g t h e p e r f o r m a n c e o f a p h o t o d

i o d e .

I n a h e t e r o j u n c t i o n p h o t o d i o d e , t h e a c t i v e r e g i o n n o r m a

l l y

h a s a b a n d g a p t h a t i s s m

a l l e r t h a n o n e o

r b o t h o f t h e

h o m o g e n e o u s r e g i o n s .

A w i d e - b a n d g a p h o m o g

e n e o u s r e g i o n , w h i c h c a n b e e i t h e r

t h e t o p p + r e g i o n o r t h e

s u b s t r a t e n r e g i o n , s e r v e s a s a w

i n d o w

f o r t h e o p t i c a l s i g n a l t o

e n t e r .

T h e s m a l l b a n d g a p o f t h e a c t i v e r e g i o n

d e t e r m i n e s t h e l o n g -

w a v e l e n

g t h c u t o f f o f t h e p h o t o r e s p o n s e , t h .

T h e l a r g e b a n d g a p o f t h

e h o m o g e n e o u s

w i n d o w r e g i o n

s e t s

t h e s h o r t - w a v e l e n g t h c u

t o f f o f t h e p h o t o r e s p o n s e , c .

= > F o r a n o p t i c a l s i g n a l t h a t h a s a w a v e l e n

g t h s

i n t h e r a n

g e t h

> s

> c ,

t h e q u a n t u m e f f i c i e n c y a n d t h

e r e s p o n s i v i t y c a n b e

o p t i m i z

e d .


30/80

3 0

I n G a A s f i b e r - o p t i c p

i n p h o t o d e t e c t o r

( T h o r l a b s D 4 0 0 F C )

S p e c t r a

l r e s p o n s e

8 0 0 – 1

7 0 0 n m

P e a k r e

s p o n s e

0 . 9 5 A / W @ 1

5 5 0 n m

R i s e / f a l l t i m e

0 . 1 n s

D i o d e c

a p a c i t a n c e

0 . 7 p F ( t y p )

N E P @

1 5 5 0 n m

1 . 0 x 1 0 - 1 5 W / H z

D a r k c u

r r e n t

0 . 7 n A (

t y p ) ,

1 . 0 n A (

m a x )

P D A c t i v e d i a m e t e r

0 . 1 m m

B a n d w i d t h

1 G H z ( m i n )

D a m a g

e t h r e s h o l d

1 0 0 m W

C W

B i a s ( r e

v e r s e )

1 2 V b a t t e r y

C o u p l i n

g l e n s

0 . 8 ” d i a

. B a l l l e n s

C o u p l i n

g e f f i c i e n c y

9 2 % ( t y

p ) f r o m b o t h

s i n g l e -

a n d m u l t i -

m o d e f i b e r s o v e r f u l l

s p e c t r a

l r e s p o n s e

f i b e r

R F

c a b l e

L i g h t i n

c

t h


31/80

3 1

A p p l i c a t i o n n o t e s – o u t p u t v o l t a g e

T h e R F

o u t p u t s i g n a l ( s

u i t a b l e f o r b o t h

p u l s e d a n d C W l

i g h t

s o u r c e s ) i s t h e d i r e c t p h

o t o c u r r e n t o u t o

f t h e p h o t o d i o d e

a n o d e a

n d i s a f u n c t i o n

o f t h e i n c i d e n t l i g h t p o w e r a n d

w a v e l e n g t h .

T h e r e s p o n s i v i t y R ( ) c

a n b e u s e d t o e s t i m a t e t h e a m o u

n t o f

p h o t o c u

r r e n t .

T o c o n v

e r t t h i s p h o t o c u r r e n t t o a v o l t a g

e ( s a y f o r v i e w i n g o n

a n o s c i l l o s c o p e ) , a d d a n

e x t e r n a l l o a d r e s i s t a n c e , R L .

T h e o u t p u t v o l t a g e i s g i v e n a s :

V 0 = P R ( ) R L


32/80

3 2

R e s p o n s i v i t y

T h e r e s p o n s i v i t y o f a p h o t o d e t e c t o r r e l a

t e s t h e e l e c t r i c c u r r e n t

I p f l o w i

n g i n t h e d e v i c e

c i r c u i t t o t h e o p

t i c a l p o w e r P i n

c i d e n t

o n i t . I

p

= e = e P / h

R P

: q u a n t u m e f f i c i e n c y

R e s p o n s i v i t y R = I

p / P = e / h =

/ 1 . 2 4 [ A / W ]

( R e c a l l

t h e L E D r e s p o n

s i v i t y [ W / A ] )

T h e r e s p o n s i v i t y i s l i n e a r l y p r o p o r t i o n a

l t o b o t h t h e q u a n t u m

e f f i c i e n c y a n d t h e f r e e - s p a c e w a v e l e n

g t h .

( e . g . f o r = 1 , = 1 . 2 4

m , R = 1 A / W

)


33/80

3 3

R e s p o n s i v i t y v s . w a v e l e n g t h

R e s p o n s i v i t y R ( A / W ) v s . w a v e l e n g t h w

i t h t h e q u a n t u m

e f f i c i e n

c y s h o w n o n v a r i o u s d a s h e d l i n e s


34/80

3 4

Q u a n t u m

e f f i c i e n c y

T h e q u a n

t u m e f f i c i e n c y ( e x t e r n a l q u a n t u m e f f i c i e n c y ) o f a

p h o t o d e t e c t o r i s t h e p r o b a b i l i t y t h a t a s i n g l e p h o t o n i n c i d e n t o n t h e d e v i c e

g e n e r a t e s a p h o t o c a r r i e r p a i r t h a t c o n t r i b u t e s t o

t h e d e t e c t o r c u r r e n

t .

= ( 1 - R ) [ 1 – e x p ( -

d ) ]

R i s t h e o

p t i c a l p o w e r r e f l e c

t a n c e a t t h e s u r f a c e

, i s t h e f r a c t i o n o f

e l e c t r o n - h o l e p a i r s t h a t c o n t r i b u t e t o t h e d e t e c t o r c u r r e n t , t h e

a b s o r p t i o

n c o e f f i c i e n t o f t h e

m a t e r i a l , a n d d t h e

p h o t o d e t e c t o r d e p t h .

i s t h e f r a c t i o n o f e l e c t r o n - h o l e p a i r s t h a t a v o i d r e c o m b i n a t i o n ( o f t e n

d o m i n a t e

d a t t h e m a t e r i a l s u

r f a c e ) a n d c o n t r i b u t e t o t h e u s e f u l

p h o t o c u r r e n t . S u r f a c e r e c o m

b i n a t i o n c a n b e r e d u c e d b y c a r e f u l m

a t e r i a l

g r o w t h a n d d e v i c e d e s i g n / f a

b r i c a t i o n .

[ 1 – e x p (

- d ) ] r e p r e s e n t s

t h e f r a c t i o n o f t h e

p h o t o n f l u x a b s o r b e d i n

t h e b u l k o f t h e m a t e r i a l . T h e d e v i c e s h o u l d h a v

e a v a l u e o f d t h a t i s

s u f f i c i e n t l y l a r g e . ( d > 1 /

= 1 0 4 c m - 1 , d > 1

m )


35/80

3 5

D e p e n d e n c e o f q u a n t u m

e f f i c i e n c y o n

w a v e l e n g t h s

T h e c h a

r a c t e r i s t i c s o f t h

e s e m i c o n d u c t o

r m a t e r i a l d e t e r m i n e s

t h e s p e c t r a l w i n d o w f o r

l a r g e .

T h e b a n

d g a p w a v e l e n g t h g = h c / E g

i s t h e l o n g - w a v e l e n

g t h

l i m i t o f

t h e s e m i c o n d u c

t o r m a t e r i a l .

F o r s u f f i c i e n t l y s h o r t , a l s o d e c r e a s e

s b e c a u s e m o s t

p h o t o n s a r e a b s o r b e d n e a r t h e s u r f a c e o

f t h e d e v i c e ( e . g . f o r

= 1 0 4 c m - 1 , m o s t o f t h

e l i g h t i s a b s o r b

e d w i t h i n a d i s t a n c e

1 / = 1

m ; f o r = 1 0 5 – 1 0 6 c m - 1 , m o s t o f t h e l i g h t i s

a b s o r b e

d w i t h i n a d i s t a n c e 1 / = 0 . 1 – 0 . 0 1 m ) .

T h e r e c o m b i n a t i o n l i f e t i m e i s q u i t e s h o r t n e a r t h e s u r f a c e , s o

t h a t t h e

p h o t o c a r r i e r s r e c o m b i n e b e f o r e

b e i n g c o l l e c t e d

.

( s h o�

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