CAPITOLUL 6

186 ____________________________________________________________________

DISPOZITIVE CONVERTOARE

FOTON-ELECTRON

6.1 Introducere

Conversia fotonelectron este necesar n prezent din cel puin dou

motive. n primul rnd optoelectronica nu i-a dezvoltat nc o

instrumentaie de msur proprie i apeleaz, deocamdat, la aceast

conversie urmat de msurri pur electronice. n al doilea rnd n casele i n

birourile noastre de lucru toate receptoarele funcioneaz nc pe electroni

(telefon, radio, televizor, PC, ) astfel nct informaia primit pe fibr

optic pe purttoare fotonic trebuie convertit pentru a fi compatibil cu

aceste receptoare clasice.

Conversia foton-electron poate fi realizat cu dou tipuri de

dispozitive:

- dispozitive termice n care absorbia fluxului de fotoni este urmat

de creterea temperaturii dispozitivului i de modificarea unei proprieti de

material (de exemplu rezistivitatea sau starea de polarizaie); aceste

dispozitive nu sunt selective i n general au inerie mare;

- dispozitive cuantice (electronice) n care absorbia fluxului de

fotoni este nsoit de excitarea electronilor pe nivele energetice superioare

(fie din banda de valen n banda de conducie, fie chiar de extragerea

electronilor din cristal n vidul dispozitivului); aceste dispozitive pot avea

inerii foarte mici.

CAPITOLUL 6

__________________________________________________________________ 187

6.2 Dispozitive convertoare cuantice cu jonciuni

semiconductoare

Fie o jonciune semiconductoare pn la echilibru termodinamic

(fig. 6.1,a) cu regiunea de sarcin spaial de dimensiune W i cmpul intern

iE .

Aplicnd un flux de fotoni o acestei structuri, o parte din acest flux

va fi reflectat ( oR unde R este coeficientul de reflexie depinznd de

lungimea de und a radiaiei), n semiconductor penetrnd la x = 0 fluxul

o 1 R .

Dac W , acest flux va fi absorbit n semiconductor genernd

perechi electron gol (fie coeficientul de absorbie).

Deci n adncime rezult:

xox 1 R e

(6.1)

WF

WC

WV

qVB

a

W

p n

q(VB VL)

qVL

b

W

p n

0

x

R 0 0

Fig. 6.1. a jonciune pn la echilibru termodinamic i structura zonelor sale energetice

b jonciune pn sub aciunea unui flux de fotoni 0 i

strutura zonelor sale energetice

iE iE

CAPITOLUL 6

188 ____________________________________________________________________

Purttorii de sarcin minoritari de neechilibru generai de o parte i

de alta a zonei de sarcin spaial de ctre x vor fi accelerai de ctre

cmpul intern spre regiunile cu purttori majoritari de acelai tip. Trecnd

prin zona de sarcin spaial, aceti purttori determin apariia unui curent

IL al crui sens corespunde cu sensul curentului direct din jonciune.

a

0

a

0L e1R1dxx~I

(6.2)

unde: - randamentul cuantic de generare (numrul de perechi electron-

gol generai pe numrul de fotoni incideni);

a adncimea maxim de ptrundere a fluxului de fotoni n

semiconductor.

Electronii i golurile de neechilibru

care tranziteaz zona de sarcin spaial

determin apariia unui cmp electric orientat

n sens invers cmpului intern. Bariera de

potenial qVB (unde q este sarcina

elementar) se va micora cu qVL (figura

6.1,b), ca i cnd jonciunea ar fi polarizat

direct cu tensiunea VL (figura 6.2).

nchiznd circuitul pe rezistena de sarcin RL rezult:

VL = I RL (6.3)

Ls L

qVI I exp 1 I

kT

(6.4)

unde Is este curentul de saturaie de ntuneric.

n regim de gol 0LR ,I din (6.4) rezult:

LL

s

IkTV ln 1

q I

(6.5)

Fig. 6.2. Jonciune pniradiat nchis perezistena de sarcin RL

VL

p n

I

0

RL

CAPITOLUL 6

__________________________________________________________________ 189

n regim de scurt (RL = 0, VL = 0) rezult

LI I

Jonciunea semiconductoare din figura 6.2 poate fi utilizat n trei

regimuri:

- polarizare direct, figura 6.3,a (neindicat deoarece curentul direct

al jonciunii mascheaz curentul IL produs de fotoni);

- polarizare invers, figura 6.3,b (regimul de fotodiod);

- fr polarizare, figura 6.3,c (regimul de celul solar).

6.3 Fotodiode semiconductoare

Dac jonciunea semiconductoare este polarizat cu tensiunea

invers U (regim de fotodiod) curentul prin jonciune va avea expresia:

Ls L

qV qUI I exp 1 I

kT

(6.6)

U

p n

R

-+

0

U

I

a

U

p n

R

- +

0

U

I

b

I

U

p n

RL

0

U

I

c

I

Fig. 6.3. Cele trei regimuri de funcionare a unei jonciuni pn iradiate:a-polarizare direct;b-polarizare invers;c-fr polarizare.

CAPITOLUL 6

190 ____________________________________________________________________

Alegnd LVU i kTqU expresia 6.6 devine:

s LI I I (6.7)

Dac valoarea curentului de

ntuneric Is tinde ctre zero, din relaia 6.2

rezult:

0L ~II (6.8)

relaie de proporionalitate care se

pstreaz aproximativ 9 ordine de mrime.

Rezult deci c o fotodiod de

calitate trebuie alimentat cu o tensiune

invers ct mai mare n valoare absolut

(aproape de limita de strpungere a jonciunii) i trebuie s aib un curent de

ntuneric ct mai mic. Acest ultim deziderat se asigur prin urmtoarele:

- folosirea unui semiconductor de nalt puritate, fr defecte n

reeaua cristalin n special n zona de sarcin spaial, adic fr fenomene

de generare recombinare n volumul acestei zone;

- pasivarea suprafeelor libere ale jonciunii semiconductoare, deci

reducerea la minim a conduciei de suprafa.

Pentru o fotodiod se definete responsivitatea monocromatic

0

L

SI

(6.9)

care din (6.2) devine:

ae1R1~S (6.10)

Pentru o responsivitate ct mai mare trebuie acionat asupra celor trei

factori ai relaiei (6.10).

Randamentul cuantic de generare , fr a lua msuri deosebite,

este mai mare dect 0,9.

Is

Is+IL1

Is+IL202

01

0=0I

U

Fig. 6.4. Dependenacurent-tensiune a uneifotodiode

CAPITOLUL 6

__________________________________________________________________ 191

Din pcate coeficientul de reflexie R este destul de mare

(aproximativ 0,3) din cauza indicelui de refracie mare al materialelor

semiconductoare folosite. Pentru reducerea coeficientului de reflexie se

folosete, ntotdeauna, un strat antireflectant (figura 6.5). Dac se alege gro-

simea acestui strat

01

1

d4n

(6.11)

coeficientul de re-

flexie devine

22

1 0 2

min 22

1 0 2

n n nR

n n n

.

Impunnd pentru stratul antireflectant un indice de refracie

1 0 2n n n la lungimea de und 0 rezult Rmin = 0.

n jurul acestei lungimi de und favorite coeficienii de reflexie au

valori de ordinul

0,06 0,1.

Pentru a ob-

ine rezultate i

mai bune se pot

folosi dou stra-

turi antireflectan-

te (figura 6.6).

Grosimile acestora se aleg :

01

1

d4n

(6.12)

strat antireflectant(AR)

semiconductor

0n0

n1

n2

d1

R 0

Fig. 6.5. Strat antireflectant pesuprafaa semiconductorului

strat antireflectant(AR1)

strat antireflectant(AR2)

semiconductor

0n0

n1

n2

n3

d2

d1

R 0

Fig. 6.6. Strat antireflectant dublu pesuprafaa semiconductorului

CAPITOLUL 6

192 ____________________________________________________________________

02

24d

n

(6.13)

pentru care coeficientul de reflexie devine:

22 2

1 3 2 0

min 22 2

1 3 2 0

n n n nR

n n n n

Alegnd materialele straturilor astfel nct 2 21 3 2 0n n n n se obine la

lungimea de und 0 un Rmin=0. n jurul acesteia Rmin=0,04 0,06.

Tehnologia straturilor antireflectante, singura posibil, este destul de

delicat n primul rnd prin natura materialelor care s aib indicele de

refracie corespunztor (oxid, dioxid sau nitrur de siliciu, oxizi de

aluminiu, titan sau tantal) i n al doilea rnd prin grosimea riguros

controlat a stratului (sute de nanometri, relaiile (6.11) (6.13)).

Din relaia (6.10) rezult c responsivitatea monocromatic S crete

mult dac semiconductorul ales are un coeficient de absorbie mare pentru

lungimile de und dorite

ale fasciculului de fotoni.

n figura 6.7 sunt

reprezentate grafic depen-

dena coeficientului de

absorbie de lungimea de

und pentru semicon-

ductoarele Ge, Si, GaAs,

In0,7Ga0,3As0,64P0,36.

Pentru un semi-

conductor care are coefi-

cientul de absorbie 5 110 cm (de exemplu: Ga As la 0 0,7 m ) dac

zona de absorbie este a = 1m rezult:

(cm-1)

105

104

103

102

10

0,4 0,8 1,2 1,6 0 (m)

Ge

SiGa As

In0,

7 G

a 0,3 A

s 0,6

4 P

0,36

Fig. 6.7 Dependena coeficientului de absorbie delungimea de und pentru unele semiconductoare

folosite pentru fotodiode.

CAPITOLUL 6

__________________________________________________________________ 193

1e1e1 10a

Rezult, deci, necesitatea ca zona de sarcin spaial s fie ct mai

mare, ceea ce este n concordan cu tensiunea invers mare aplicat

structurii pentru liniaritatea rspunsului.

O zon de sarcin spaial ntins asigur i un rspuns n frecven

bun, absolut necesar n condiiile n care fibrele optice asigur debite de zeci

de Gbit/s. Pentru a asigura o vitez de rspuns mare generarea perechilor de

purttori trebuie s aib loc n regiunea de sarcin spaial unde cmpul

imprimat de aproximativ 2104 V/m asigur o vitez mare purttorilor (de

exemplu n Siliciu cu viteza de drift de aproximativ 107cm/s, o zon de

10m este tranzitat n mai puin de 10 ps. Purttorii de sarcin generai de

fotoni n regiunile neutre difuzeaz cu vitez mic afectnd rspunsul n

domeniul timp (pe distana de 10m purttorii difuzeaz n Siliciu n

aproximativ 40ns).

Din punctul de vedere al vitezei de rspuns zona de sarcin spaial

trebuie s fie ct mai ntins, astfel nct, s genereze n aceast zon

perechi electron-gol. Acest deziderat poate fi ndeplinit pe dou ci:

- o tensiune invers ct mai mare n valoare absolut care mrete

dimensiunea zonei de sarcin spaial (n acelai timp mbuntind i

liniaritatea rspunsului);

- dotarea ct mai slab a zonei semiconductoare n care se ntinde

sarcina spaial la limit chiar folosirea unui strat intrinsec ntre zonele

neutre p i n (fotodiodele pin).

Funcionarea n frecven a fotodiodelor este de asemenea limitat de

valoarea constantei de timp RC

jonct . LR R R

0 ACW

unde Rjonct. - rezistena jonciunii;

CAPITOLUL 6

194 ____________________________________________________________________

A suprafaa zonei de sarcin spaial;

Pentru micorarea constantei de timp se lucreaz cu rezistene de

sarcin mici (RL aproximativ 25 50 ), cu tensiuni de polarizare invers

mari (w mare) i cu suprafee A ct mai mici ( tehnologii de fabricaie

MESA).

6.4 Structuri de fotodiode pe siliciu i pe

monocristale AIII BV

Primele structuri de fotodiode

au fost realizate pe Siliciu pentru

fereastra 1 a comunicaiilor pe fibr

optic.

Pe substrat n+ se crete

epitaxial stratul intrinsec n care se

difuzeaz zona p+. Zona de sarcin

spaial cuprinde stratul foarte subire p+ i aproape n ntregime stratul

intrinsec (lrgimea acestei zone w=2050m).

Datorit lrgimii mari a benzii

interzise (1,1 eV) caracteristica spectral

a unei fotodiode pe Siliciu (figura 6.9)

are maximul la aproximativ 0,85 m cu

SM = 0,5 0,6 A/w.

Pentru ferestrele 2 i 3 ale fibrei

optice din SiO2 se folosete

semiconductoarele AIII BV ternare sau

cuaternare.

i

0 AR-

+

n+substrat

p+ difuzat

Fig. 6.8 Structura unei fotodiode pe Siliciu

i

S

0,7

SM

0,8 0,9 1 0(m)

Fig. 6.9 Caracteristica spectral a

unei fotodiode pe Siliciu

CAPITOLUL 6

__________________________________________________________________ 195

n figura 6.10 sunt prezentate

lrgimile benzii interzise ale

compusului Gax In1-x Asy P1-y.

Pentru fereastra 2 (0 = 1,3 m)

trebuie folosit o compoziie cu

iW 0,955eV , iar pentru fereastra

3 (0 = 1,5 m) o compoziie cu

iW 0,822eV .

n figura 6.11 sunt

prezentate dou structuri de

fotodiode AIII BV, ambele

pornind de la un substrat

n+InP. Zona de sarcin

spaial cuprinde stratul

foarte slab dotat n

(pentru

semiconductoarele AIII BV se

obin tehnologic foarte greu

zone intrinseci). Datorit

substratului transparent de

InP fasciculul de fotoni

poate ptrunde n fotodiod

att prin partea superioar,

ct i prin cea inferioar a

structurii.

Varianta MESA,

avnd o suprafa A a zonei

01AR

-

+

Fig. 6.11 Structuri de fotodiode AIII BV :

a varianta planar;

b varianta MESA.

AR02

a

n+ In P (substrat)

p+n In Ga As

n- In Ga As (zona

de sarcin spaial)

n In P (buffer)

+AR

02

-01AR

n+ In P (substrat)

p+ In Ga As P

n- In Ga As (zona

de sarcin spaial)

b

Fig. 6.10. Lrgimea benzii interzise a

semiconductorului Gax In1-x Asy P1-y

0,5

0,5

1

1 xInP

GaP

Ga AsIn As

0,6

eV

0,8

eV

1 e

V

1,4

eV

1,8

eV

y

CAPITOLUL 6

196 ____________________________________________________________________

de sarcin spaial mai mic poate funciona la frecvene modulatoare mari

(zeci de Gbit/s).

6.5 Fotodiode cu avalane

Fotodiodele sunt generatoare de curent, iar datorit valorii mici a

rezistenei RL (pentru a obine viteze mari), tensiunea de ieire este mic

necesitnd amplificare destul de puternic.

Din acest motiv este normal dorina de amplificare a semnalului

electric prin multiplicarea n avalan a purttorilor generai de fluxul de

fotoni.

n acest scop, dispozitivul trebuie s conin o regiune cu cmp

electric foarte intens pentru multiplicarea n avalan a purttorilor de

sarcin fotogenerai. O structur posibil este reprezentat n figura 6.12.

Zona p este o zon ngropat obinut obinuit prin implantare

ionic.

Pentru a obine o uniformitate a multiplicrii n avalan a

purttorilor trebuie asigurat un cmp suficient de mare n materiale

semiconductoare fr defecte.

i

0-

+n+

Fig. 6.12. Structura unei fotodiode pin cu avalan realizat pe Siliciu i

distribuia cmpului electric pe verticala acestei structuri.

AR

p+

p

nn

W

z

zona de

drift

zona de

amplificare

E

CAPITOLUL 6

__________________________________________________________________ 197

Cmpul n zona de drift trebuie s fie i el mare (pentru a obine un

timp de tranzit mic), dar principala cdere de tensiune trebuie realizat pe

zona pn+ care asigur multiplicarea n avalane.

Factorul de multiplicare are expresia

n

str

1M

U1

U

(6.14)

unde Ustr - tensiune de strpungere invers a structurii;

n exponent empiric (n

CAPITOLUL 6

198 ____________________________________________________________________

F M -factorul de zgomot n exces depinznd de caracteristica

jonciunii.

La folosirea fotodiodelor cu multiplicare n avalane nu trebuie

neglijat faptul c din dorina unui

factor de multiplicare ct mai mare

se lucreaz aproape de tensiunea de

strpungere. Dei se folosesc inele

de gard, iar driverele sunt pro-

iectate cu grij, pericolul distrugerii

fotodiodei prin strpungere rmne

foarte mare.

6.6 Celule solare

Structura unei celule solare este prezentat n figura 6.15 mpreun

cu caracteristica sa curent tensiune.

Fasciculul de fotoni genereaz, n zona de sarcin spaial, perechi

electroni-gol care sub aciunea cmpului intern E conduc la apariia unui

potenial la borne.

20

F(M)

W(m)

10

0 2 4 6 8

Fig. 6.14 Dependena factorului de zgomot n exces de lrgimea zonei de sarcin spaial.

M=100

0 I

AR

RL

U n

i

p

I

U

VL

IL arctg. RL

Fig. 6.15. Structura unei celule solare i

caracteristica sa curent-tensiune

CAPITOLUL 6

__________________________________________________________________ 199

n gol (I = 0) acest potenial are expresia 6.5

LL

s

IkTV 1

q I

Energia generat n gol nu poate depi energia benzii interzise

(figura 6.1,a):

L iqV W

Deci pentru Siliciu cu iW 1,1eV potenialul n gol VL nu poate

depi aproximativ 1V pe celul. Pentru a obine poteniale mai mari

celulele solare se nseriaz.

Cel mai mare curent se obine n regimul de scurtcircuit (V = 0)

situaie n care I = -IL.

n regim de sarcin se urmrete pe caracteristica curent tensiune

(figura 6.15) un punct de funcionare n cadranul IV pentru care se poate

obine cea mai mare putere electric la ieire Pemax. . Se definete eficiena

conversiei:

emaxe

0

P

Eficiena este cu att mai mare cu ct a1 R 1 e este mai

mare.

Primele celule solare au fost realizate pe Siliciu monocristalin, dar

eficiena acestuia este n jur de 25% (cu lrgimea benzii interzise de1,1 eV

acesta nu folosete pentru conversie dect fotonii cu 0 1,13 m ). n plus,

preul de cost este mare mai ales atunci cnd pentru cureni mari sunt

necesare panouri solare cu suprafee mari.

Pentru scderea preului de cost se folosete Siliciul policristalin dar

datorit densitii mari a defectelor eficiena de conversie scade la

aproximativ 10% (Siliciul policristalin are lrgimea benzii interzise de

CAPITOLUL 6

200 ____________________________________________________________________

1,7eV, deci folosete din spectrul solar numai fotonii cu 0 0,73 m ).

Un material semiconductor mult cercetat este Cu In Se2 cu lrgimea

benzii interzise de 0,92eV (deci, folosind pentru conversie fotoni pn la

lungimea de und 1,35m.

Bine neles c o soluie foarte bun este utilizarea semicon-

ductoarelor ternare sau cuaternare AIII BV , cu lrgimi ale benzii interzise

mai mici, deci folosind mai eficient ntreg spectrul, ns preul de cost al

acestora este prohibitiv deocamdat pentru bunuri de larg consum (se

folosesc, n prezent, pentru spaiul cosmic prezentnd i o durat de via

mult mai mare dect celulele solare pe siliciu).

6.7 Bibliografie

J. M. Senior. Optical Fiber Communications, New York,

Prentice Hall, 1992, Cap. 10: Optical amplification and integrated optics, p.

512-579.

*** Ultrafast Pulse Amplification In: J. Select. Topics Quantum

Electron, vol. 4, nr. 2, martie/aprilie 1998, p. 376-469.

P. Vavelink i alii. Theoretical Analysis of the Photocurent

Dark Decay in Photorefractive Media, In: IEEE J. Quantum Electron, vol.

36, nr. 6, iunie 2000, p. 692-697.

V. Boucher, A. Sharaiha. Spectral Properties of Amplified

Spontaneous Emission in Semiconductor Optical Amplifiers, In: IEEE J.

Quantum Electron, vol. 36, nr. 6, iunie 2000, p. 708-720.

D. Cassioli i alii. A Time-Domain Computer Simulator of the

Nonlinear Response of Semiconductor Optical Amplifier, In: IEEE J.

Quantum Electron, vol. 36, nr. 9, septembrie 2000, p. 1072-1080.

CAPITOLUL 6

__________________________________________________________________ 201

D. Ban, E. H. Sayent. Influence of Nonuniform Carrier

Distribution on the Polarization Dependence of Model Gain in

Multiquantum-Well Lasers and Semiconductor Optical Amplifiers, In:

IEEE J. Quantum Electron, vol. 36, nr. 9, septembrie 2000, p. 1081-1088.

J. M. Tang i alii. Pump-Power Dependence of Transparency

Characteristic in Semiconductor Optical Amplifiers, In: IEEE J. Quantum

Electron, vol. 36, nr. 12, decembrie 2000, p. 1462-1467.

E. S. Bjrlin i alii. Long Wavelength Vertical-Cavity

Semiconductor Optical Amplifiers, In: IEEE J. Quantum Electron, vol. 37,

nr. 2, februarie 2001, p. 274-281.

S. Blaser i alii. Characterisation and Modeling of Quantum

Cascade Laser Based on a Photon-Assistead Tunneling Transition In: IEEE

J. Quantum Electron, vol. 37, nr. 3, martie 2001, p. 448-455.

H. A. Hans. Optimum Noise Performance of Optical

Amplifiers, In: IEEE J. Quantum Electron, vol. 37, nr. 6, iunie 2001, p.

813-823.

*** Ultrafast Phenomena and Their Applications, In: J. Select.

Topics Quantum Electron, vol. 7, nr. 4, iulie/august 2001, p. 501-744.

G. H. Duan, E. Georgiev. Non-White Photodetection Noise at

the Output of an Optical Amplifier: Theory and Experiment, In: IEEE J.

Quantum Electron, vol. 37, nr. 8, august 2001, p. 1008-1014.

P. Vavelink i alii. An Electron-Hole Transport Model for the

Analysis of Photorefractive Harmonic Gratings, In: IEEE J. Quantum

Electron, vol. 37, nr. 8, august 2001, p. 1040-1049.

J. Yu, P. Jeppesen. Increasing Input Power Dynamic Range of

SOA by Shifting the Transparent Wavelength of Tunable Optical Filter, In:

IEEE J. Lightwave Technol., vol. 19, nr. 9, septembrie 2001, p. 1316-1325.

CAPITOLUL 6

202 ____________________________________________________________________

M. Achtenhagen i alii. Gain and Noise in Ytterbium-Sensitized

Erbium Doped Fiber Amplifiers: Measurements and Simulations, In: IEEE

J. Lightwave Technol., vol. 19, nr. 10, octombrie 2001, p. 1521-1526.

L. Occhi i alii. Intraband Gain Dynamics in Bulk

Semiconductor Optical Amplifiers: Measurements and Simulations, In:

IEEE J. Quantum Electron, vol. 38, nr. 1, ianuarie 2002, p. 54-60.

E. S. Bjrlin, J. E. Bowers. Noise Figure of Vertical-Cavity

Semiconductor Optical Amplifiers, In: IEEE J. Quantum Electron, vol. 38,

nr. 1, ianuarie 2002, p. 61-66.

E. V. Vanin i alii. Spectral Functional Forms for Gain and

Noise Characterization of Erbium-Doped Fiber Amplifiers, In: IEEE J.

Lightwave Technol., vol. 20, nr. 2, februarie 2001, p. 250-254.

P. Royo i alii. Vertical Cavity Semiconductor Optical

Amplifiers: Comparison of Fabry-Perot and Ratte Equation Approaches,

In: IEEE J. Quantum Electron, vol. 38, nr. 3, martie 2002, p. 279-284.

K. Dreyer i alii. High Gain Mode-Adapted Semiconductor

Optical Amplifier with 12.4 dBm Saturation Output Power at 1550 nm, In:

IEEE J. Lightwave Technol., vol. 20, nr. 4, aprilie 2002, p. 718-721.

H. Shi. Performance Analysis on Semiconductor Laser

Amplifier Loops Mirrors, In: IEEE J. Lightwave Technol., vol. 20, nr. 4,

aprilie 2002, p. 682-688.

A. Mosi i alii. 1.58 m Broad-Band Erbium-Doped Tellurite

Fiber Amplifier, In: IEEE J. Lightwave Technol., vol. 22, nr. 5, mai 2002,

p. 822-827.