OPTIČKI PREDAJNICI I PRIJEMNICI Adrija Kuarac, dil.iž 1. UVOD Svetlosi izvori su viđei kao aktive komoete u otičkim komuikacioim sistemima. Osova fukcija je koverzija električe eergije u otičku eergiju. Postoje tri tia svetlosih izvora: -široko-ojasi izvori sa kotiualim sektrom (lame); -moohromatske, ekoherete svetlose izvore LED; -moohromatske, koherete izvore lasere. Raije (1965-1970), glavi svetlosi izvor je bio He-Ne gasi laser sa visokom izlazom sagom za komezaciju visokog slabljeja raijih otičkih vlakaa. Daas, sa velikim smajejem slabljeja, razvoj olurovodičke tehologije as je doveo do drugih svetlosih izvora (laser i LED). Zahtevi za svetlosim izvorima za otičke komuikacije u telekom i iformatičkim mrežama su otuo doveli do uotrebe LED i laser-a. Ovi zahtevi su: -veličia i fizički dizaj bi trebali biti sosobi za reos svetlosti kroz otičko vlako; -emitovaa svetlost mora imati talasu dužiu koja odgovara ajižem slabljeju i diserziji vlaka. Dalje, talasa dužia svetlosti mora odgovarati maksimaloj osetljivosti detektora; -dioda mora omogućiti modulaciju reko šireg osega talasih dužia, osega od govorih frekvecija do desetia GHz; -diode moraju reeti glavi deo emitovae sage vlaku tako da urkos gubitcima u vlaku, koektorima, slajsevima itd. dovolja saga dođe do detektora a drugom kraju sistema; -diode moraju imati vrlo uzau sektralu širiu zbog smajeja diserzije u vlaku; -diode moraju imati kostatu otičku izlazu sagu, ezavisu od temerature ambijeta; -diode moraju biti relativo jeftie. Prvi otički sistemi uključuju svetlose izvore za talase dužie oko 850m, jer su kombiacije materijala u rvim laserskim diodama bile takve da su radile a ovoj talasoj dužii. Vlaka su bila multimoda, tia ste ideksa relamaja, a daljie reosa su bile relativo kratke. U daašjim telekomuikacioim sistemima, laseri su talase dužie 1300-1550m i vlaka su moomoda takođe ste ideksa relamaja. Svetlosi detektori redstavljaju elemete koji kovertuju svetlose sigale u električe, a u osovi su takođe olurovodički elemeti a bazi silicijuma. Foto osetljivi silicijumski olurovodički elemet u obliku - soja sa iverzom olarizacijom redstavlja fotodiodu. Kada se svetlost određee talase dužie usmeri a - soj olurovodika, formiraju se arovi elektroa i šuljia koji se kreću kroz soj od dejstvom olja koje se stvara reko isražjee zoe. Kao rezultat javlja se struji tok u soljjem kolu koji je srazmera itezitetu svetlosti usmeree a soj. Dioda ima mali temeraturi koeficijet, a vreme usostavljaja je reda isod mikro sekude. Vreme usostavljaja i brzia su zavisi od oblika i količie doiraja soja. Svi silicijumski svetlosi detektori sastoje se od fotodiodog soja i ojačavača. Kod komercijalih dioda struja je reda isod mikro amera a do desetie mikro amera, a sa dodatkom ojačavača a čiu ostiže relativo isku ceu. Polurovodička tehologija koristi samo ekoliko materijala za sustrate a kojima su aktivi uređaji aravljei. To su Si, GaAs, Ge i IP. Drugi sustrati su takođe rasoloživi, ali ili su skui (>100$), ili imaju visoku kocetraciju defekata, ili ih ima u jako malim veličiama (ekoliko milimetara). Kao rezultat gore avedeog, izvor materijala za detektore je ograiče. Svaka oseba oblast rimee ima svoju secifičost u ogledu izbora materijala koji se koristi. Nove oblasti se šire gotovo devo. Nije moguće oisati sve zoe rimee koje sadrže ili će uskoro sadržati eke oblike laserske diode. Telekomuikacioa idustrija je bila i još je ajmoćija vodeća saga iza istraživaja i razvoja. Za vreme 1980. godie, telekomuikacije su se aglo romeile zameom bakarih kablova i tradicioale elektroike sa otičkim vlakima i laserskim diodama. Otičko vlako ima karakteristike koje su ajbolje za reos talasih dužia oko 1310m i 1550m. Ovo vodi razvoju laserskih dioda i LED za ove talase dužie. Nosilac sa ovom frekvecijom (oko x10 14 Hz) daje eorme mogućosti kaaciteta modulacije. Ako se koristi moomodo vlako, daašji telekomuikacioi sistemi mogu reeti,4gbit/s, a sistemi za 10Gbit/s su već očeli da se testiraju.,4gbit/s su ekvivaleti sa skoro 3000 simultaih telefoskih razgovora o aru vlakaa. Međutim, još uvek domiira rodaja lasera za kratke talase dužie (650-850m). Najviše se koriste u digitaloj audio tehologiji, bolje ozatoj kao CD. Ova tehologija se takođe koristi za digitale video sigale. Za komuikacije a velikoj razdaljii se koriste fotoi sa talasom dužiom od 1,55μm ili 1,3μm budući da su gubici usled trasmisije u otičkom vlaku vrlo mali a ovim talasim dužiama. Prema tome otreba je detektor za reagovaje a ove eergije. Čisti GaAs e može da reaguje a ove eergije fotoa jer je jegova graica talasa dužia ~0,8μm. Među složeim olurovodicima, legure od IGaAs, IGaAsP, GaAlSb, HgCdTe mogu se odesiti da reaguju a ove eergije. Eergetski roce detektora mora biti iži od eergije fotoa tako da koeficijet asorcije bude začaja. Najčešći materijal koji se koristi za komuikacije a velikim razdaljiama je I 0,53 Ga 0,47 As. Takođe, u legurama složeih olurovodika koristi se kao rimesa i Ge. Ovaj detektor se koristi kao avalaš fotodetektor za oboljšaje ojačaja uređaja. U lokalim mrežama (LANs) gde otički sigal ima roagaciju oko kilometra emitori a bazi GaAs mogu biti korišćei. Ovi uređaji emituju a ~0,8μm i mogo su jeftiiji od uređaja koji emituju a 1,55μm ili 1,3μm. Složei olurovodički detektori koji se koriste za komuikacije a velikim razdaljiama mogu se takođe koristiti i za lokale mreže, ali ovde je Si sasvim dobar materijal.
. LASERSKE DIODE Prva laserska dioda baziraa a olurovodičkoj tehologiji je rikazaa 196. godie. Najveći razvoji u laserskoj tehologiji su rimaro zavisili od dva faktora: sosobost ovih tehologija da roizvedu bolje, maje i jeftiije olurovodičke lasere i broj oblasti rimee. Razvoj u olurovodičkoj tehologiji ije bio išta maje dramatiča i rezultovao je majim, ali komleksijim komoetama. Bilo je moguće razviti laserske diode za duže i kraće talase dužie, veće izlaze sage, bolje kotrolisau otičku radijaciju i duže vreme života. U skladu sa ovim razvojem širio se i broj rimea. Laserske diode su vrlo komakte, visoko efikase za masovu roizvodju. roceom u oba ravca. Ovo daje dobru kotrolu reko osilaca i geerisae otičke radijacije. Slika okazuje rofile tri tia moderih laserskih struktura. Prva (gore levo) je običa B-H struktura oisaa izad. Gore deso je "v-brazda" laser. Treći laser je "iviči laser". Svi gorji laseri mogu se koristiti sa rostom Fabry-Perot-ovom šuljiom koja daje multimodo oašaje sektra tj. laserske oscilacije mogih frekvecija u isto vreme. Ako želimo moomodi sektar, koji je otreba za ajveći broj rimea, moramo araviti otičku šuljiu kao mrežu i to su tzv. "laseri sa rasodeljeom ovratom sregom" (DBF laser)..1. Laserska struktura rostog lasera Za otimizaciju erformasi laserske diode za što je moguće šire rimee, različite strukture su bile razvijae. Najrostija laserska dioda je azvaa Fabry-Perot-ov laser. Fabry-Perot je ime otičke šuljie tj. uređeje ogledala koje daje ovratu sregu u laserskom oscilatoru. Ogledala su dobijea rezajem kristalih ovršia oba kraja. Razlika u ideksu relamaja između vazduha i olurovodika izaziva delimiču refleksiju koja omogućava ekom delu radijacije da izađe aolje iz lasera, a ekom delu da bude reflektova. Ovi rosti laseri često daju eliearu izlazu sagu. Slika Heterosoje laserske diode. Gore levo i deso: dva različita tia BH laserske diode-jeda laara i druga e laara. Dole: iviča laserska dioda. 3. LED Druga važa komoeta za fiber otičke komuikacije je LED. LED se razlikuje od laserske diode to što LED ije stimulisaa emisija. LED ima ekoliko edostataka u oređeju sa laserskom diodom: Slika 1 Prostiji laserski dizaj. Ovaj ti lasera ozat kao Fabry-Perot-ov laser ima samo - soj. Iz ovog razloga je azva homosoji laser... Laser sa heterostrukturom Heterostruktura zači da je - soj aravlje od ekoliko slojeva sa različitim eergetskim roceima. Promea u eergetskim roceima utiče a ideks relamaja i kretaje osilaca. Dizajirajem - soja tako da sadrži take (<0,5μm) slojeve sa iskim eergetskim roceom okružee sa slojevima sa višim eergetskim roceom, osioci i otička radijacija su bolje ograičei u trasverzalom ravcu. Ovo daje ižu struju raga i bolju stabilost moda. Za dobijaje istih redosti takođe u latelarom ravcu moramo širiti laserski materijal u ekoliko koraka sa uzorkovajem i agrizajem između. Zajedički metod je rvo rast heterostrukture. Tada osle jedog agrizaja dalje sav materijal osim oštre ivice će ostati laserska šuljia. Posle toga ovi materijal sa različitim sastavom oovo raste a strai ivica. Ovaj materijal je izabra da ima širi eergetski roce od aktivog sloja u - soju. Sada imamo laser sa aktivim slojem okružeim materijalom sa većim -iža saga koja ulazi u vlako; -relativo mala sosobost modulacije; -širi otički sektar. Ovi edostatci utiču da je LED mogo maje atraktiva od laserske diode. Međutim, LED ima mogo redosti u odosu a lasersku diodu i u mogim situacijama može dorieti izboru LED u odosu a lasersku diodu: -rostija izrada; -jeftiija; -iža osetljivost a temeraturu. Ove redosti i edostaci zače da se laserska dioda uglavom koristi za komuikacije a velikim udaljeostima, dok se LED rimaro koristi u LAN i TV moitorig sistemima. Jedostavost LED čii je vrlo atraktivim uređajem za dislej i rimee u komuikaciji. Laserska dioda se koristi tamo gde je otreba vrlo velika brzia modulacije ~5GHz ili gde je otreba čist otički sektrali izlaz. Sektrala širia otičkog izlaza LED je reda k B T tj. retvoreo u talase dužie od 300-400Å a soboj temeraturi. Iako je ovo velika vredost, LED roizvodi jedu boju za ljudsko oko. Prema tome LED može biti korišćea vrlo efikaso u kolor dislejima. Važa skorašja
rimea LED je u izvodima svetala u automobilima, rimea koja bi trebalo da LED ačii vrlo važim komercijalim uređajem. Osova LED je - soj koji je direkto olarisa da ubacuje elektroe i šuljie a i strau resektivo. Ijektovao majisko aelektrisaje rekombiuje se sa većiskim aelektrisajem u osiromašeoj ili eutraloj oblasti. U olurovodicima sa direktim roceom, ova rekombiacija dovodi do emisije svetlosti ošto radijativa rekombiacija domiira u visoko kvalitetim materijalima. U materijalima sa idirektim roceom, sosobost emisije svetlosti je sasvim mala i češća rekombiacija je eradijativa tj. geeriše tolotu re ego svetlost. Uređaji koji emituju svetlost su jeda klasa uređaja koja je dala okretačku sagu za komozu olurovodičku idustriju. Pošto je Si materijal sa idirektim roceom, radijativa rekombiacija je vrlo slaba, ovaj materijal, koji domiira svim drugim oblastima elektroike ima mogo edostataka kad dolazi do emisije svetlosti. Skoro svi otoelektroski svetlosi izvori zavise od eitaksijalog kristalog rasta gde taki aktivi sloj (ekoliko mikroa) raste a sustratu (koji je ~00μm). Dostuost visoko kvalitetih sustrata je ekstremo važa u eitaksijaloj tehologiji. Ako rešetka sustrata ije usaglašea sa aktivim slojem uređaja, aktivi sloj može imati dislokacije u druge defekte. Ovo može ozbiljo okvariti erformase uređaja. Važi sustrati koji su rasoloživi za tehologiju emisije svetlosti su GaAs i IP. Nekoliko olurovodika i jihovih legura mogu se usaglasiti sa ovim sustratima. Kostata rešetke legure je oterećea običo kostatama rešetke osebih komoeti tj. kostata rešetke legure je: 3.1. LED sa dvostrukom heterostrukturom Struktura LED je rikazaa a slici 3. LED se sastoji od - sloja GaAs između -sloja AlGaAs i -sloja AlGaAs. Kad se rimei ao, elektroi se kreću od -sloja u -sloj GaAs gde oi ostaju majiski osioci. Ovi majiski osioci difuduju od graiče ovršie i rekombiuju se sa šuljiama. Za vreme rekombiacije, eergija u formi fotoa se emituje. Eergija (frekvecija) ovih fotoa odgovara eergiji eergetskog rocea GaAs -sloja. Elektroi su srečei da difuduju u AlGaAs -sloj otecijalom barijerom između dva -sloja. Pošto se elektrolumiescecija samo dešava u takim GaAs slojevima, dobra itera kvata efikasost i visoka gustia soa su dobijei. Svetlost je emitovaa bez očetka reasorcije u AlGaAs sloju, jer je eergetski roce u ovom sloju mogo veći od eergije emitovae svetlosti i eergetskog roceca GaAs. LED sa DH strukturom su uobičajee kad se e zahteva kohereta svetlost, ali visoka efikasost da. Nedostatak je da je deo svetlosti koji ulazi u vlako relativo mali. = + ( a all xaa 1 x) a B gde je a A i a B kostate rešetke A i B. Važi olurovodički materijali korišćei u otoelektroici su legure Ga x Al 1-x čija je rešetka usaglašea vrlo dobro sa GaAs sustratom; I 0,53 Ga 0,47 As i I 0,5 Al 0,48 As čije su rešetke usaglašee sa IP; IGaAsP koji je četvori materijal čiji sastav se može odesiti da se usaglasi sa IP i može emitovati a 1,55μm; GaAsP koji ima dostua širok oseg eergetskog rocea. Pouzda SiC LED se alazi u slobodoj rodaji iako samo ekoliko sabdevača se može susresti sa tehološkim izazovom. Važo je imati a umu da eke legure kao GaAlAs i GaAsP ostaju materijali sa idirektim roceom u izvesim sastavima. Za efikasu emisiju svetlosti, moramo raditi u oblasti direktog rocea. Međutim, sa izvesim ečistoćama možemo dobiti svetlosu emisiju i u materijalu sa idirektim roceom. Neki materijali sa idirektim roceom mogu, međutim, imati odošljiv radijativi koeficijet korisog dejstva ako se doiraju sa izvesim ečistoćama. Nečistoće kreiraju ivoe u eergetskom roceu i asorcija fotoa je dozvoljea kretajem elektroa reko ovih ivoa. Asorcioa i emisioa brzia su maje od oih sa direktim roceom. GaAsP legura je jeda olurovodik u kojem su ivoi ečistoća široko korišćei za roizvodju LED. Međutim, ošto je efikasost svetlose emisije siromaša, ije bilo moguće koristiti ove ivoe ečistoća za roizvodju laserske diode. Slika 3 Dvostruki heterosoj (DH) LED. Gorja ilustracija okazuje različite slojeve. Doja okazuje eergetski dijagram LED. 3.. Burrus LED sa emitujućom ivicom Slika 4 okazuje Burrus LED sa koektovaim vlakom. Nagrižei kaal u -sloju GaAs može se otuo videti. Dalje agrizaje skoro ulazi u -sloj reko male ovršie (kaal), asorcija svetlosti je smajea u ovom sloju, dok ostatak -sloja omogućava relativo jaku struju kroz diodu. LED a slici isod je bila aravljea za talase dužie osega 800-900m. Itera asorcija je miimiziraa zahvaljujući velikom eergetskom roceu u slojevima susedim aktivoj zoi. Zadji reflektujući sloj SiO daje jako veliku direktu radijaciju. Širia kaala odgovara rečiku vlaka za dobijaje ajboljih mogućih srega svetlosti u vlako. Otimalo srezaje je dobijeo kad radijativa ovršia odgovara ovršii svetlovoda vlaka. 3
Slika 4 Burrus-ov ti diode sa agrižeim kaalom za miimizaciju asorcije u -sloju GaAs. 3.3. LED sa emitujućom ivicom U ovoj LED, korišćea tehika trasarecije slojeva je kombiovaa sa vrlo takim aktivim slojem (50-100μm). Svetlost geerisaa u ovom drugom o redu sloju je razasuta direkto u trasareti sloj, smajujući samoasorciju. Trasareti sloj fukcioiše kao talasovod, a je svetlosi kous sa uglom 30 u odosu a vertikalu ovrš i oko 10 u odosu a horizotalu rava (slika 5). Jeda kraj ovršie je okrive reflektujućim slojem, što zači da je skoro sva radijacija usmerea u jedom ravcu. Korišćejem trasaretih talasovoda, 4-7 uta više svetlosti može biti ubačeo u otičko vlako sa malom umeričkom aerturom (NA). Slika 6 Dijagram izad okazuje relaciju između struje i izlaze sage. Laserska dioda fukcioiše kao odgovarajući LED do tačke aoa raga. 4.3. Radijacioa leeza Radijacioe leeze za lasersku diodu i LED (slika 7) su dosta različite. Radijacija lasera ima više direktu leezu, dok radijacija LED ima skoro kružu. Slika 7 Različiti radijacioi uglovi između LED i laserske diode. 4.3. Sektrala širia laserske diode i LED Slika 5 LED sa emitujućom ivicom. 4. KARAKTERISTIKE LED I LASERSKE DIODE 4.1. Koeficijet iskorišćeja LED Nedostatak otičkog ojačaja kroz stimulisau emisiju zači da koeficijet iskorišćeja LED je otuo zavisa od koliko mogo elektroa su geerisai obuđei fotoi. Kvata efikasost od oko 50% može se dobiti za homosoji LED. Ako se koristi heterosoja LED, koeficijet iskorišćeja je 60-80%. 4.. Izlaza saga Najveću razliku između laserske diode i LED (slika 6) možemo uočiti osmatrajem I-P dijagrama za obe komoete. Laserska dioda ima isti ti krive kao LED do tačke (aoa raga) kada struja izazove lasersku diodu da emituje. Posle ove tačke (stimulisaa emisija), izlaza saga laserske diode raste oštrije i više liearo. LED, koja je baziraa a sotaoj emisiji, ema tačku aoa raga. Sektrala širia lasera i LED je širia otičkog sektra. Otički sektar sastoji se od osioca koji u ovom slučaju ima frekveciju oko 10 14 Hz. Drugo, ako su LED i laserska dioda modulisae, boči osezi će se ojaviti a obe strae osioca samo za eke redajike. Frekvecijska čistoća sigala laserske diode je bolja ego LED. Uzimajući relaciju između frekvecije i talase dužie f=c/λ, dobijamo relaciju: Δf=(c/λ²)Δλ Vidimo da je širia laserskog sektra mogo šira od električo-modulisae širie osega od ekoliko GHz. Ovo objašjava da boči osezi isu direkto uticaji a otički sektar. Sektrala čistoća ili širia liije emitovae radijacije je važa karakteristika otičkih uređaja. Važost sektrale čistoće emitovae svetlosti zavisi od rimee. Ako se LED koristi u dislejim uređajima, sektrala čistoća ije bita. Međutim, u rimeama za otičke komuikacije sektrala čistoća je vrlo važa. Svetlosi imulsi različitih talasih dužia utuju kroz otičko vlako različitom brziom. Prema tome sigal dobija distorziju ako otički so ima veće šireje talase dužie. Emisioi sektar je bito određe 4
1 roizvodom e e h h ( ω E g) f ( E ) f ( E ). Ovo je kovolucioi roizvod verovatoća zauzetosti elektroa i šuljia. Pri iskoj ijekciji, ova širia je reda k B T. Pri visokoj ijekciji ova širia je: E ~ kbt Nc gde je N c efektiva gustia staja. Za komuikaciju a velikim daljiama, izlaz LED ije adekvata a se laserska dioda mora koristiti. Važo ograičeje olarizacije lasera ri velikim strujama zavisi od katastrofičog otkaza laserske strukture. Ovo je važo za vreme života i ouzdaost lasera. Pri visokoj struji, oštećeje se može desiti u laserskoj ovršii koja može smajiti refleksivost R a gubitak šuljie raste. Ovo meja struju aoa raga i smajuje izlaz fotoa. Evetualo se može desiti i otkaz. Prema tome, otreba za visokim erformasama lasera je u surotosti sa vremeom života lasera. 6. OPTIČKI DETEKTORI 6.1. Fotodioda - tia Slika 8 Otički sektar gasog lasera sa ekstremo uskom sektralom širiom, multimoda laserska dioda sa sektralom širiom -5m i LED sa tiičom sektralom širiom više od 40m. 5. MODULACIJA Najrostija, i daas ajviše zastuljea, modulacija je samo rekidaje svetlosti u zavisosti od jediice ili ule. Ova modulacija je azvaa imulsa koda modulacija tj. IKM. Druge vrste modulacije su: amlituda, frekvecijska i faza modulacija (slika 9) Fotodioda koja sadrži samo - soj redstavlja ajrostiji ti fotodiode i kao takav se ajmaje koristi. Slika 10 okazuje - fotodiodu. Kao što možemo videti a ilustraciji, fotodioda ima samo - soj. Kad se dioda riključi a egativa ao, električo olje ravi osiromašeu oblast u oblasti soja. Nosioci aelektrisaja će rema tome austiti oblast soja i araviti vrlo veliku otorost. Uadi fotoi sa eergijom većom od eergije eergetskog rocea će kreirati arove elektro-šuljia. Parovi mogu biti formirai u tri različite oblasti - diode. Na slici 10, ove tri oblasti su ozačee sa A, B i C. U oblasti A, uadi fotoi kreiraju slobode elektroe i šuljie. Pošto je električo olje aravljeo iverzim aoom, elektroi će sorije driftovati rema osiromašeoj oblasti i reko je, kreirajući tok aelektrisaja. Elektroi će reći osiromašeu oblast ako je olje maje od difuzioe dužie osiromašee oblasti. Difuzioa dužia je defiisaa kao razdaljia koju ređu majiski osioci re ego što se rekombiuju. Drift reko A i C oblasti je sor a roizvođači fotodioda teže za kostrukcijom sa miimalom detekcijom u ovim oblastima. Ako, međutim, fotoi kreiraju arove elektro-šuljia u osiromašeoj oblasti B, kreirai elektroi će driftovati brže rema -oblasti, a šuljie rema -oblasti. Ova brzia kretaja zavisi od veličie električog olja u ovoj oblasti. Tok osioca aelektrisaja kreira električu struju. Difuzioi rocesi u oblastima A i C su relativo sori. Primejujući vrlo lako doirau oblast između i oblasti azvau sostvea oblast i ravljejem -sloja takog i virtuelo trasaretog, roizvodja arova elektrošuljia može biti ograičea skoro isključivo a osiromašeu oblast B. Rezultujuća kostrukcija azvaa PIN dioda je sa mogo većim koeficijetom iskorišćeja od roste - diode. Slika 9 Različiti tiovi modulacije korišćei u reosu iformacija. 5.1. Soljašji efekti modulacije Za modulaciju lasera a velikim brziama, laser mora biti olarisa za što je moguće veći izlaz fotoa. Ovo zahteva vrlo veliku struju u direkto olarisaoj diodi. Ako laser oče da se greje, skoro sve erformase se degradiraju. Prema tome, regulisaje grejaja lasera je kritiča tehološka komoeta svakog visoko brzog redajika. Međutim, ostoji graica koliko mogo tolote se može odvesti sa lasera. Graice struje a kojim laser može biti olarisa mogu ograičavati visoko brzi odziv lasera. Slika 10 Uadi foto može izazvati rodukciju arova elektro-šuljia u tri različite oblasti u - diodi. Međutim, brza detekcija se dešava samo u B tj. osiromašeoj oblasti. 5
gde su D -difuzioi koeficijet šuljia a τ -vreme rekombiacije šuljia. Graiči uslovi su: Slika 11 Šema koja oisuje jačiu olja u - diodi. Slika 1 rikazuje - diodu sa osiromašeom oblasti širie W. Fotostruja koja roističe iz asorbovaih fotoa u osiromašeoj oblasti je rema tome: 1 1 1 = + τ τr τr δ( x 0) = GLτ ev δ( x = 0) = ex 1 k T B Rešeje jedačie kotiuiteta ja dato kao zbir rešeja homogee i artikulare jedačie. Homogea jedačia za G L =0 ima oblik d δ δ dx L sa rešejem za dugačku diodu: δ ' = A ex( Partikulara jedačia ima oblik: = 0 x ) L '' δ GL = L D δ '' = GLτ ili Rešeje je rema tome zbir rešeja homogee i artikulare jedačie. x L δ = Aex( ) + GLτ Slika 1 Šema - diode i kocetracije majiskih osilaca u odsustvu i risustvu svetlosti. gde je A ovršia orečog reseka diode. Usled elektroa i šuljia koje deluju u I L1 i kreću se od dejstvom velikog električog olja odziv je vrlo brz i ova komoeta struje je azvaa brza fotostruja. Na fizičkoj odlozi možemo očekivati da šuljie geerisae uutar dužie L (difuzioa dužia) od osiromašee oblasti će biti sosobe da uđu u osiromašeu oblast gde će ih električo olje rebaciti a - strau. Sličo, elektroi geerisai uutar dužie L od x =0 osiromašee oblasti će takođe sačijavati ovu struju. Prema tome fotostruja bi trebala biti sačijea od svih osilaca u oblasti (W+L +L ). Koristićemo diodu teoriju i aroksimacije da dobijemo fotostruju. Poći ćemo od jedačie kotiuiteta i retostavke da su arovi elektrošuljia geerisai uiformo u G L. Jedačia kotiuiteta za šuljie u -oblasti je: Koristeći graiče uslove dobijamo vredost za kostatu A. Ovo daje a kraju koačo rešeje za višah šuljia u eutraloj oblasti: ev x = ) k T L δ ( x) ex 1 GLτ ex( + B GLτ Ako je dioda ostavljea u kolo tako da je ao a jeim krajevima 0 tada je x δ ( x) = GLτ 1 ex( ) L tako da je struja šuljia, određea osiocima asorbovaim u eutraloj -oblasti: I dδ AeD dx L = x = 0 = eglla δ D x δ τ + G L = 0 Struja elektroa može biti izračuata a sliča ači tako da je ukua struja određea osiocima u eutraloj oblasti i osiromašeoj oblasti: δ = ( x) I = I + I + I = egl( L + L W L L L L1 + ) A 6
Ukua struja u diodi uključeoj u kolo je zbir struje u odsustvu svetlosti i struje geerisae od uticajem svetlosti. Uošte, ako je ao a diodi V struja je: I = I L + I 0 ( V RsI ) e + 1 ex mkbt Gde je R S dioda seriska otorost, m faktor idealosti a V ao a diodi. η P = P m cov x100 = i ImV Pi x100( ercet) U koeficijetu koverzije solare ćelije, važo je aomeuti da fotoi koji imaju eergiju ω maju od eergetskog rocea eće roizvesti arove elektro-šuljia. GaAs solare ćelije su bolje odešee za solari sektar i obezbeđuju veće koeficijete, međutim, tehologija je mogo skulja kad je uoredimo sa Si tehologijom. GaAs solare ćelije se koriste samo za osebe rimee dok Si solare ćelije se koriste za rimee gde cea igra ključu ulogu. m Slika 13 Ekvivaleto kolo fotodiode. Uutrašje karakteristike uređaja su redstavljee šat otorikom R sh i kaacitivošću C D. R je serijska otorost diode. 6.1.1. Primea u solarim ćelijama Važa rimea - diode je koverzija otičke eergije u električu eergiju kao u solaroj ćeliji. Solara ćelija radi bez soljašjeg dovoda i sama koristi otičku eergiju za geerisaje aoa i struje. Za izračuavaje važih arametara solare ćelije razmatramo slučaj diode u otvoreom kolu tako da je struja I jedaka uli. Ovo daje evoc I = 0 = IL I 0 ex( ) 1 mk T B gde je V oc ao a diodi i ozat kao ao otvoreog kola. Za ovaj ao dobijamo V mkbt = l(1 e L oc + I 0 Za visoke otičke itezitete ao otvoreog kola može da se ribliži eergetskom roceu olurovodika. U slučaju Si solarih ćelija vredost V oc je oko 0,7eV. Drugi ograičavajući faktor u solaroj ćeliji je kada je izlaz kratko soje, tj. R=0 i V=0. Struja kratkog soja je tada: I ) Slika 14 Relacija između struje i aoa koje daje solara ćelija. Nao otvoreog kola je V oc a struja kratkog soja I sc. 6.1.. Amorfe Si solare ćelije Amorfi Si filmovi se deouju arom hemijskom metodom a riličo iskim temeraturama (~600 C). U rocesu deozicije dobar deo hidrogea se ugradi u film i omaže boljem kvalitetu filma. Amorfi Si filmovi se mogu deoovati a skoro sve sustrate koji ih čie vrlo jeftiim i uiverzalim. Elektroske karakteristike amorfog Si isu tako loše kao što je rirodo očekivati. Gustia staja tiičog a-si filma je rikazaa a slici 15. Ovi filmovi imaju visoku gustiu dozvoljeih staja u domeu eergetskog rocea. Međutim, ova staja su strašo "lokalizovaa". Njihov oseg u rostoru je sasvim mali. I=I sc =I L Grafik struje diode u solaroj ćeliji u fukciji aoa diode je kriva rikazaa a slici 14. U ošte, električa saga je data: ev P = IV = I V I (ex( ) kbt 1 V L 0 ) Maksimalu sagu dobijamo za vredost aoa V m i struje I m kao a slici 14. Koeficijet koverzije solare ćelije je defiisa kao količik izlaze električe sage i ulaze otičke sage. Kada solara ćelija radi u uslovima maksimale sage, koeficijet koverzije je: Slika 15 Šema efekta ereda u amorfom materijalu a gustiu staja. Prikazao je oređeje amorfog i idealog kristala. Pokrete ivice redstavljaju efektivi eergetski roce u amorfom materijalu. 7
Kada se riroda elektroskih staja romei od lokalizovaih do soljašjih u skladu sa tim se okretljivost meja od vrlo iske (<=1cm²/Vs) do relativo visoke (~10cm²/Vs). Eergetsko mesto gde se ovaj relazak dešava se zove ivica okretljivosti. Ivica okretljivosti defiiše efektivi eergetski roce za a-si film i u velikom broju filmova efektivi roce je ~1,6eV. Važa ozitiva asekt a-si je da vertikalo k ravilo odabiraja koje daje isku otičku asorciju u kristalom Si e rimejujemo. Ovo je zbog toga jer je k ravilo odabiraja rimeljivo strikto u savršeim kristalima gde elektroska staja imaju formu ravaskog talasa. Kao rezultat a-si može imati visok koeficijet asorcije i jeda taki film je otreba za asorciju solare ćelije. Laka izrada a-si filmova čii ih vrlo atraktivim za alterative izvore eergije. Pre završetka riče o solarim ćelijama važo je aomeuti da heterosojevi mogu takođe biti korišćei za solare ćelije. Korišćeje više od jedog eergetskog rocea može oboljšati koeficijet koverzije, ali je tehologija aravo skua i koristi se samo u osebim slučajevima. 6.. PIN dioda - dioda je otuo dovolja za detekciju vidljive svetlosti, ali za detekciju ifracrvee svetlosti (duže talase dužie) moraju se razviti drugi tiovi fotodiode. Svetlost sa dužim talasim dužiama rodire dublje u -sloj ego kraće talase dužie. Jedo rešeje se može araviti tako da je materijal taji, ali u tom slučaju će se mogi arovi elektro-šuljia rekombiovati u oblasti bez kreiraja toka aelektrisaja. Umesto toga, relativo taak sloj lako doiraog olurovodika je ubače između i sloja (slika 16). PIN dioda je vrlo sosoba za detekciju svetlosti sa dužim talasim dužiama od vidljive svetlosti. Sostvei sloj, ili i-sloj, skoro da ema slobodih osilaca aelektrisaja što zači da je otorost visoka i da je električo olje u i-oblasti strašo veliko. Karakteristike i- sloja omogućuju osiromašeoj oblasti da zauzme relativo veliki deo fotodiode. Slika 16 okazuje silikosku PIN diodu. Ovaj ti fotodiode je korišće rimaro za talase dužie osega 0,8-0,9μm. Metalo kolo radi kao egativa ol. i-sloj je aravlje što je moguće taje za ostizaje visoke kvate efikasosti. Međutim, ostoji graica do koliko se sme ići re ego što vreme odziva oče da raste. Sa debljiom datom ovde, vreme odziva je oko 1s i struja mraka je maja od 1A. Za duže talase dužie 1,3-1,55μm roizvođači koriste kombiacije IGaAsP a odlozi IP ili GaAlAsSb a odlozi GaSb. Slika 17 okazuje kako je fotodioda aravljea rema rvo-omeutoj kombiaciji. Dioda je dizajiraa da ima struju mraka maju od 0,A; kvata efikasost je bolja od 60% i vreme odziva kraće od 100s. Slika 16 Tri sloja PIN diode. Slika 17 PIN dioda za duže talase dužie. Polurovodički materijali: IP i IGaAsP. 6.3. Avalaš fotodioda U idealoj PIN diodi, svaki uadi foto bi trebalo da kreira ar elektro-šuljia, što zači da bi elektro trebao da se kreće od ozitivog do egativog ola. Trebalo bi da PIN diodu azovemo ivertovaa LED. Ekvivalet laserskoj diodi bi trebalo da bude avalaš fotodioda (APD), u kojoj svaki uadi foto rezultuje u većem broju osilaca aelektrisaja. Začajim ovećajem iverzog aoa a - soju, jačia olja može ostati tako velika da ubrzaje osilaca aelektrisaja u olju ojača dovoljo da imaju kietičku eergiju koja je sosoba da dovede do omeraja drugih elektroa iz valete i još rođe kroz osiromašeu oblast. Prema tome, roizvedei arovi elektro-šuljia rouzrokuju ove arove. U ovom slučaju, origiali osilac aelektrisaja se multilicira. Po ovom avalaš efektu je i dioda dobila ime avalaš fotodioda. Multilikacioi faktor je strašo zavisa od iverzog aoa. Proseča multilikacioi faktor 70-100 zači da jeda foto rezultuje u roseku 70-100 elektroa. Odos sigal/šum je začajo oboljša kroz fotomultilikaciju. Iverzi ao određuje multilikacioi faktor, jer dovoljo veliko olje mora ostojati za kreiraje avalaš efekta. U efikasom fukcioisaju kola sa APD, iverzi ao će ležati isod ove vredosti aoa raga, tako da se čak i slaba otiča radijacija može detektovati. Nedostatak APD u oređeju sa PIN diodom je otreba za visokim iverzim aoo reko 100V. Tiiča vredost za siliko APD je 00V, ali za IGaAsP APD ao raga je 10-50V. Ključ atraktivosti APD je veliko ojačaje koje može biti dobijeo u uređaju. Prema tome, uređaj je sosoba za detekciju vrlo iskih iteziteta svetlosti. Međutim, cea je morala biti laćea a drugoj strai tj. u širii osega i šumu. Vreme odziva uređaja je ograičeo sa tri važa faktora: 8
-vreme rolaska kroz asorciou oblast; -vreme otrebo da se avalaš roces razvije; -vreme rolaska za geerisae šuljie za vreme avalaš rocesa kroz asorciou oblast i azad do -oblasti. Primetili smo da u APD multilikacioi roces ovećava šum. Međutim, sigal se takođe multilicira a je otimala tačka korišćeja oa gde osetljivost rijemika ima maksimum. Faktor sa kojim se šum ovećava je azva faktor šuma. Ih( BCJ ) = η ex( αw Ih(0) b [ ex( αwbcj) ] gde je η je veličia efikasosti materijala (η~1 za visoko kvaliteta materijal); drugi čla je gubitak usled asorcije u eutraloj bazi, a treći čla je asorcija u osiromašeoj oblasti širie W BCJ. Ako je fototrazistor aravlje tako da je ex(-αw b )~1 i vredost W BCJ široka tad je I h ) 1 ( BCJ ) ηih(0) Oitčko ojačaje uređaja je tada Γ G Ie η Ic = = =ηβ eih(0) IB gde je β strujo ojačaje uređaja. Fototrazistor ema vrlo dobar frekveti odziv usled vrlo velike kaacitase vezae za soj baza-kolektor. Fototrazistor može biti aravlje korišćejem heterosojeva biolarih trazistora. Slika 18 Primer rasodele jačie olja u APD duž različitih slojeva. 7. ŠUM 7.1. Odos sigal/šum a rijemom kraju Odos sigal/šum a izlazu iz otoelektroskog redajog sistema određe je ivoom sigala rijema, reko izraza: i =ηe/hv gde je i struja a izlazu iz fotorijemika. 7.. Termički šum otičkog rijemika 6.4. Fototrazistor Slika 19 Kostrukcija RAPD. Fototrazistor, ime za biolari uređaj korišće za otičku asorciju, obezbeđuje veliko ojačaje u zavisosti od rada trazistora. Uređaj je isko šumi u oređeju sa APD. Normalo, u biolarom trazistoru, uošeje male baze struje rouzrokuje malu romeu u direktoj olarizaciji a soju emitor-baza. Ako je baza širia mala i baza visokog kvaliteta, svi elemeti ove struje se kolektuju a kolektoru. Strujo ojačaje, defiisao kao odos kolektorske i baze struje, može biti sasvim veliko. U slučaju fototrazistora, baza struja ije obezbeđea soljašjim aoom (često ema bazi kotakt a fototrazistoru), ego otičkim sigalom. Svetlost koja obasjava uređaj kreira arove elektro-šuljia. Ovi arovi su geerisai svuda u uređaju, remda u HBT, emitor može biti aravlje od materijala slojevitog eergetskog rocea i rema tome, aravlje da bude trasareta. U fototrazistoru, doirai ivoi su aravljei tako da širia osiromašee oblasti a soju emitor-baza bude sasvim mala, dok je širia osiromašeog sloja a soju baza-kolektor velika, tako da je otički sigal rimaro asorbova u osiromašeoj oblasti a soju bazakolektor. Ovo takođe zahteva malu širiu za bazu. Deo fotoske struje asorbova u BCJ osiromašeoj oblasti je Glavi izvor termičkog šuma kod otičkog rijemika redstavlja šum otorosti a otoru oterećeja R: i ²=(4kT/R)B gde je B širia osega šuma rijemika. 7.3. Kvati šum Posle koverzije u struju i rimljei sigal je izlože uticaju kvatog šuma. Kvadrat efektive vredosti struje šuma je: i Q ²=ei B Saga šuma je srazmera rimljeoj otičkoj sazi. Odos saga sigala rema sazi kvatog šuma je: S /N Q =i /i Q =i /ei B Ovaj odos određuje fizički moguću osetljivost idealog otoelektroskog rijemika. Kod električih sistema kvati šum je zaemarljiv u oređeju sa izvorima termičkih šumova. 7.4. Šum struje mraka Kod olurovodičkih fotodioda iverza struja teče i kada dioda ije od uticajem svetlosti. Ta struja mraka i stvara sagu šuma srezmeru izrazu: i D =ei D B 9