mbtlo12 opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum p •...
TRANSCRIPT
![Page 1: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/1.jpg)
1
FotodetektorjiMobitel d.d.,izobraževanje
18. 6. 2010, predavanje 13
Prof. dr. JožkoBudin
![Page 2: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/2.jpg)
2
Vsebina1. Poissonova porazdelitev verjetnosti2. Stik polprevodnikov p-n in p-i-n3. Materiali4. Absorpcija, fotoionizacija, udarna ionizacija5. Difuzija in drsenje elektronov ter vrzeli6. Fotodioda PIN6. Fotodioda PIN7. Kvantni izkoristek in odzivnost diode8. Šumi fotodiode PIN9. Plazovna dioda APD10. Šumi plazovne diode APD11. Plazovna dioda SAM-APD12. Razmerje S/N
![Page 3: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/3.jpg)
3
Uvod
![Page 4: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/4.jpg)
4
Zrnati šum
Zrnati tokfotonov
Porazdelitev verjetnosti prihodanp fotonov ob času t (v intervalu ∆t)
![Page 5: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/5.jpg)
5Poissonova porazdelitev
p(n)
nn
![Page 6: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/6.jpg)
6
Lastnosti Poissonove statistikePovprečno število n sprejetih fotonovv času enega bita: 1, 5, 10
Ver
jetn
ost s
prej
ema
n fo
tono
v p
(n)
Dejansko število nsprejetihfotonov
Verjetnost p(n)sprejema n fotonov v času enega bita
Standardna deviacija števila sprejetih fotonov
Optično razmerje signal/šum
Električno razmerje signal/šum
Povprečno število fotonov/bit pri SNR = 1
optično
električno optično
optično sledi
![Page 7: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/7.jpg)
7
Poissonovi procesi
Povprečno število fotonov je n = 21
Fotoionizacija:
Fotoionizacija in udarna ionizacija:
(S/N) = 21
Verjetnost nastanka fotoelektronov pri povprečnem številu 21 fotonov: največja verjetnost je 21; verjetnost 0 fotoelektronov je 10-9 (verjetnost napake, BER)
(a) verjetnost fotodetekcije
(b) verjetnost fotomultiplikacije
(b)
(S/N)električni = 21
![Page 8: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/8.jpg)
8Lastnost p-n stične plasti
plast n-
plast p+
Prosti elektroni v plasti nin proste vrzeli v plasti p
Naboji se z difuzijo naselijona obeh straneh stične plasti
Povzročijo električno polje in naredijo potencialno bariero, ki preprečuje nadaljno difuzijo
Plast p (anoda) je na nižjem potencialu kot plast n (katoda)
![Page 9: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/9.jpg)
9
Fotodetektor p-nPodročje
prostorskega naboja
Razširjena plast
Tok
Tok manjšinskih nosilcev
Električno polje
Potencialna bariera
Zožena plast
negativna prednapetost
poz. prednapetost
razlika potencialov
![Page 10: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/10.jpg)
10
Fotoionizacija v polprevodniku
P0moč vpadnesvetlobe (W)
hfenergija
vpadna
svetloba
energijafotona(J)
Gostota pik ponazarja pojemajočo gostoto fotonov zaradi pojava fotoionizacije (tvorbe parov elektron-vrzel) v snovi fotodetektorja in delno absorpcije v snovi.
Kvantni izkoristek:Vzroki:
• odboj• absorpcija
![Page 11: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/11.jpg)
11FotoionizacijaPrincip fotodetekcije je fotoionizacija (fotoefekt, A. Einstein, 1905)
ondoktivni
Foton, ki ima večjo (ali enako) energijo, kot je energija energijskega pasu polprevodnika, lahko spodbudi elektron v valenčnem pasuza prehod v prevodni pas. S tem nastane ioni-ziran par elektron–vrzel. Enačba fotoionizacije:
µm )(
24.1
eVEE
hc
gg
c ==λ
alenčni
![Page 12: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/12.jpg)
12
Čelni in stranski način fotoionizacije
Čelni način Stranski način
i – intrinsična, osiromašena, izpraznjena plast (depleted)
![Page 13: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/13.jpg)
13
Čelna in stranska osvetlitev diode
Notranji kvantni izkoristek
Odbojnost po moči na meji
Debelina plasti
Notranji kvantni izkoristek
Dolžina
Odbojnost po moči na
vhodu
![Page 14: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/14.jpg)
14
Izkoristek svetlobe
Izkoristek svetlobne močiOdbojnost moči na mejiKoeficient slabljenjaDolžina absorpcijske poti
Izkoriščenost fotonov
![Page 15: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/15.jpg)
15
Fotodetektorji
1. Dioda PIN
1. Dioda APD
1. Dioda SAM-APD
1. Dioda na kvantno jamo
![Page 16: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/16.jpg)
16
Dioda PIN
![Page 17: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/17.jpg)
17
Karakteristike PIN diode
)1)(1()(
0 f
w
p RePh
qI s −−= − λα
ν
• Vrste običajnih PIN diodEnotaParameter Oznaka
Valovna dolžina
Odzivnost
Kvantni izkoristek
Temni tok
[A/W] 0 ν
η
h
q
P
I P ==ℜ
Dvižni čas
Frekvenčni pas
Prednapetost
Kvantni izkoristek
Odzivnost diode[A/W] 0 ν
η
h
q
P
I P ==ℜ(responsivity)
![Page 18: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/18.jpg)
18
Načini premikanja delcev
- +
![Page 19: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/19.jpg)
19
Difuzija in drsenje delcev
difuzija
drsenjedrsenje
![Page 20: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/20.jpg)
20
Stik pn in pin
difu
zija
difu
zija
p
difu
zija
difu
zija
p +-
![Page 21: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/21.jpg)
21
Struktura diode PIN
Električno polje v plasteh
Zunanje vzbujanjePlasti diode PINNačini gibanja elektronovin vrzeli
Električno polje v plasteh
Energijski pasoviPot elektronov in vrzeli
Slabljenje fotonskega toka
)1)(1()(
0 f
w
p RePh
qI s −−= − λα
ν
![Page 22: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/22.jpg)
22
Struktura diode PIN
P
Ele
ktrič
no p
olje
Dolžina
Svetloba
InPsubstrat
![Page 23: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/23.jpg)
23
Energijski pasovi
µm )(
24.1
eVEE
hc
gg
c ==λ
![Page 24: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/24.jpg)
24
Primerjava p-n in p-i-n stikaStik p-n Stik p-i-n
Elektrina
Polje
![Page 25: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/25.jpg)
25
Pojavi v fotodiodi PIN
difuzija
drsenje
Sve
tlobn
a ja
kost
(W
/M2 )
plast i
Fotoionizacija Način gibanja delcev
difuzija
drsenje
Sve
tlobn
a ja
kost
(W
/M
fotoionizacija
![Page 26: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/26.jpg)
26
Delovanje diode PIN
Z negativno prednapetostjorazdvojimo ionizirani par razdvojimo ionizirani par elektron – vrzel
Elektroni potujejo na + polVrzeli potujejo na - pol
Energijski pasovi podučinkom prednapetosti vrzel
elektron
![Page 27: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/27.jpg)
27Delovanje diode PINelektrodaelektroda
(a) Struktura diode p-i-n(b) Pozitivna in negativna
elektrina na robu n in p plasti
(c) Električno polje v plasti i (d) Drsenje elektronov in vrzeli pod
vplivom električnega polja
![Page 28: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/28.jpg)
28
Absorpcijski koeficient svetlobe v materialih
Abs
orpc
ijski
koe
ficie
ntEnergija fotona (eV)
λ(µm)
Abs
orpc
ijski
koe
ficie
nt
![Page 29: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/29.jpg)
29
Kvantni izkoristek in odzivnost
Odz
ivno
st (
A/W
)Kvantni izkoristek
Odz
ivno
st (
A/W
)
λ (µm)
![Page 30: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/30.jpg)
30
Kontinuiteta toka v kondenzatorju
sila × premik
Mehansko delo: Električno delo:
![Page 31: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/31.jpg)
31
Prenos elektrine v fotodetektorjuFoton povzroča par elektron-vrzel Tok elektronov in tok vrzeli:
x
čas
čas
elektroni
vrzeli
x
Prenešena elektrina:
En foton povzroči prenos ene elektrine
![Page 32: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/32.jpg)
32
Dioda PIN - tokoviTok:
Svetlobni tok:I
0
I
V
, I0 temni tok pri V<<0
Skupni izkoristek:
Skupni tok:
![Page 33: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/33.jpg)
33
Načini uporabe fotodiode - 1
0
0
![Page 34: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/34.jpg)
34
Načini uporabe fotodiode -2
![Page 35: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/35.jpg)
35
Načini uporabe fotodiode - 3Fotonapetostni (fotovoltaični) Kratkostični načinnačin
Gospodarsko najbolj pomembna prihodnja uporaba fotodiode
![Page 36: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/36.jpg)
36
Delovna karakteristika fotodiode
0 exp 1 p
eVI I I
kγ
= − −
Θ
![Page 37: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/37.jpg)
37
Dioda PIN – glavni šumi
fIIq dps ∆+= )(22σ
1. Kvantni šum fototoka in temnega toka:
2. Toplotni šum uporovnega bremena:
fFR
Tkn
L
BT ∆=
42σ
![Page 38: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/38.jpg)
38
Dioda APD
![Page 39: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/39.jpg)
39
Karakteristike APD diode• vrste običajnih diod APD
Parameter Oznaka EnotaValovna dolžina
Odzivnost
Ojačenje diode
Faktor k
p
M
I
IM =
Temni tok
Dvižni čas
Frekvenčni pas
Prednapetost
Ojačevalni faktor M = IM /Ip;
Faktor ionizacije k = ke/kv<1 ali obratno kv/ke < 1
Odzivnost MMh
q0APD ℜ==ℜ
ν
η
![Page 40: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/40.jpg)
40FOTODETEKCIJA• Fotoelektrični pojav
• Fotoionizacija:• vpadna svetloba moči P• ionizacija v plasti i spoja pin
• Udarna ionizacija:
fotoefekt - nastanek
para elektron - vrzel
valovna dolžina svetlobe,
potrebne za ionizacijo
Fotoionizacija in udarna ionizacija
JWh >νeVW
2398,1<λ
hν
plast udarne ionizacije
E
plast
fotoi
oniza
cije
e
hν
E
p i nOsiromašena
plast
• Signal:
• Šum:
ν
ηρρ
h
ePI == ,
ν
ηρρ
h
ePMI == ,
hν
tokelektronov
• Signal:
• Šum:
faktor multiplikacije
M = 10 - 50
faktor dodatnega šuma
odzivnost fotodetektorja
ρ = (0,5 - 0,8) A/W
xM MF =
feIi ∆22 = fFMPei MAPD ∆ρ 22 2=
+ +_ _
hν
difuzija
elektronov
drsenje
nosilcevdifuzija
vrzeli
plast
tokelektronov
![Page 41: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/41.jpg)
41
Udarna ionizacija
E
meve2/2 > Eg
m v 2/2 > Emhvh2/2 > Eg
k = kh/ke
0,01<k<100
![Page 42: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/42.jpg)
42
Primer fotomultiplikacije
k = α/β , α ... verjetnost ionizacije z vrzelmi pri α<ββ ... verjetnost ionizacije z elektroni
Šumni faktor:
![Page 43: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/43.jpg)
43
Kvantni šum APD
)(2 22MFBMqIi pQ = pQ
Pri veliki vrednosti faktorja multiplikacije so drugi šumi potlačeni.
![Page 44: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/44.jpg)
44
Faktor dodatnega šuma diode APDF
akto
r do
datn
ega
(mul
tiplik
ativ
nega
) šu
ma
FM FM = kAM + (1-kA)(2 – 1/M)
Ionizacijski koeficient:kA = αv/αe pri αv < αe ali
kA = αe/αv pri αv > αe
F > 2
Fak
tor
doda
tneg
a (m
ultip
likat
ivne
ga)
šum
a F
Multiplikativni faktor M
FM > 2
![Page 45: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/45.jpg)
45
Struktura plazovne diode (APD)
Zunanje vzbujanje
Fotonski tokElektrično polje
Porazdelitev električnega polja v plasteh diode
![Page 46: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/46.jpg)
46
Struktura plazovne diode APDAbsorpcijska plast Ojačevalna plast
svetloba
Dolžina
Ele
ktrič
no p
olje
![Page 47: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/47.jpg)
47
elektrodaelektroda
Porazdelitev elektrine:
n+ močna pozitivna
Struktura plasti
Dioda APD
n+ močna pozitivnap negativnaš majhna negativnap+ močna negativna
Porazdelitev polja
absorpcija
multiplikacija
![Page 48: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/48.jpg)
48
Razvoj diode APD v SAM-APDSAM-APDAPD
![Page 49: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/49.jpg)
49
Struktura diode SAM-APD
Absorpcijska plastMultiplika-cijska plast
Ločitev absorpcije inmultiplikacije
Porazdelitev elektrine
Vpadna svetloba
Absorpcijska plastMultiplikativnaplast
Porazdelitev električnegapolja
manjšavečja
prednapetost
![Page 50: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/50.jpg)
50
Struktura diode SAM-APD
Elektroda
Plazovnaplast
Absorpcijskaplast
![Page 51: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/51.jpg)
51Struktura diode SAM - APD
InP buffer layer
InP substrate
Metal contact
InP multiplication layer
INGaAs Absorption layer
![Page 52: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/52.jpg)
52Dioda Si APD - signal in šumi
ρ = 0,5 A/WId = 10 nAM = 60F(M) = 5R = 100 ΩTe = 300 KB = 10 MHz
![Page 53: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/53.jpg)
53
Signal, šumi in nadomestna vezava
RF
R
![Page 54: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/54.jpg)
54
Dioda APD – šumi in razmerje S/N
Tok signala sorazmeren:
Kvantni šum:
Termični šum:
S/N
strmina = 2majhen I
strmina = 1velik Ip
Termični šum:
Ip (mA)
majhen Ip
Upoštevani šumi:• kvantni šum signala• kvantni šum temnega toka• kvantni šum toka ozadja• termični šum
![Page 55: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/55.jpg)
55
Razmerje S/N
Dioda APD:
Dioda PIN:
![Page 56: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/56.jpg)
56MEŠALNI ŠUMI FOTODETEKTORJA (nad.)
fotodetektor
PIN
ρ, η, ∆f
ojačen signal GP
ojačena spontana emisijaene polarizacije
kvantni šum
mešalni šum ojačenega signala in ojačene
spontane emisije
mešalni šum spontane emisije same s seboj
mešalni šum ojačenega signala in kvantnega
šuma (kvantni šum signala)
mešalni šum ojačene spontane emisije s kvantnim šumom (kvantni šum ojačene
spontane emisije)
• Mešalni šum ojačenega siganal ni ojačena spontana emisija
ν∆νh2
1
( ) ν∆νµ hG 1−
Mešalni šumi fotodetektorja (nad.)
• Mešalni šum ojačenega siganal ni ojačena spontana emisija
• Mešalni šum ojačene spontane emisije same s seboj
• Mešalni šum ojačenega signala in kvantnega šuma
• Mešalni šum (polarizirane) ojačene spontane emisije s kvantnim šumom
feIfGPei kvsig ∆∆ρ 222 ==− &
( ) ( ) fGIefhGPGi spsig ∆µη∆νµρ 1414 022 −=−=−
( ) ( ) ( ) ( ) fGeffhGi spsp ∆ν∆µη∆∆ν∆νµρ 222220
2222 14212 −=−−=− &
( ) ( ) ν∆µ∆∆ν∆µη∆ν∆νηρµ )1(2 , 21414 220
2 −==−=−=− GIfeIfGefhGei ASEASEkvsp &
![Page 57: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/57.jpg)
57Optični in električni šumi
1. Šumi v času trajanja impulza (bitna perioda 1) • šumi v optičnem delu zveze • šumi v električnem delu zveze
• kvantni šum P• zrnati (kvantni in plazovni) šum
P(t)
Tb
Tm
I1
I0Tb t
σ0
σ1OOK, ASK
22spspsps ii −−
2spspi −
t
2ki
222 RFTd iii
22RFRIN ii
22Tk ii
2. Šumi v odsotnosti impulza (bitna perioda 0) pri idealnem ugasnem razmerju• šumi v optičnem delu zveze • šumi v električnem delu zveze
• kvantni šum Pk
• šum ojačene spontane emisije PASE
• intenzitetni šum PRIN
• kvantni šum (vakuumsko polje) Pk
• šum ojačene spontane emisije PASE
• zrnati (kvantni in plazovni) šum• mešalni šum signala in ASE•mešalni šum spontane emisije
• toplotni šum• relativni intenzitetni šum
• ojačevalni šum RF ojač.
• šum temnega toka
• mešalni šum spontane emisije
• toplotni šum• ojačevalni šum RF ojač.
2
2
2
2
2
RF
RIN
T
spsp
ASE
k
i
i
i
i
i
i
−
2
2
2
2
RF
T
spsp
d
i
i
i
i
−
![Page 58: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/58.jpg)
58
Šumi fotodetektorja in RF ojačevalnika
![Page 59: MBTLO12 Opticni detektorjiantena.fe.uni-lj.si/gradiva/mobitel/prof. dr... · • kvantni šum P • zrnati (kvantni in plazovni) šum P(t) Tb Tm I1 Tb t I0 σ0 OOK, ASK σ1 2 2 is−sp](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022040722/5e2fbd1d4aee1352fe0f396b/html5/thumbnails/59.jpg)
59
KONEC