Construcția Dispozitivelor Optoelectronice

CONSTRUCȚIA DISPOZITIVELOR OPTOELECTRONICE

6.1. INTRODUCERE

Prin dispozitive optoelectronice (DOE) se înțeleg acele dispozitive electronice la care semnalul de intrare sau de ieșire este radiația optică. Spectrul radiației optice este cuprins între 5nm și 1mm, care se împarte astfel:

– Domeniul de radiație ultraviolet (UV): (5nm – 400nm);

– Domeniul vizibil: (400nm – 760nm);

– Domeniul infraroșu (IR): (760nm – 1mm).

Fig. 6.1. Spectrul electromagnetic

Fenomenele fizice fundamentale care stau la baza funcționarii dispozitivelor optoelectronice sunt absorbția radiației electromagnetice în corpul solid și recombinarea radiativă a purtătorilor de sarcină in semiconductoare. Fenomenul de creare de purtători liberi de sarcină sub acțiunea radiației electromagnetice se numește Efect Fotoelectric:

Dacă electronii care au absorbit radiația electromagnetică sunt extrași din interiorul corpului solid, fenomenul numindu-se de efect fotoelectric extern; acești electroni pot participa la fenomene de conducție în vid sau gaze.

Dacă electronii sunt doar desprinși de atomul de origine devenind purtători liberi în interiorul rețelei, fenomenul numindu-se de efect fotoelectric intern; acest fenomen este specific numai semiconductoarelor, deoarece la metale există un nr. mare de purtători liberi chiar și în absența radiației electromagnetice.

O formă de manifestare a efectului fotoelectric intern la materialele semiconductoare constă în apariția purtătorilor de sarcina și ca urmare creșterea conductivității electrice a semiconductorului. Această proprietate se numește Fotoconductivitate, iar dispozitivul optoelectronic corespunzător acestuia se numește Fotorezistor.

Emițătoarele optice utilizate într-un sistem informatic de FO sunt Dioda electroluminiscentă (LED) și Dioda Laser(DL), respectiv Detectoarele (receptoare) optice sunt reprezentate prin Fotodioda PIN, Fotodioda cu avalanșă etc.

Una dintre aplicațiile cele mai importante ale optoelectronicii este reprezentată de telecomunicațiile optice ce manifestă o tendință de dezvoltare permanentă, în scopul dezvoltării unor rețele metropolitane și locale eficiente. Rețelele sunt astăzi clasificate în funcție de distanța geografică pe care acestea o acoperă:

rețele de distanță foarte lungă ( 600 km),

rețele de distanță lungă (500 ÷ 600 km între regeneratoarele de semnal),

rețele metropolitane DWDM (până la 150 km),

rețele intermediare (40 ÷ 80 km),

rețele de distanță scurtă (2 ÷ 40 km),

rețele de distanță foarte scurtă (< 2 km).

6.2. DIODA ELECTROLUMINISCENTĂ (LED)

Procesul de generare a luminii în LED sau Laser este definit de procesul de recombinare a electronilor și golurilor într-o joncțiune p-n cu degajare de fotoni (Fig.6.3), denumit electroluminiscență.

Fig. 6.2. Dependența benzii interzise de constanța rețelei

Lățimea benzii interzise de energie a materialului Eg determină lungimea de undă a luminii emise (Fig. 6.2):

(6.1)

Unde: h – este const. lui Planck 6,62⋅10−34 Ws2 . iar c – viteza luminii 2,998⋅108 m ̸s .

Caracteristici LED:

Avantaje:

Structura internă mult mai simplă (fără suprafețe reflective, straturi planare),

Cost (dispozitiv și circuit de comandă),

Durata de viață,

Insensibilitate la temperatură,

Liniaritate (modulație analogică).

Dezavantaje:

Putere redusă (cuplată în fibră) ̴ 100μW,

Banda (viteza) reduse ̴ 150MHz (300Mb̸ s),

Spectru larg ̴ 0,05λ,

Lumină necoerentă și nedirectivă.

Principiul de funcționare LED:

Lumina este generată print-o recombinare radiativă dintre un electron și un gol ce necesită conservarea impulsului (foton), care transformă energia în căldură.

Materiale: aliaje de GaAl As sau InGaAsP.

Fig. 6.3. Principiu operare LED: electroni+goluri; joncțiunea p-n este foarte subțire

LED-uri cu Heterojoncțiuni:

Funcționarea unui LED cu heterojoncțiuni descrie modul de funcționare a LED (Fig.6.4-6.6).

Fig. 6.4. LED cu duble heterojoncțiuni – principiu: Staruri n-InP, n-InGaAsP și p-InP

Fig. 6.5. LED cu duble heterojoncțiuni – detalii: Staruri n-InP, n-InGaAsP și p-InP

Fig. 6.6. LED cu duble heterojoncțiuni (DH)– detalii: Staruri p-GaAs, p-AlGaAs și n-AlGaAs

Un LED (Fig.6.6) este format dintr-un stratul p-GaAs între stratul p-AlGaAs și stratul n-AlGaAs. La aplicarea unui tensiuni electrice electronii migrează de pe stratul n spre stratul p-GaAs, unde ei devin purtători minoritari; acești purtători difuzează la suprafață și se recombină cu purtători majoritari (găuri). În timpul recombinării se emite energie sub formă de fotoni. Energia (frecvența specifică) a acestor fotoni corespunde diferenței de energie în stratul p-GaAs. Electronii sunt împiedicați de difuziune în stratul p-AlGaAs de un potențial de barieră între cele 2 starturi-p. Deoarece electroluminiscența apare doar în stratul subțire GaAs, se obțin un bun randament cuantic intern și fascicul de înaltă densitate. Lumina este emisă fără a fi absorbită în stratul AlGaAs deoarece banda din acest strat este mult mai mare decât energia luminii emise și de banda din GaAs. LED-uri cu o structură DH sunt frecvente, atunci când se cere un randament ridicat, mai degrabă decât o lumină coerentă. Dezavantajul este că porțiunea de lumina cuplată în fibră este relativ mic.

Soluții Constructive LED:

Există patru tipuri principale de LED-uri, dintre care primele două enumerate mai jos sunt folosite pentru comunicare FO, iar celelalte două pentru instalații de alarmă, de la distanță de control TV și echipamente video, aparate de numărare pentru industrie etc.:

LED cu emisie de suprafață tip Burrus, notat SLED

LED cu emisie laterală (Edge), notat ELED

LED de tip Planar

LED de tip Dome (super luminescente), notat SLD.

SLED ELED

Fig. 6.7. Tipuri constructive de LED – uri

6.3. DIODA LASER (DL)

Procesul de generare a luminii în DL este asemănător cu cel în LED, iar materialele utilizate sunt aceleași. Superioritatea DL față de ELD este faptul că deși are un volum f. mic în care generează lumina prezintă o densitate mare a purtătorilor injectați și deci poate produce o putere mai mare ca un LED, ceea ce determină un câștig optic ridicat, o coerență a luminii generate și un spectru îngust.

Coerența unui laser indică faptul că undele de lumină generate sunt toate în aceeași fază, datorat materialului utilizat ce trebuie să prezinte o structură de benzi directă (maximul benzii de valență și minimul benzii de conducție corespund la aceeași valoare a nr. de undă).

Caracteristici DL:

Avantaje:

Putere optică ridicat (50mW funcționare continuă, 4W funcționare în impulsuri),

Precizie ridicată a controlului (impulsuri cu lățime de ordinul femto sec) – viteză mare de lucru

Spectru îngust, teoretic LASER oferă o singură linie spectrală

Lumină coerentă și directivă(̴ 80% poate fi cuplată fibra)

Dezavantaje:

Cost (dispozitiv și circuit comandă: controlul puterii și temperaturii),

Durata de viață

Senzitivitate crescută cu temperatura

Modulație analogică dificilă (cu dispozitive externe)

Lungime de undă fixă

DL – Principiul de Operare

LASER (Light Amplification through Stimulated Emission of Radiation):

Emisia stimulată – un foton incident cu energie corespunzătoare poate stimula emisia unui al doilea foton fără să fie absorbit (Fig.6.8).

Noul foton are aceeași direcție și fază cu fotonul incident, Lumina rezultată e coerentă.

Fig. 6.8. Fotonul incident stimulează o tranziție de electroni care emit un foton identic cu cel incident

Principii Laser:

Inversiune de populație:

necesară deoarece electronii au capabilitatea de a absorbi energie la aceeași frecvență la care are loc emisia stimulată.

se definește probabilistic: probabilitatea de emisie să fie mai mare decât cea de absorbție: nc·pe > nv·pa

Materiale capabile să genereze inversiunea de populație au starea de excitație metastabilă.

La un material cu 4 nivele energetice tranziția radiantă a electronului (3) se termină într-o stare instabilă, starea de echilibru obținându-se prin emisia unui fonon.

Inversiunea de populație se obține mult mai ușor datorită electronilor din stare intermediară.

Fig. 6.9. Emisia stimulată a fotonilor

DL – Principiul de Realizare:

Emisia spontană Emisia stimulată

Fig. 6.10. Tipuri de emisii de fotoni

Pentru ca emisia stimulată să apară, fotonii emiși trebuie să rămână în contact cu materialul o perioadă mai mare de timp –2 oglinzi necesare (Fig.6.10).

Pentru a permite extragerea radiației e necesar ca una din oglinzi să fie parțial reflectantă.

Pentru diodele laser utilizate în comunicații reflectivitatea oglinzilor nu trebuie să fie foarte mare.

Distanța între oglinzi trebuie să fie un multiplu a jumătate din lungimea de undă:

(6.2)

Pentru eficientizarea pompării de energie din exterior L = 100÷200μm, k = 400.

Structuri de Laser

Cel mai simplu tip de diodă laser este de tip Fabry-Perot, cu o singură joncțiune p-n.

Fig. 6.11. Dioda laser Fabry-Perot

Fig. 6.12. Definirea direcțiilor în dioda laser

Diode Laser cu Heterojoncțiune:

Heterojoncțiune îngropată

Heterojoncțiune tip muchie (ridge)

Fig. 6.13. DL cu heterojoncțiuni. Sus stânga-dreapta: 2 tipuri diferite de DL tip BH (laser cu heterostructuri îngropate) – una plană și cealaltă în formă de V. Jos: o diodă laser de tip heterojocțiune tip muchie.

Un laser de înaltă performanță utilizat în transmisii este cel de tip VCSEL, ale căror heterojoncțiuni conduc lumina într-o direcție perpendiculară pe substrat.

Fig. 6.14. Laser cu emisie de suprafață cu cavitate verticală (VCSEL)

OBS: Curentul de prag (legat de cantitatea de energie necesară funcționarii normale laserului) variază cu temperatura și timpul (îmbătrânirea), variația tipică de 1-2% ̸ ºC.

6.4. CUPLAREA LUMINII ÎN FIBRA OPTICĂ

a. Fibra ca o Lentilă:

Mărimea zonei emițătoare de lumină (de obicei 0,2 x 1 μm) a DL este similar sau chiar mai mic decât lungimea de undă a luminii emise. Întrucât fascicolul de ieșire nu este paralel ci deviat cu un unghi de 30-50º, datorită difracției, se impune concentrarea luminii într-un anumit mod prin care pierderile printr-o fibră optică să fie minime. Dacă nu sunt luate măsuri speciale, prin care capătul plat al fibrei să fie poziționat cât mai aproape de laser (câțiva μm), atunci randamentul de cuplare este aprox. de 10%. Astfel, devine necesar montarea unei lentile sau al unui sistem de lentile între capătul laserului și fibră, colectând astfel lumina din deschiderea digitală a fibrei (NA) și realizând cea mai bună posibilă cuplarea a luminii în fibră (Fig. 6.15). O lentilă de fibre se așează într-o canelură în formă de V, direct în fața diodei laser. Canelura în formă de V formează un unghi de 90 ° cu raza laser și coada fibrei, astfel încât lumina să fie cuplată în interior. Eficiența acestui tip de configurare este în jur de 30%.

Fig. 6.15. Cipul laserului integrat cu fibra optică fixă, sistem de lentile și detector de monitorizare

Toate componentele sunt sigilate ermetic într-un pachet mic de plastic sau metal pentru stabilitate sporită. În interiorul pachetului, există în mod normal o fotodiodă de monitorizare pentru a oferi un feedback, precum și circuite de control și de sincronizare̸ conducere. Radiația optică este transportată în fibră, care iese afară din sigiliul. În mod normal, fibra este lăsată în afară din ambalaj la sub un metru.

O diodă detector, care se montează cel mai ușor în spatele diodei laser, monitorizează radiația ce trece prin "oglinda" din spate în diodei laser. Alternativ, se utilizează un divizor de fascicul, care limitează cantitatea de lumină introdusă în sistem, astfel lumina este evacuată si reintrodusă pentru monitorizarea diodei laser. De obicei, dioda laser de dimensiunea unui circuit integrat este prevăzută cu un sistem incorporat de răcire.

b. Microlentilă:

Lentila de fibră din interiorul unei diode laser originale se poate înlocui printr-o microlentilă (Fig.6.16), astfel încât randamentul de cuplare să fie peste 50%. Diametrul microlentilei este foarte mic, cuprins între 8-15μm.

Fig. 6.16. Cu ajutorul unei microlentile, lumina este convergentă din dioda laser în fibră

c. Conicitatea:

A treia metodă, numită conicitate, s-a fost dezvoltat ulterior (Fig.6.17).

Fibra este încălzită și trasă astfel încât o picătură de fibră conică să se formeze la capătul fibrei, care va servi ca o lentilă. Pentru fabricarea unei fibre cu un capăt conic se poate utiliza echipamente automatizate de despicare a fibrei, spre ex. FSU 975 produs de Ericsson.

Fig. 6.17. Schema de principiu care arată conectarea unei diode laser la capătul conic al fibrei

Răcirea și Protejarea Diodei Laser:

Pentru a putea utiliza dioda laser în sisteme avansate este recomandat utilizarea unui dispozitiv de răcire activ, care este construit sub forma unei pompe de căldură (un element Peltier), împreună cu un izolator optic. Acest izolator optic funcționează ca o diodă, care permite numai trecerea luminii emise de dioda laser, prevenind astfel retro-împrăștierea luminii în dioda laser. O astfel de lumină reflectată în caz contrar ar putea interfera puternic cu modul de funcționare a sistemelor optice avansate.

Fig. 6.18. Dispozitiv termoelectric (Peltier) de răcire utilizat la dioda laser

Joncțiunea (Fig.6.18) între două materiale conductoare diferite poate genera sau absorbi căldura, în funcție de sensul curentului. Tipic se utilizează două regiuni semiconductoare puternic dopate (tipic telurit de bismut) conectate electric în serie, iar termic în paralel.

Caracteristicile Emițătorilor Optici:

Puterea de ieșire:

Cea mai mare diferență între o DL și un LED se observă studiind diagrama I (curent de prag) – P (putere de ieșire) pentru ambele componente (Fig.6.19). Astfel, DL urmează același tip de curbe ca LED-ul până la un punct (prag), atunci când curentul de prag I determină DL să înceapă producerea unei radiații coerente. După acest punct (emisie stimulată), puterea de ieșire a DL se ridică brusc și aproape liniar. LED-ul, pe de altă parte, care se bazează pe emisie spontană, nu are un punct de prag, dar continuă să crească proporțional puterea sa, în raport cu curentul de antrenare. Acest lucru este valabil până când puterea de ieșire ajunge la un punct, în cazul în care începe să se diminueze, de exemplu, atunci când semiconductoare devine fierbinte (> 70 ° C).

Fig. 6.19. Diagrama relației dintre curentul de antrenare și putere de ieșire.

Profil de Radiație a Emițătorilor Optici:

Lobii radiații pentru LD-eri și LED-uri, sunt foarte diferite. În cazul radiațiilor emise de o LD, acestea are un lob alungit cu direcția spre înainte, în timp ce lobul radiației unui LED este aproape circular (Fig.6.20).

Fig. 6.20. Profil de radiație a emițătorilor optici

Apertura numerică poate varia de la 0,9 pentru un LED cu unghi foarte larg, la 0,2 pentru un LED prevăzut cu lentilă.

Chiar și pentru NA = 0,2 aria emisivă a LED-lui este mare comparativ cu LD, astfel că densitatea de putere emisă este mică, reducând drastic puterea cuplată într-o fibră cu indice gradat și facând imposibilă cuplarea cu o fibră monomod.

Lățimea Spectrală a Emițătorilor Optici:

Calitatea spectrală a emițătorilor optici este legată de lățimea lor spectrală. Lățimea spectrală a unui LD sau LED este amplitudinea spectrului optic. Spectrul optic este format din, în primul rând, purtător ce în acest caz are o frecvență aprox. 1014 Hz; în al doilea rând, în cazul în care LD sau LED-ul este modulat, benzile laterale vor apărea pe ambele părți ale purtătorului, la fel ca pentru orice emițător. Aceste benzi laterale corespund lățimii de bandă de modulație electrică. Puritatea frecvenței semnalului de la LD sau LED nu este întotdeauna la fel de bun ca și pentru alte lasere. Deci, benzile laterale sunt adesea ascunse într-un spectru optic larg și complicat, fiind imposibil deseminarea diferitele componente de semnal.

Fig. 6.21. Spectrele optice ale unui laser cu gaz, cu o lățime spectrală foarte înguste, un LD multimod cu o lățime spectrală de 0,2-5 nm, și un LED cu o lățime tipică spectrală mai mare de 40 nm

Luând în considerare derivata relației dintre frecvență și lungimea de undă; f = c / λ, obținem relația dintre lățimea unui spectru optic, măsurată în frecvență sau în lungime de undă, ca:

(6.3)

→ (6.4)

Fig. 6.22. Spectrul diodei laser

Modulația:

Cele mai utilizate tipuri de modulații sunt:

Modulația în intensitate (IM)

Modulația în amplitudine (AM)

Modulația în frecvență (FM)

Modulația în fază (PM).

În cazul FO, modulația în intensitate este cea mai utilizată, cu precădere la transferul de informație între 2 puncte.

Fig. 6.23. Diferite tipuri de modulații utilizate la transferul de informații

6.5. FOTODIODA. FOTODIODA PIN

Detectori Optici:

Detectorii optici (fotodiodele) îndeplinesc funcții complementare celor efectuate de LD și LED. Într-un detector optic energia optică este transformată în energie electrică. Semnalul electric poate fi amplificat utilizând electronica obișnuită. Detectorii realizați dintr-o varietate de tipuri de materiale semiconductoare s-au dovedit a fi extrem de potrivite pentru utilizarea în sistemele de fibre optice.

Cerințe:

eficiență crescută a conversiei optic ̸ electric

zgomot redus

răspuns uniform la diferite lungimi de undă

viteza de răspuns ridicată

liniaritate.

Principii de operare:

fotoconductori: R = R(P0)

fototranzistori: IB = IB(P0)

fotodiode: I = I (P0)

p-n, PIN, PIN cu multiplicare în avalanșă, Schottky.

Fotoconductori:

Fig. 6.24. Principiu fotoconductorilor

Recent, dispozitive Metal Semiconductor Metal (filtru interdigital) au început să fie utilizate pentru ușurința de fabricare și integrare în aplicații mai puțin pretențioase.

Fotodioda:

Cel mai simplu tip de fotodiodă este cea cu joncțiunea p-n. Astăzi, acest tip de fotodiodă este folosită mai rar în sistemele de fibre optice, însă principiul ei de funcționare stă la baza oricărei tip de fotodiode, fiind prezentat pe larg în continuare.

Fotodioda – Principiul de Operare

Joncțiunea p-n este polarizată invers.

Lumina este absorbită în regiunea golită de purtători, un foton absorbit generând o pereche electron-gol.

Sarcinile sunt separate de câmpul electric existent în regiunea golită și generează un curent în circuitul exterior.

Un foton incident cu o energie mai mare decât diferența de energie dintre benzile de valență și conducție va crea o pereche e-h. Perechile electron-gol (e-h) pot fi format în trei regiuni diferite ale diodei p-n (Fig.6.25).

Fig. 6.25. Un foton incident poate cauza producerea de perechi e-h în trei regiuni diferite (A, B și C) în dioda p-n. Totuși, detectarea rapidă este realizabilă doar în regiunea de epuizare B..

Fig. 6.26. Descrierea schematică a variațiilor intensității câmpului într-o diodă p-n. Tensiunea inversă și încărcarea externă aplicată.

Energia necesară pentru eliberarea unei perechi electron-gol:

(6.5)

Lungimea de undă de tăiere:

(6.6)

Puterea optică absorbită în zona golită de purtători (w), aflată la o adâncime d în interiorul dispozitivului:

(6.7)

Unde: Rf este puterea reflectivă a detectorului de suprafață.

Valoarea mare a coeficientului de absorbție la lungimi de undă reduse implică scăderea responzivității (Fig.6.27). Comportarea tuturor materialelor este de tip trece banda.

Fig. 6.27. Coeficientul de absorbție pentru materialele uzuale

Fotodioda – Mărimi Caracteristice:

Eficiența cuantică – raportul dintre nr. de perechi electron-gol generate (ne) și nr. de fotoni incidenți (nf):

(6.8)

În unitatea de timp nr. de fotoni depinde de puterea optică (P0), iar nr. de electroni impune curentul generat:

(6.9)

e – sarcina electronului, 1.6 ×10−19 Js

Responzivitatea:

(6.10)

Materiale utilizate pentru fotodiode:

Responsivitatea unei fotodiode depinde atât de lungimea de undă a luminii incidente (λ) cât și de materialele utilizate (Fig.6.28).

Fig. 6.28. Dependența responsivității unei fotodiode de lungimea de undă a luminii incidente și de materialele utilizate.

Tab. 6.1. Caracteristicile unor materialelor utilizate la fabricarea fotodiodelor

Dezavantajul major pentru Ge este curentul de întuneric mare. Curentul invers al joncțiunii p-n, datorat agitației termice, prezent în absența iluminării. Acesta constituie o importantă sursă de zgomot (limitează aplicațiile Ge):

(6.11)

Unde: β este coeficient de idealitate, , iar R0 este rezistența la întuneric a diodei (invers proporțională cu aria diodei).

Fotodioda PIN:

Fotodioda PIN este foarte potrivită pentru detectarea luminii cu lungimi de undă mai lungi decât cele ale luminii vizibile, fiind receptorul optic cel mai important datorită simplității, stabilității și benzii de frecvență. Ea este construită din două zone, p și n, cu conductivitate mare, care delimitează o regiune de semiconductor intrinsec ce are conductivitate scăzută.

Fotonii intră în zona intrinsecă prin inelul metalic de conexiune și prin regiunea subțire de tip p, generând aici perechi electron-gol. Existența câmpului electric în regiunea golită de purtători face ca eventualii purtători generați optic să fie accelerați spre terminale pentru constituirea fotocurentului. Problemele utilizării diodei p-n polarizate invers ca fotodetector sunt generate de adâncimea extrem de mică a zonei golite (w). Puterea optică absorbită în interiorul acestei zone va fi în consecință redusă. Purtătorii generații în afara zonei de golirea ajung eventual în zona golită și vor fi accelerați spre terminale, dar viteza fenomenului este prea redusă pentru aplicații în comunicații.

Fig. 6.29. Prin aplicarea unui strat intrinsec între straturile p și n se obține o regiune de absorbție mult mai largă decât cea a unei diode p-n.

Soluția constă în introducerea unui strat intrinsec foarte slab dopat între cele două ale diodei (Fig.6.29):

Crește volumul de absorbție, deci crește sensibilitatea fotodiodei.

Capacitatea joncțiunii scade ducând la creșterea vitezei.

Este favorizat curentul de conducție (mai rapid) față de cel de difuzie.

Structura Fotodiodei PIN:

Tipic, adâncimea stratului intrinsec este de 20-50μm.

Creșterea suplimentară a adâncimii ar duce la creșterea timpului de tranzit: w=20μm → Ttr ≈ 0,2ns.

Fig. 6.30. Structura fotodiodei PIN

Fig. 6.31. Cele trei straturi ale unei fotodiode PIN iluminată frontal.

Fig. 6.32. Fotodioda PIN pentru lungimi de undă crescute.

Fotodioda PIN pentru lungimi de undă crescute (1550nm) utilizează materiale semiconductoare: InGaAsP pe substrat InP, respectiv GaAlAsSb pe substrat GaSb. Caracteristica tipică de ieșire pentru o fotodiodă PIN prezintă două moduri posibile de funcționare: fotovoltaic și fotoconductiv (Fig.6.33).

Fig. 6.33. Caracteristica curent-tensiune a unei fotodiode PIN

Modul fotovoltaic este reprezentat în partea stângă a fig.6.33, caracterizat prin aceea că nu necesită o sursă de tensiune pentru funcționarea sa, deci, nu există un curent de întuneric, fiind util pentru detecția la nivele mici de iluminare.

Modul fotoconductiv este prezentat în partea dreaptă a fig.6.33, implică utilizarea unui tensiuni de polarizare inverse, care descrește capacitatea joncțiunii la cca. 1pF, ceea ce oferă o bună liniaritate lumină-curent până la 1mW putere optică pentru o diodă cu ϕ1mm.

Fotodioda PIN Schottky:

Se bazează pe joncțiunea metal-semiconductor. În acest caz, vitezele de lucru sunt mult mai mari, metalul fiind un bun conductor, asigurând astfel o evacuarea mult mai rapidă a purtătorilor din joncțiune. Joncțiunea metal-semiconductor asigură o acțiune similară cu cea a stratului intrinsec al fotodiodei PIN. Prin urmare oferă o zonă mai mare pentru captarea energiei fotonice.

Permite utilizarea unor materiale cu eficiență mai mare, dar care nu pot fi dopate simultan p și n pentru utilizare în PIN. Este posibilă o modulație cu 100 GHz.

Fig. 6.34. Structura fotodiodei Schottky

Fotodioda PIN cu multiplicare în avalanșă:

Această fotodiodă asigură un câștig inerent și deci o responzivitate mai mare decât celelalte fotodiode PIN, fiind des utilizate în telecomunicații. Construcțiile lor sunt similare, doar că cea cu multiplicare în avalanșă (APD) are o joncțiune p-n dopată special și care polarizează invers, permițând astfel un câmp electric foarte intens.

Dacă viteza purtătorilor este suficient de mare generează noi perechi electron-gol (e-h) prin ionizare de impact. Amplificarea are loc în același timp cu detecția.

Fig. 6.35. Tensiunea inversă mare de 100-300 V oferă electronilor o energie cinetică mare, asigurând multiplicarea de perechi e-h prin coliziune ionizare

Fig. 6.36. Ex. de distribuție a intensității câmpului într-un APD între diferitele straturi ..

Funcționarea fotodiodei cu multiplicare în avalanșă (APD):

Sunt necesare câmpuri electrice mari, de ordinul minim 3x105V/m, de obicei sunt utilizate pentru 106V/m. Aceste câmpuri sunt generate de tensiuni inverse de polarizare de ordinul 50-300V. Structura normală PIN (Fig.6.30) este modificată pentru concentrarea câmpului în zona de accelerare.

Fig. 6.37. Funcționarea unei fotodiode PIN cu multiplicare în avalanșă

Fig. 6.38. Construcția unei fotodiode APD special de tip "Reach-through" (Ajunge-prin)

În partea superioară a fig.6.38 se află un inel metalic care funcționează ca un polul pozitiv, confecționat din dioxid de siliciu, asigurând acestuia un strat izolator pentru materiale dopate. Lumina pătrunde printr-un strat-n cu dopare ridicată de InP. Regiunea-p constă dintr-un strat-p cu dopare scăzută de InGaAsP, o componentă intrinsecă InP și un strat-p finalizat cu un dopaj mare prin InGaAsP.

Caracteristicile fotodiodei APD:

Fig. 6.39. Caracteristica tensiune-curent de amplificare pentru fotodioda APD

Factorul de amplificare M caracterizează amplificarea fotocurentului generat I:

(6.12)

Tensiunea necesară:

n = 3÷6 (6.13)

Responzivitatea:

(6.14)

Fig. 6.40. Limita de putere-bandă pentru dispozitivele optoelectronice

6.6. DISPOZITIVE OPTICE INTEGRATE

Un circuit optic integrat (IOC) sau un grup de circuite interconectate este alcătuit din componente optice miniaturizate aflate pe un semiconductor sau pe straturi dielectrice. Un circuit optic integrat este alcătuit din:

Surse de lumină,

Filtre optice,

Fotodetectori

Ghiduri de lumină (waveguides) optice cu film subțire.

Un circuit optoelectronic integrat (OEIC) pot fi de tip hibrid sau monolitic, care conține în general următoarele componente:

Surse de lumină,

Fotodetectori,

Modulatori,

Circuite electronice de densitate tip VLSI

Un circuit de tip OEIC poate fi:

Hibrid – această integrare presupune combinarea dispozitivelor optoelectronice și a circuitelor integrate pe același substrat sau într-un pachet compact.

Monolitic – utilizează în general heterostructuri singulare de InGaAlAs și InGaAsP pe siliciu, utilizând materiale din grupa III-V.

Integrarea hibridă oferă o soluție imediată la anumite nevoi OEIC și poate fi întotdeauna tehnologia de alegere atunci când sunt necesare combinarea mai multor tipuri de dispozitive, dar integrarea monolitic va fi întotdeauna superioară în ceea ce privește viteza, densitate dispozitiv, fiabilitatea sistemului, final complexitate și prelucrabilitatea.

O dificultate majoră cu integrare monolitic este că materialul cel mai des utilizat pentru electronica integrată, siliciu, nu este util pentru multe dispozitive optoelectronice, astfel , trebuind să integreze aceste dispozitive optoelectronice monolitice integrate de tip III-V pe Si, sau trebuie să utilizeze electronica III-V.

Aplicații ale Dispozitivelor Optoelectronice:

Fig. 6.41. Comunicația optică prin fibra optică

Fig. 6.42. Displayuri de panouri plate: PC, TV, Celulare telefonice

Fig. 6.43. LED – uri cu luminozitate înaltă: becuri speciale, panouri de afișare de mari dimensiuni, aplicații auto, lumina de fundal LCD

Fig. 6.44. Senzori de imagine matriciale: Camere foto digitale și de filmat

Fig. 6.45. Diode laser: dispozitive optice de stocare, mausuri

Fig. 6.46. Roboți

Fig. 6.47. Aparatură electronică medicală, biosenzori

Fig. 6.48. Electronică industrială Fig. 6.49. Telecomunicații

Fig. 6.50. Comunicații wireless

Fig. 6.51. Localizarea prin satelit tip GPS

Fig. 6.52. Dispozitive de stocare informații

Fig. 6.53. LED – aplicații Fig. 6.54. Dioda Laser – aplicații

Fig. 6.55. Dispozitive optoelectronice cu aplicații fotovoltaice

Fig. 6.56. Celule solare

Fig. 6.56. Dispozitive inteligente de afișare montate pe cap cu aplicații în realitatea virtuală