photodetector

PHOTODETECTOR
Ref : Keiser
Fakultas Teknik Elektro
1
Detektor Silikon PIN
Fakultas Teknik Elektro
2
Syarat foto detektor
•
•
•
•
•
•
•
High response atau sensitifitas
Noise rendah
Respon cepat atau bandwidth lebar
Tidak sensitif thd variasi suhu
Kompatibel dgn fiber
Murah
Tahan lama
Fakultas Teknik Elektro
3
Detektor foto yg ada
• Photomultiplier (photocathode + multiplier
dlm vacum tube)
• Pyroelectric detector (konversi photon ke
panas  konstanta dielektrik)
• Semiconductor-based photoconductor
(pin dan APD) cocok u fiber optik.
Fakultas Teknik Elektro
4
Fakultas Teknik Elektro
5
PHOTO MULTIPLIER TUBE
Fakultas Teknik Elektro
6
Detektor PIN
Konfigurasi detektor PIN
Fakultas Teknik Elektro
7
Sirkit dioda foto pin diberi tegangan mundur
Fakultas Teknik Elektro
8
Diagram pita energi dioda foto pin
Photon datang memiliki energi ≥ energi band-gap  photon
akan memberikan energinya dan membangkitkan elektron (di
depletion region) dr pita valensi ke pita konduksi 
photocarrier.
Fakultas Teknik Elektro
9
Carrier bermuatan mengalir melalui material, beberapa
pasangan elektron-hole berekombinasi dan hilang.
Elektron bergerak sejauh Ln sedang hole bergerak
sejauh Lp.
Jarak tsb disebut panjang difusi.
Waktu yg dibutuhkan berekombinasi disebut carrier
lifetime, elektron selama  n dan hole selama  p.
Ln 
Dn n
Lp 
D p p
Dn : koefisien difusi elektron
Dp : koefisien difusi hole
Fakultas Teknik Elektro
10
Radiasi optis yg diserap material semikonduktor :
P( x)  P0 (1  e
 S (  ) x
)
αs(λ) : koefisien absorbsi pd panj gel λ
P0 : daya optis datang
P(x) : daya optis diserap sejauh x
Upper wavelength cutoff :
hc
1,24
C ( m) 

Eg
Eg (eV )
Panj gel cutoff Si sekitar 1,06 μm, dan Ge sekitar 1,6 μm
Fakultas Teknik Elektro
11
Koefisien absorbsi sbg fungsi panj gelombang
Fakultas Teknik Elektro
12
Contoh
Dioda-foto terbuat dr GaAs, memiliki energi band gap 1,43
eV pd 300o K.
Panjang gel cutoff :
C
atau



hc
6,625 x10 34 J .s 3x108 m / s


 0,869m
19
1,43eV  1,6 x10 J / eV
Eg
C 


1,24
 0,867 m
1,43
Dioda-foto tidak akan beroperasi utk photon dng panjang
gelombang lebih dari 867 nm
Fakultas Teknik Elektro
13
Jika daerah deplesi memiliki lebar w, maka daya
diserap :
P(w)  P0 (1  e
 S w
)
Jika memperhatikan reflektifitas permukaan diodafoto Rf, maka arus foto primer Ip :
Ip
q
 S w

P0 (1  e
)1  R f 
hf
q : muatan elektron
hf : energi photon
Fakultas Teknik Elektro
14
Efisiensi kuantum :
Jumlah elektron hole yg dibangkitkan
η = -------------------------------------------------------- =
Jumlah photon datang
Ip / q
P0 / hf
Responsivitas :
 
Ip
P0

q
[A/W]
hf
Parameter ini sangat berguna karena menspesifikasikan
arus foto yg dibangkitkan tiap satuan daya.
Fakultas Teknik Elektro
15
Perbandingan responsivitas dan efisiensi kuantum sbg
fungsi panj gel
Fakultas Teknik Elektro
16
Contoh
InGaAs pd panj gel 1100 nm < λ < 1600 nm, memiliki
efisiensi kuantum 60 %.
Berapa responsivitasnya pd panj gel 1300 nm ?
Jika daya optis yg datang 10 μW, berapa arus foton yg
dibangkitkan ?
Fakultas Teknik Elektro
17
Avalanche Photodiode (APD)
Fakultas Teknik Elektro
18
Avalanche Photodiode
APD secara internal melipat gandakan arus foto sinyal
primer sebelum memasuki sirkit penguat 
meningkatkan sensitifitas penerima.
Mekanisme pelipatgandaan elektron/hole disebut
impact ionization.
Carrier baru yg dibangkitkan juga dipercepat oleh
medan listrik kuat, shg menguatkan energi utk impact
ionization selanjutnya.
Phenomena tsb disebut efek avalanche.
Dibawah tegangan breakdown jumlah carrier yg
dibangkitkan tertentu, sedangkan diatas tegangan
breakdown carrier yg dibangkitkan dpt tak terbatas.
Fakultas Teknik Elektro
19
Konstruksi p+πpn+ reach-through APD (RAPD)
p-type : resistivitas tinggi
p+ : heavily doped p-type
n+ : heavily doped n-type
π : bahan intrinsik tdk murni krn kurang hati2 shg tercampur
p doping
Fakultas Teknik Elektro
20
Electrode
R
Ip h
SiO 2
E
h > Eg
e–
n+ p
h+
š
 n et
(a)
p+
Electrode
(b)
x
E(x)
(c)
x
Absorption
region
Avalanche
region
(a) A schematic illustration of the structure of an avalanche photodiode (APD) biased
for avalanche gain. (b) The net space charge density across the photodiode. (c) The
field across the diode and the identification of absorption and multiplication regions.
© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)
Fakultas Teknik Elektro
21
E
E
e–
h+
e–
Ec
Ev
h+
n+
p
š
Avalanche region
(b)
(a)
(a) A pictorial view of impact ionization processes releasing EHPs and
the resulting avalanche multiplication. (b) Impact of an energetic
conduction electron with crystal vibrations transfers the electron's
kinetic energy to a valence electron and thereby excites it to the
conduction band.
© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)
EHP : Electron Hole Pair
Fakultas Teknik Elektro
22
Electrode
SiO 2
Antireflection coating
n+
p
š
(a)
Guard ring
n
Avalanche breakdown
n+
p
n
š
(b)
p+
p+
Substrate
Substrate
Electrode
Electrode
(a) A Si APD structure without a guard ring. (b) A schematic illustration of the
structure of a more practical Si APD
© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)
Fakultas Teknik Elektro
23
Vr
Ip h
Electrode
InP
InP
EE
h
R
InGaA s
Vout
e–
h+
P+
E(x)
N
n
Avalanche
region
n+
Absorption
region
x
Simplified schematic diagram of a separat e absorpt ion and multiplicat ion
(SAM) APD using a heterostructure based on InGaAs-InP.
P and N refer t o
p and n -t ype wider-bandgap semiconductor.
© 1999 S.O. K asap,Optoelectronics(P rentice H all)
Fakultas Teknik Elektro
24
Pd penggunaan normal RAPD bekerja pd modus depleted
penuh.
Cahaya memasuki device mel daerah p+ dan diserap bahan
π yg bekerja sbg daerah pengumpul carrier yg dibangkitkan
oleh photon.
Saat diserap photon memberikan energi, shg
membangkitkan pasangan elektron-hole yg
kemudiandipisahkan oleh medan listrik di daerah π.
Elektron yg dibangkitkan oleh photon bergeser dr daerah π
ke pn+ junction yg terdapat medan listrik kuat.
Pd daerah medan listrik kuat terjadi pelipat gandaan carrier.
Fakultas Teknik Elektro
25
Ionization rate : jumlah rata2 pasangan elektron-hole yg
dibangkitkan persatuan jarak tempuh.
Banyak bahan memiliki laju ionisasi elektron α berbeda dng
laju ionisasi hole β.
Perbandingan k = β/α merupakan ukuran unjuk kerja
photodetector.
Faktor multiplikasi :
IM
M 
IP
IM : rata2 arus keluaran multiplikasi total
IP : arus foto tanpa multiplikasi primer
Dlm praktek mekanisme avalanche adalah proses statistik,
krn tidak semua pasangan carrier yg dibangkitkan dlm
dioda menghasilkan multiplikasi sama == > M : harga rata2.
Responsivitas :
 APD 
q
hf
M  0 M
Fakultas Teknik Elektro
26
Laju ionisasi
hasil percobaan
Fakultascarrier
Teknik Elektro
27
Contoh
Suatu APD memiliki efisiensi kuantum 65 % pd panj gel
900 nm. Jika daya optis 0,50 μW menghasilkan arus foto
multiplikasi 10 μA, berapa faktor multiplikasi M ?
Fakultas Teknik Elektro
28
Pengaruh teg bias thd penguatan arus
Fakultas Teknik Elektro
29
Ping-Pong (Full-Duplex) LED
Fakultas Teknik Elektro
30