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8/19/2019 Lecture12 Photodiode Detectors
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L e c t u r e 1 2 : P h o t o d i o d e d e
t e c t o r s
B a c k g r o u n d c o n c e p t s
p - n p h o
t o d i o d e s
P h o t o c o n d u c t i v e / p h o t o v o l t a i c m o d e s
p - i - n p h
o t o d i o d e s
R e s p o n s i v i t y a n d b a n d w
i d t h
N o i s e i n p h o t o d e t e c t o r s
1
R e f e r e n c e s : T h i s l e c t u r e p a r t i a l l y f o l l o w s t h e m a t e r i a l s f r o m P h o t o n i c D e v i c e s , J i a - M i n g
L i u , C h a p t e r 1 4 . A l s o f r o m F u n d a m e n t a l s o f P h o t o n i c s , 2
n d e d
. , S a l e h &
T e i c h
, C h a p t e r s 1 8 .
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2
E l e c t r o n - h o l e p h o t o g
e n e r a t i o n
M o s t m
o d e r n p h o t o d e t e
c t o r s o p e r a t e o n
t h e b a s i s o f t h e
i n t e r n a l p h o t o e l e c t r i c e f f e c t – t h e p h o t o
e x c i t e d e l e c t r o n
s a n d
h o l e s r e
m a i n w i t h i n t h e
m a t e r i a l , i n c r e a
s i n g t h e e l e c t r i c
a l
c o n d u c t i v i t y o f t h e m a t e r i a l
E l e c t r o n - h o l e p h o t o g e n e r a t i o n i n a s e m
i c o n d u c t o r
h
h
• a b s o r b e d p h o t o
n s g e n e r a t e f r e e e l e c t r o n -
h o l e p a i r s
• T r a n s p o r t o f t h e f r e e e l e c t r o n s a n d
h o l e s
u p o n a n e l e c t r i c f i e l d r e s u l t s i n a c u r r e n t
E g
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3
A b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t
B a n d g a p s f o r s o m e s e m i c o
n d u c t o r
p h o t o
d i o d e m a t e r i a l s a t 3 0
0 K
B a n d g a p ( e V ) a t 3 0 0 K
I n d i r e c t
D i r e c t
S i
G e G a A s
I n A s
I n P
G a S b
I n 0 . 5 3 G a 0 . 4 7 A s
I n 0 . 1 4 G a 0 . 8 6 A s
G a A s 0 . 8 8 S b 0
. 1 2
1 . 1 4
0 . 6 7
- - - - - - -
4 . 1 0
0 . 8 1
1 . 4 3
0 . 3 5
1 . 3 5
0 . 7 3
0 . 7 5
1 . 1 5
1 . 1 5
k i n k
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4
A b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t
E . g . a b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t = 1 0 3 c m - 1
M e a n s a n 1 / e o p t i c a l p o
w e r a b s o r p t i o n
l e n g t h o f
1 / =
1 0 - 3 c m = 1 0 m
L i k e w i s e , = 1 0 4 c m - 1
= > 1 / e o p t i c a l p
o w e r a b s o r p t i o n
l e n g t h o f 1
m .
= 1 0 5 c m - 1
= > 1 / e o p t i c a l p o w e r a b s o r p t i o n
l e n
g t h o f 1 0 0 n m .
= 1 0 6 c m - 1
= > 1 / e o p t i c a l p o w e r a b s o r p t i o n
l e n
g t h o f 1 0 n m .
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5
I n d i r e c t a b s o r p t i o n
S i l i c o n a n d g e r m a n i u m
a b s o r b l i g h t b y
b o t h i n d i r e c t a n d
d i r e c t o
p t i c a l t r a n s i t i o n s .
I n d i r e c t a b s o r p t i o n r e q u i r e s t h e a s s i s t a n c e o f a p h o n o n s o t h a t
m o m e n t u m a n d e n e r g y
a r e c o n s e r v e d .
U n l i k e t h e e m i s s i o n p r o
c e s s , t h e a b s o r p
t i o n p r o c e s s c a n b e
s e q u e n t i a l , w i t h t h e e x c i t e d e l e c t r o n - h o l e p a i r t h e r m a l i z e
w i t h i n t h e i r r e s p e c t i v e e
n e r g y b a n d s b y
r e l e a s i n g
e n e r g y / m o m e n t u m v i a p
h o n o n s .
T h i s m a k e s t h e i n d i r e c t
a b s o r p t i o n l e s s
e f f i c i e n t t h a n d i r e c t
a b s o r p t i o n w h e r e n o p h
o n o n i s i n v o l v e d .
e l e c t r o n
w a v e v e c t o r k
E l e c t r o n
e n e r g y
h
t h e r m a l i z a t i o n
P h o n o n
p r o c e s s
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6
I n d i r e c t v s . d i r e c t a b s o r p t i o n i n s i l i c o n a n d g e r m a n i u m
S i l i c o n i s o n l y w e a k l y a b s o r b i n g o v e r t h e w a v e l e n g t h b a n d
0 . 8 – 0 . 9 m . T h i s i s b e c a u s e t r a n s i t i o n
s o v e r t h i s
w a v e l e n g t h b a n d i n s i l i c o n a r e d u e o n l y
t o t h e i n d i r e c t
a b s o r p t i o n m e c h a n i s m .
T h e t h r e s h o l d f o r i n d i r e c t a b s o
r p t i o n
( l o n g w a v e l e n g t h c u t o f f ) o c c u r s a t 1 . 0 9
m .
T h e b a n
d g a p f o r d i r e c t a b s o r p t i o n i n s i l i c o n i s 4 . 1 0 e V ,
c o r r e s p o n d i n g t o a t h r e s h o l d o f 0 . 3 m .
G e r m a n
i u m i s a n o t h e r
s e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l f o r w h i c h t h e
l o w e s t e n e r g y a b s o r p t i o
n t a k e s p l a c e b y
i n d i r e c t o p t i c a l
t r a n s i t i o n s . I n d i r e c t a b s o r p t i o n w i l l o c c
u r u p t o a t h r e s h o l d o f
1 . 8 5 m
.
H o w e v e r , t h e t h r e s h o l d
f o r d i r e c t a b s o r
p t i o n o c c u r s a t 1 . 5 3
m , f o r
s h o r t e r w a v e l e n
g t h s g e r m a n i u m
b e c o m e s s t r o n g l y
a b s o r b i n g ( s e e t h e k i n k i n t h e a b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t c u r
v e ) .
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C h o i c e o
f p h o t o d i o d e m a t e r i a l s
A p h o t o
d i o d e m a t e r i a l s h o u l d b e c h o s e n w i t h a b a n d g a p
e n e r g y s l i g h t l y l e s s t h a n
t h e p h o t o n e n e r g y c o r r e s p o n d i n g t o
t h e l o n g
e s t o p e r a t i n g w a v e l e n g t h o f t h e
s y s t e m .
T h i s g i v e s a s u f f i c i e n t l y
h i g h a b s o r p t i o n
c o e f f i c i e n t t o e
n s u r e a
g o o d r e
s p o n s e , a n d y e t
l i m i t s t h e n u m b e r o f t h e r m a l l y
g e n e r a t e d c a r r i e r s i n o r d e r t o a t t a i n a l o
w “ d a r k c u r r e n t
”
( i . e .
c u r r e n t
g e n e r a t e d w i t h n o i n c i d e n t l i g h t ) .
G e r m a n
i u m p h o t o d i o d e
s h a v e r e l a t i v e l y l a r g e d a r k c u r r e n t s
d u e t o t h e i r n a r r o w b a n d g a p s i n c o m p a
r i s o n t o o t h e r
s e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l
s . T h i s i s a m a j o r s h o r t c o m i n g w i t h t h e
u s e o f g
e r m a n i u m p h o t o d i o d e s , e s p e c i a l l y a t s h o r t e r
w a v e l e n
g t h s ( b e l o w 1 . 1
m )
E g s l i g h t l y l e s s
t h a n h L
h L
h s
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I I I - V c o m
p o u n d s e m
i c o n d u c t o r s
D i r e c t - b a n d g a p I I I - V c o m p o u n d s e m i c o n d u c t o r s c a n b e
b e t t e r m
a t e r i a l c h o i c e s t h a n g e r m a n i u m
f o r t h e l o n g e r
w a v e l e n g t h r e g i o n .
T h e i r b a n d g a p s c a n b e t a i l o r e d t o t h e d
e s i r e d w a v e l e n g
t h b y
c h a n g i n
g t h e r e l a t i v e c o
n c e n t r a t i o n s o f
t h e i r c o n s t i t u e n t s
( r e s u l t i n g i n l o w e r d a r k
c u r r e n t s ) .
T h e y m
a y a l s o b e f a b r i c a t e d i n h e t e r o j u
n c t i o n s t r u c t u r e
s
( w h i c h
e n h a n c e s t h e i r h
i g h - s p e e d o p e r a t i o n s ) .
e . g . I n 0 . 5 3 G a 0 . 4 7 A s l a t t i c e m a t c h e d t o I n P s u b s t r a t e s r e s p o n d
s t o
w a v e l e n g t h s u p t o a r o u n d 1 . 7 m . ( m o s t i m p o r t a n t f o r 1 . 3
a n d 1 . 5 5 m )
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9
J u n c t i o n
p h o t o d i o d e s
T h e s e m
i c o n d u c t o r p h o t o d i o d e d e t e c t o r
i s a p - n j u n c t i o
n
s t r u c t u r
e t h a t i s b a s e d o
n t h e i n t e r n a l p h
o t o e f f e c t .
T h e p h o t o r e s p o n s e o f a
p h o t o d i o d e r e s u l t s f r o m t h e
p h o t o g e
n e r a t i o n o f e l e c t r o n - h o l e p a i r s t h r o u g h b a n d - t o
- b a n d
o p t i c a l a b s o r p t i o n .
= > T h e
t h r e s h o l d p h o t o
n e n e r g y o f a s e
m i c o n d u c t o r
p h o t o d i o d e i s t h e b a n d g
a p e n e r g y E g o f
i t s a c t i v e r e g i o n .
T h e p h o
t o g e n e r a t e d e l e c t r o n s a n d h o l e s i n t h e d e p l e t i o n
l a y e r
a r e s u b j e c t t o t h e l o c a l e l e c t r i c f i e l d w i t h i n t h a t l a y e r . T
h e
e l e c t r o n
/ h o l e c a r r i e r s d r
i f t i n o p p o s i t e d
i r e c t i o n s . T h i s
t r a n s p o r t p r o c e s s i n d u c
e s a n e l e c t r i c c u
r r e n t i n t h e e x t e
r n a l
c i r c u i t .
H e r e , w
e w i l l f o c u s o n s e m i c o n d u c t o r h
o m o j u n c t i o n s .
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1 0
e
- d i f f u s i o n
r e g i o n
P h o t o e x c i t a t i o
n a n d e n e r g y - b a n d d i a g r a m o f a p - n p h o t o d i o d e
h
h
h
h
h
D
e p l e t i o n l a y e r
W
L e
h o m o g e n e o u s
p r e g i o n
h + d i f f u s i o n
r e g i o n L
h
h o
m o g e n e o u s
n r e g i o n
d r i f t
d r i f t
d i f f u s i o n
d i f f u s i o n
R e c o m b i n e w i t h
m a j o r i t y h +
b e f o r e r e a c h i n g
t h e j u n c t i o n
R e
c o m b i n e w i t h
m a
j o r i t y e -
b e f o r e r e a c h i n g
t h e
j u n c t i o n
A c t i v e r e g i o n
p
n
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1 1
I n t h e d
e p l e t i o n l a y e r , t h e i n t e r n a l e l e c t r i c f i e l d s w e e p s
t h e
p h o t o g e
n e r a t e d e l e c t r o n t o t h e n s i d e a n d t h e p h o t o g e n e r a t e d
h o l e t o t h e p s i d e .
= > a d r
i f t c u r r e n t t h a t f l o w s i n t h e r e v e
r s e d i r e c t i o n f r o
m t h e
n s i d e ( c a t h o d e ) t o t h e p s i d e ( a n o d e ) .
W i t h i n
o n e o f t h e d i f f u s i o n r e g i o n s a t t h e e d g e s o f t h e
d e p l e t i o
n l a y e r , t h e p h o
t o g e n e r a t e d m i n o r i t y c a r r i e r ( h o l e i n
t h e n s i d e a n d e l e c t r o n i n t h e p s i d e ) c a n r e a c h t h e d e p l e t i o n
l a y e r b y
d i f f u s i o n a n d t h e n b e s w e p t t o t h e o t h e r s i d e b y
t h e
i n t e r n a l f i e l d .
= > a d i f f u s i o n c u r r e n t t h a t a l s o f l o w s i n t h e r e v e r s e d i r e c t i o n .
I n t h e p
o r n h o m o g e n e o u s r e g i o n , e s s e
n t i a l l y n o c u r r e n t i s
g e n e r a t e d b e c a u s e t h e r e i s e s s e n t i a l l y n
o i n t e r n a l f i e l d t o
s e p a r a t e t h e c h a r g e s a n d a m i n o r i t y c a r r i e r g e n e r a t e d i n
a
h o m o g e n e o u s r e g i o n c a
n n o t d i f f u s e t o t h e d e p l e t i o n l a y e r
b e f o r e r
e c o m b i n i n g w i t h a m a j o r i t y c a r r i e r .
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1 2
P h o t o c u r r e n t i n a n i l l u
m i n a t e d j u n
c t i o n
I f a j u n c t i o n o f c r o s s - s e c t i o n a l a r e a A i s u n i f o r m l y
i l l u m i n a t e d b y p h o t o n s
w i t h h > E g , a
p h o t o g e n e r a t i o n
r a t e
G ( E H P
/ c m 3 - s ) g i v e s r i s e t o a p h o t o c u r r e n t .
T h e n u m
b e r o f h o l e s c r e a t e d p e r s e c o n d
w i t h i n a d i f f u s i o n
l e n g t h L
h o f t h e d e p l e t i o n r e g i o n o n t h e
n s i d e i s A L h G .
T h e n u m
b e r o f e l e c t r o n s c r e a t e d p e r s e c
o n d w i t h i n a d i f f u s i o n
l e n g t h L
e o f t h e d e p l e t i o n r e g i o n o n t h e
p s i d e i s A L e G .
S i m i l a r l y , A W G c a r r i e r s a r e g e n e r a t e d w i t h i n t h e d e p l e t i o n
r e g i o n o f w i d t h W .
T h e r e s u l t i n g j u n c t i o n p
h o t o c u r r e n t f r o m n t o p :
I p = e A
( L h + L e
+ W )
G
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D i o d e e q
u a t i o n
R e c a l l t h e c u r r e n t - v o l t a g e ( I - V ) c h a r a c t e r i s t i c o f t h e j u n c t i o n i s
g i v e n b y t h e d i o d e e q u a t i o n :
I = I 0 ( e x p ( e V / k B T ) – 1
)
T h e c u r r e
n t I i s t h e i n j e c t i o n c u r r e n t u n d e
r a f o r w a r d b i a s
V .
I 0 i s t h e “ s a t u r a t i o n c u r r e n
t ” r e p r e s e n t i n g t h e r m a l - g e n e r a t e d f r e e
c a r r i e r s w
h i c h f l o w t h r o u g h t h e j u n c t i o n ( d a r k c u r r e n t ) .
V
I
D a r k c u r r e n t
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S h o r t - c i r
c u i t c u r r e n t
a n d o p e n - c i r c u i t v o l t a g e
T h e s h o r t - c i r c u i t c u r r e n t ( V = 0 ) i s t h e
p h o t o c u r r e n t I p .
T h e o p e n - c i r c u i t v o l t a g
e ( I = 0 ) i s t h e p
h o t o v o l t a g e V p
.
V p = (
k B T / e ) l n ( I p /
I 0 +
1 )
I p 1
I p
I p 2
I p 3
V p + -
V
I
G =
0 G 1
G 2
G 3
I 0
V p 1
V p 2 V p 3
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1 6
P h o t o c u r r e n t a n d p h o t o v o l t a g e
A s t h e l i g h t i n t e n s i t y i n c r e a s e s , t h e s h o r t - c i r c u i t c u r r e n t
i n c r e a s e s l i n e a r l y ( I p
G ) ;
T h e o p e n - c i r c u i t v o l t a g e i n c r e a s e s o n l y
l o g a r i t h m i c a l l y
( V p
l n ( I p / I 0
) ) a n d l i m i t s b y t h e e q u i l i b r i u m c o n t a c t p o t e n t i a l .
I n t e n s i t y ( m W / c m 2 )
V p
( V ) I p
( A )
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1 7
O p e n - c i r
c u i t v o l t a g e
T h e p h o t o g e n e r a t e d , f i e
l d - s e p a r a t e d , m a j o r i t y c a r r i e r s ( + v e
c h a r g e o n t h e p - s i d e , - v
e c h a r g e o n t h e n - s i d e ) f o r w a r d - b i a s
t h e j u n c
t i o n .
T h e a p p
e a r a n c e o f a f o r w a r d v o l t a g e a c
r o s s a n i l l u m i n a
t e d
j u n c t i o n ( p h o t o v o l t a g e )
i s k n o w n a s t h e
p h o t o v o l t a i c e f f e c t .
T h e l i m
i t o n V p
i s t h e e q u i l i b r i u m c o n t a c t p o t e n t i a l V 0 a s t h e
c o n t a c t
p o t e n t i a l i s t h e m a x i m u m f o r w a
r d b i a s t h a t c a n
a p p e a r a c r o s s a j u n c t i o n . ( d r i f t c u r r e n t
v a n i s h e s w i t h V
p =
V )
e ( V 0 - V p )
E c
E v
E F
e V 0
E F p
E F n
e V p
+
+ +
- - -
p
n
p
n
A
c c u m u l a t e d
m
a j o r i t y
c a r r i e r s
A c c u m u l a t e d
m a j o r i t y
c a r r i e r s
e ( V 0 - V p
)
8/19/2019 Lecture12 Photodiode Detectors
18/80
1 8
P h o t o c o n d u c t i v e a n d
p h o t o v o l t a i c m o d e s
T h e r e a
r e t w o m o d e s o f
o p e r a t i o n f o r a
j u n c t i o n p h o t o d i o d e :
p h o t o c o
n d u c t i v e a n d p h
o t o v o l t a i c
T h e d e v
i c e f u n c t i o n s i n
p h o t o c o n d u c t i v e m o d e i n t h e t h
i r d
q u a d r a n
t o f i t s c u r r e n t - v o l t a g e c h a r a c t e r i s t i c s , i n c l u d i n g
t h e
s h o r t - c i r c u i t c o n d i t i o n o n t h e v e r t i c a l a x i s f o r V = 0 . ( a c t i n g
a s a c u r
r e n t s o u r c e )
I t f u n c t i o n s i n p h o t o v o l t a i c m o d e i n t h e
f o u r t h q u a d r a n t ,
i n c l u d i n g t h e o p e n - c i r c u i t c o n d i t i o n o n
t h e h o r i z o n t a l a x i s f o r
I = 0 . ( a c t i n g a s a v o l t a
g e s o u r c e w i t h o u t p u t v o l t a g e l i m i t e d
b y t h e e q u i l i b r i u m c o n t a c t p o t e n t i a l )
T h e m o
d e o f o p e r a t i o n i s d e t e r m i n e d b y t h e b i a s c o n d i t i o n
a n d t h e
e x t e r n a l c i r c u i t r y .
8/19/2019 Lecture12 Photodiode Detectors
19/80
1 9
P h o t o c o n d u c t i v e m o d e u n d e r r e v
e r s e b i a s
E c
E v
E F
e V 0
p
n
E c
E v
E F p
e ( V 0 +
V B )
p
n
E F n
e V B
( F o r s i l i c o n p h o t o d i o d e s , V 0
0 . 7 V , V B c a n b e u p t o - 5 – - 1 0
V )
W
W + D
8/19/2019 Lecture12 Photodiode Detectors
20/80
2 0
B a s i c c i r c u i t r y
a n d l o a d l i n e f o r t h e p h o t o c o n d u c t i v e m o d e
“ P h o t o c o n d
u c t i v e ” m o d e – r e v e r s e b i a s i n g t h e p h o t o d i o d e
W i t h a s e r i e s l o a d r e s i s t o r R L <
R i g i v e s t h e l o a d l i n e
K e e p V o u t <
V B s o t h a t t h e p h o t o d i o d e i s r e v e r s e b
i a s e d
( V B i s s u f f i c
i e n t l y l a r g e )
U n d e r t h e s e c o n d i t i o n s a n d b e f o r e i t s a t u r a t e s , a p
h o t o d i o d e h a s t h e f o l l o w i n g
l i n e a r r e s p o n s e : V o u t = ( I 0 + I p
) R L
V o u t
+ -
R L
V B
R i
V
I
G = 0 G
1
- V B
- V
B / R L
R L < < R i
I 0
V
o u t = 0 V
+ -
V B
R i
V
I
G = 0 G
1
- V B
I 0
R L = 0
I 0 + I p
I 0 + I p
V o u t
( s h
o r t - c i r c u i t
c u r r e n t )
8/19/2019 Lecture12 Photodiode Detectors
21/80
2 1
B a s i c c i r c u i t r y a n d l o a d l i n e f o r t h e p h o t o v o l t a i c m o d e
V o u t
+ -
V
I
G = 0 G
1 G 2
G 3
I 0
R L
R L > > R i
I
• D o e s n o t r e q u i r e a b i a s v o l t a g e b u t r e q u
i r e s a l a r g e l o a d
r e s i s t a n c
e .
• R L > > R i , s o t h a t t h e c u r r e n t I f l o w i n g t h
r o u g h t h e d i o d e
a n d
t h e l o a d
r e s i s t a n c e i s n e g
l i g i b l y s m a l l .
L i m i t e d b y t h e
c o n t a c t p o t e n t i a l
8/19/2019 Lecture12 Photodiode Detectors
22/80
2 2
O p e r a t i o n r e g i m e s o f a n i l l u m i n a t e d j u n c t i o n
P h o t o c o n d u
c t i v e :
P o w e r ( + v e )
i s d e l i v e r e d t o
t h e d e v i c e b y
t h e e x t e r n a l
c i r c u i t ( p h o t o d e t e c t o r )
P h o t o v o l t a i c :
P o w e r
( - v e ) i s d e l i v e r e d t o
t h e l o a d b y t h e d e v i c e
( s o l a r c
e l l / e n e r g y h a r v
e s t i n g )
3 r d q u a d r a n t
( e x t e r n a l r e v e r s e b i a s ,
r e v e r s e c u r r e n t )
V
I
p n
i r
+ - V r
R L
4 t h q u a d r a n t
( i n t e r n a l f o r w a r d b i a s ,
r e v e r s e c u r r e n t )
V
I
p n
i r
- + V
R L
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2 3
A r e v e r s e - b i a s e d p - n
p h o t o d i o d e
I t i s i m p o r t a n t t h a t t h e p h o t o
n s a r e a b s o r b e d i n
t h e d e p l e t i o n r e g i o n .
T h u s , i t i
s m a d e a s l o n g a s p
o s s i b l e ( s a y b y d e c
r e a s i n g t h e d o p i n g
i n t h e n
t y p e m a t e r i a l ) . T h e d e p l e t i o
n r e g i o n w i d t h i n a
p - n p h o t o d i o d e i s
n o r m a l l y
1 – 3 m .
T h e d e p l e t i o n - l a y e r w i d t h w i d e n s a n d t h e j u n c t i o n c a p a c i t a n c e d r o
p s w i t h
r e v e r s e v
o l t a g e a c r o s s t h e j u
n c t i o n .
p n
E - f i e l d
D e p l e t i o n
r e g i o n
D i f f u s i o n
r e g i o n
A b s o r p t i o n
r e g i o n
W + D
8/19/2019 Lecture12 Photodiode Detectors
24/80
2 4
p - i - n p h o
t o d i o d e s
A p - i - n p h o t o d i o d e c o
n s i s t s o f
a n
i n t r i n s i c r e g i o n s a n
d w i c h e d
b e t w e e n h e a v i l y d o p e d p + a n d n +
r e g
i o n s . T h e d e p l e t i o n l a y e r i s
a l m
o s t c o m p l e t e l y d e f i n e d b y t h e
i n t r i n s i c r e g i o n .
I n p r a c t i c e , t h e i n t r i n s i c r e g i o n
d o e s n o t h a v e t o b e t r u l y
i n t r i n s i c b u t o n l y h a s t o b e
h i g
h l y r e s i s t i v e ( l i g h t l y d o p e d p
o r n r e g i o n ) .
8/19/2019 Lecture12 Photodiode Detectors
25/80
2 5
A r e v e r s e - b i a s e d p - i - n p h o t o d i o d
e
A l l t h e a b s o r p t i o n t a k e s p l a c e i n t h e d e p l e t i o n r
e g i o n . T h e i n t r i n s i c r e g i o n
c a n b e a n
n - t y p e m a t e r i a l t h a t i s l i g h t l y d o p e d , a n d t o m a k e a l o w -
r e s i s t a n c e c o n t a c t a h i g h l y d
o p e d n - t y p e ( n + ) l a y e r i s a d d e d .
p i
E - f i e l d
D e p l e t i o
n
r e g i o n
A b s o r p t i o n
r e g i o n
n +
| |
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2 6
T h e d e p l e t i o n - l a y e r w i d t h W i n a p - i - n d
i o d e d o e s n o t v a r y
s i g n i f i c a
n t l y w i t h b i a s v o l t a g e b u t i s e s s e n t i a l l y f i x e d b y
t h e
t h i c k n e s
s , d i , o f t h e i n t r i n s i c r e g i o n s o t h
a t W
d i .
T h e i n t e
r n a l c a p a c i t a n c e
o f a p - i - n d i o d e c a n b e d e s i g n e d :
C i = C j = A / W
A / d
i
T h i s c a p
a c i t a n c e i s e s s e n t i a l l y i n d e p e n d e n t o f t h e b i a s
v o l t a g e ,
r e m a i n i n g c o n s t a n t i n o p e r a t i o n .
8/19/2019 Lecture12 Photodiode Detectors
27/80
2 7
p - i - n p
h o t o d i o d e s o f
f e r t h e f o l l o w
i n g a d v a n t a g e
s :
I n c r e a s i n g t h e w i d t h
o f t h e d e p l e t i o n l a y e r ( w h e r e t h e
g e n e r a t e d c a r r i e r s c a n b e t r a n s p o r t e d b y d r i f t ) i n c r e a s e s
t h e a r e a a v a i l a b l e f o r c a p t u r i n g l i g h
t
I n c r
e a s i n g t h e w i d t h
o f t h e d e p l e t i o n l a y e r r e d u c e s t h e
j u n c
t i o n c a p a c i t a n c e a n d t h e r e b y t h e R C t i m e c o n s t a n t .
Y e t , t h e t r a n s i t t i m e
i n c r e a s e s w i t h t h e w i d t h o f t h e
d e p l e t i o n l a y e r .
R e d
u c i n g t h e r a t i o b
e t w e e n t h e d i f f u s i o n l e n g t h a n d
t h e
d r i f t l e n g t h o f t h e d e v i c e r e s u l t s i n a
g r e a t e r p r o p o r t i o n o f
t h e g e n e r a t e d c u r r e n t b e i n g c a r r i e d
b y t h e f a s t e r d r i f t
p r o c
e s s .
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28/80
2 8
H e t e r o j u n c t i o n p h o t o d i o d e s
M a n y I I I - V p - i - n p h o t o
d i o d e s h a v e h e t e r o j u n c t i o n
s t r u c t u r e s .
E x a m p l e s : p + - A l G a A s / G a A s / n + - A l G a A
s , p + - I n P / I n G a A
s / n + -
I n P , o r p + - A l G a A s / G a A
s / n + - G a A s , p + - I
n G a A s / I n G a A s / n + -
I n P .
A l G a A s / G a A s ( 0 . 7 – 0 . 8 7 m )
I n G a A s
/ I n P ( 1 3 0 0 – 1 6 0 0 n m ) . A t y p i c a l I n G a A s p - i - n
p h o t o d e t e c t o r o p e r a t i n g
a t 1 5 5 0 n m h a s
a q u a n t u m e f f i c i e n c y
0 . 7 5
a n d a r e s p o n s i v i t y R
0 . 9 A / W
p + I n P
i I n G a A s
n + I n P P
n a r r o w b a n d g a p
w i d e b a n d g a p
w i d e b a n d g a p
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2 9
H e t e r o j u n c t i o n p h o t o d i o d e s
H e t e r o j u n c t i o n s t r u c t u r e s o f f e r a d d i t i o n
a l f l e x i b i l i t y i n
o p t i m i z
i n g t h e p e r f o r m a n c e o f a p h o t o d
i o d e .
I n a h e t e r o j u n c t i o n p h o t o d i o d e , t h e a c t i v e r e g i o n n o r m a
l l y
h a s a b a n d g a p t h a t i s s m
a l l e r t h a n o n e o
r b o t h o f t h e
h o m o g e n e o u s r e g i o n s .
A w i d e - b a n d g a p h o m o g
e n e o u s r e g i o n , w h i c h c a n b e e i t h e r
t h e t o p p + r e g i o n o r t h e
s u b s t r a t e n r e g i o n , s e r v e s a s a w
i n d o w
f o r t h e o p t i c a l s i g n a l t o
e n t e r .
T h e s m a l l b a n d g a p o f t h e a c t i v e r e g i o n
d e t e r m i n e s t h e l o n g -
w a v e l e n
g t h c u t o f f o f t h e p h o t o r e s p o n s e , t h .
T h e l a r g e b a n d g a p o f t h
e h o m o g e n e o u s
w i n d o w r e g i o n
s e t s
t h e s h o r t - w a v e l e n g t h c u
t o f f o f t h e p h o t o r e s p o n s e , c .
= > F o r a n o p t i c a l s i g n a l t h a t h a s a w a v e l e n
g t h s
i n t h e r a n
g e t h
> s
> c ,
t h e q u a n t u m e f f i c i e n c y a n d t h
e r e s p o n s i v i t y c a n b e
o p t i m i z
e d .
8/19/2019 Lecture12 Photodiode Detectors
30/80
3 0
I n G a A s f i b e r - o p t i c p
i n p h o t o d e t e c t o r
( T h o r l a b s D 4 0 0 F C )
S p e c t r a
l r e s p o n s e
8 0 0 – 1
7 0 0 n m
P e a k r e
s p o n s e
0 . 9 5 A / W @ 1
5 5 0 n m
R i s e / f a l l t i m e
0 . 1 n s
D i o d e c
a p a c i t a n c e
0 . 7 p F ( t y p )
N E P @
1 5 5 0 n m
1 . 0 x 1 0 - 1 5 W / H z
D a r k c u
r r e n t
0 . 7 n A (
t y p ) ,
1 . 0 n A (
m a x )
P D A c t i v e d i a m e t e r
0 . 1 m m
B a n d w i d t h
1 G H z ( m i n )
D a m a g
e t h r e s h o l d
1 0 0 m W
C W
B i a s ( r e
v e r s e )
1 2 V b a t t e r y
C o u p l i n
g l e n s
0 . 8 ” d i a
. B a l l l e n s
C o u p l i n
g e f f i c i e n c y
9 2 % ( t y
p ) f r o m b o t h
s i n g l e -
a n d m u l t i -
m o d e f i b e r s o v e r f u l l
s p e c t r a
l r e s p o n s e
f i b e r
R F
c a b l e
L i g h t i n
c
t h
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3 1
A p p l i c a t i o n n o t e s – o u t p u t v o l t a g e
T h e R F
o u t p u t s i g n a l ( s
u i t a b l e f o r b o t h
p u l s e d a n d C W l
i g h t
s o u r c e s ) i s t h e d i r e c t p h
o t o c u r r e n t o u t o
f t h e p h o t o d i o d e
a n o d e a
n d i s a f u n c t i o n
o f t h e i n c i d e n t l i g h t p o w e r a n d
w a v e l e n g t h .
T h e r e s p o n s i v i t y R ( ) c
a n b e u s e d t o e s t i m a t e t h e a m o u
n t o f
p h o t o c u
r r e n t .
T o c o n v
e r t t h i s p h o t o c u r r e n t t o a v o l t a g
e ( s a y f o r v i e w i n g o n
a n o s c i l l o s c o p e ) , a d d a n
e x t e r n a l l o a d r e s i s t a n c e , R L .
T h e o u t p u t v o l t a g e i s g i v e n a s :
V 0 = P R ( ) R L
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32/80
3 2
R e s p o n s i v i t y
T h e r e s p o n s i v i t y o f a p h o t o d e t e c t o r r e l a
t e s t h e e l e c t r i c c u r r e n t
I p f l o w i
n g i n t h e d e v i c e
c i r c u i t t o t h e o p
t i c a l p o w e r P i n
c i d e n t
o n i t . I
p
= e = e P / h
R P
: q u a n t u m e f f i c i e n c y
R e s p o n s i v i t y R = I
p / P = e / h =
/ 1 . 2 4 [ A / W ]
( R e c a l l
t h e L E D r e s p o n
s i v i t y [ W / A ] )
T h e r e s p o n s i v i t y i s l i n e a r l y p r o p o r t i o n a
l t o b o t h t h e q u a n t u m
e f f i c i e n c y a n d t h e f r e e - s p a c e w a v e l e n
g t h .
( e . g . f o r = 1 , = 1 . 2 4
m , R = 1 A / W
)
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33/80
3 3
R e s p o n s i v i t y v s . w a v e l e n g t h
R e s p o n s i v i t y R ( A / W ) v s . w a v e l e n g t h w
i t h t h e q u a n t u m
e f f i c i e n
c y s h o w n o n v a r i o u s d a s h e d l i n e s
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3 4
Q u a n t u m
e f f i c i e n c y
T h e q u a n
t u m e f f i c i e n c y ( e x t e r n a l q u a n t u m e f f i c i e n c y ) o f a
p h o t o d e t e c t o r i s t h e p r o b a b i l i t y t h a t a s i n g l e p h o t o n i n c i d e n t o n t h e d e v i c e
g e n e r a t e s a p h o t o c a r r i e r p a i r t h a t c o n t r i b u t e s t o
t h e d e t e c t o r c u r r e n
t .
= ( 1 - R ) [ 1 – e x p ( -
d ) ]
R i s t h e o
p t i c a l p o w e r r e f l e c
t a n c e a t t h e s u r f a c e
, i s t h e f r a c t i o n o f
e l e c t r o n - h o l e p a i r s t h a t c o n t r i b u t e t o t h e d e t e c t o r c u r r e n t , t h e
a b s o r p t i o
n c o e f f i c i e n t o f t h e
m a t e r i a l , a n d d t h e
p h o t o d e t e c t o r d e p t h .
i s t h e f r a c t i o n o f e l e c t r o n - h o l e p a i r s t h a t a v o i d r e c o m b i n a t i o n ( o f t e n
d o m i n a t e
d a t t h e m a t e r i a l s u
r f a c e ) a n d c o n t r i b u t e t o t h e u s e f u l
p h o t o c u r r e n t . S u r f a c e r e c o m
b i n a t i o n c a n b e r e d u c e d b y c a r e f u l m
a t e r i a l
g r o w t h a n d d e v i c e d e s i g n / f a
b r i c a t i o n .
[ 1 – e x p (
- d ) ] r e p r e s e n t s
t h e f r a c t i o n o f t h e
p h o t o n f l u x a b s o r b e d i n
t h e b u l k o f t h e m a t e r i a l . T h e d e v i c e s h o u l d h a v
e a v a l u e o f d t h a t i s
s u f f i c i e n t l y l a r g e . ( d > 1 /
= 1 0 4 c m - 1 , d > 1
m )
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3 5
D e p e n d e n c e o f q u a n t u m
e f f i c i e n c y o n
w a v e l e n g t h s
T h e c h a
r a c t e r i s t i c s o f t h
e s e m i c o n d u c t o
r m a t e r i a l d e t e r m i n e s
t h e s p e c t r a l w i n d o w f o r
l a r g e .
T h e b a n
d g a p w a v e l e n g t h g = h c / E g
i s t h e l o n g - w a v e l e n
g t h
l i m i t o f
t h e s e m i c o n d u c
t o r m a t e r i a l .
F o r s u f f i c i e n t l y s h o r t , a l s o d e c r e a s e
s b e c a u s e m o s t
p h o t o n s a r e a b s o r b e d n e a r t h e s u r f a c e o
f t h e d e v i c e ( e . g . f o r
= 1 0 4 c m - 1 , m o s t o f t h
e l i g h t i s a b s o r b
e d w i t h i n a d i s t a n c e
1 / = 1
m ; f o r = 1 0 5 – 1 0 6 c m - 1 , m o s t o f t h e l i g h t i s
a b s o r b e
d w i t h i n a d i s t a n c e 1 / = 0 . 1 – 0 . 0 1 m ) .
T h e r e c o m b i n a t i o n l i f e t i m e i s q u i t e s h o r t n e a r t h e s u r f a c e , s o
t h a t t h e
p h o t o c a r r i e r s r e c o m b i n e b e f o r e
b e i n g c o l l e c t e d
.
( s h o�