1. Nøgleydelsesparametre

1.1.Responsivitet (R)

Responsivitet er forholdet mellem genereret fotostrøm og indfaldende optisk effekt, udtrykt i A/W. Det afhænger af bølgelængde, materialeegenskaber, kvanteeffektivitet og enhedsstruktur. InGaAs-fotodioder giver typisk høj responsivitet i 1310nm og 1550nm telekommunikationsbåndene, selvom den nøjagtige værdi varierer afhængigt af enhedsdesign og driftsforhold. Højere reaktionsevne producerer mere fotostrøm for en given optisk input, hvilket kan forbedre detektionsfølsomheden, når andre støjkilder forbliver sammenlignelige.

1.2.Mørk strøm (Id)

Mørkstrøm er den lækstrøm, der strømmer gennem en fotodiode i fravær af indfaldende lys. Det kan opstå fra flere mekanismer, herunder termisk generation-rekombination, bærerdiffusion, overfladelækage og enhedsdefekter. Mørk strøm stiger generelt med omvendt bias og temperatur og bidrager til detektorens støjgulv. Lav mørkestrøm er især vigtig til detektering af svagt lys og præcis optisk effektmåling.

1.3.Junction Kapacitans (Cj) og båndbredde

Forbindelseskapacitans er den kapacitans, der er forbundet med fotodiodeforbindelsen. Sammen med belastningsmodstanden kan den danne en RC lavpasrespons, der begrænser detektorbåndbredden. Lavere krydskapacitans muliggør generelt højere båndbredde, mens krydskapacitans typisk falder med stigende omvendt bias og øges med aktivt areal.

Når RC-svaret er den dominerende båndbreddebegrænsning, kan den omtrentlige 3dB-båndbredde estimeres som:

f3dB ≈ 1 / (2π × RL × Cj)

Den faktiske fotodiodebåndbredde afhænger også af transportørens transittid, seriemodstand, pakkeparasitter og udlæsningskredsløbet. Mindre aktive områder og passende omvendt bias kan hjælpe med at opnå højere båndbredde, men det optimale design afhænger af detektorstrukturen og applikationskravene.

1.4.Active Area Diameter

Det aktive område er det lysfølsomme område af fotodioden, typisk specificeret ved dens diameter. Større aktive områder kan rumme større optiske stråler og give større justeringstolerance for frirum eller divergerende stråler, men har generelt højere krydskapacitans og lavere båndbredde. Mindre aktive områder giver lavere kapacitans og potentielt hurtigere respons, men kræver mere præcis optisk justering. Det optimale aktive område afhænger af strålestørrelsen, koblingsmetoden, optisk effekt og båndbreddekrav.

1.5.Spektralt responsområde

Det spektrale responsområde definerer de bølgelængder, over hvilke fotodioden giver nyttig fotorespons. Kortbølgelængdegrænsen er påvirket af absorption og transmission i enhedsstrukturen, mens den lange bølgelængdeafskæring primært bestemmes af halvlederbåndgabet. Standard InGaAs-fotodioder giver almindeligvis respons fra ca. 900 nm til 1700 nm, afhængigt af enhedsstruktur og materialesammensætning. InGaAs-varianter med forlænget bølgelængde kan udvide responsen til ca. 2,6 µm eller mere til applikationer med udvidet SWIR og spektroskopi.

1.6.Linearitet

Fotodiodelinearitet refererer til det proportionelle forhold mellem indfaldende optisk effekt og udgangsfotostrøm. God linearitet er vigtig for optiske effektmålere, optisk overvågning og kvantitative måleapplikationer. PIN-fotodioder kan give et meget lineært svar over et bredt optisk effektområde, når de betjenes inden for deres specificerede forhold. Ved høj optisk effekt kan lineariteten begrænses af seriemodstand, spændingsfald, mætning, rumladningseffekter og udlæsningskredsløbet. Ved lav optisk effekt påvirkes målenøjagtigheden i stigende grad af mørk strøm og det overordnede detektorstøjgulv.

2. Typiske applikationer

2.1.Optisk effektmåling og overvågning

Fotodioder er meget udbredt i håndholdte og bordoptiske optiske strømmålere, såvel som indbyggede optiske strømovervågningsmoduler i kommunikations- og testudstyr. InGaAs-fotodioder med passende aktive områder, høj responsivitet, lav mørkestrøm og god linearitet bruges almindeligvis til optisk effektmåling. Større aktive områder kan give større tolerance over for strålepositions- og justeringsvariationer, mens lav mørkestrøm hjælper med at forbedre målenøjagtigheden ved lave optiske effektniveauer.

2.2.Fiberoptiske kommunikationsmodtagere

I optiske kommunikationsmodtagere konverterer fotodioder modulerede optiske signaler til elektriske signaler til efterfølgende behandling. PIN-fotodioder bruges i vid udstrækning, hvor høj hastighed, linearitet og tilstrækkelig følsomhed er påkrævet, mens APD'er giver intern forstærkning til applikationer, der kræver højere modtagerfølsomhed. Valget mellem PIN og APD afhænger af linkbudgettet, datahastigheden, modtagerarkitekturen og omkostningskravene.

2.3.Fiberoptisk sensor

Distribuerede fiberoptiske sensingsystemer, herunder distribueret temperaturføling (DTS), distribueret akustisk sensing (DAS) og Brillouin optisk tidsdomæneanalyse (BOTDA), bruger fotodetektorer til at måle tilbagespredte eller reflekterede optiske signaler fra sensingfiberen. InGaAs-fotodioder bruges almindeligvis til systemer, der opererer omkring 1550nm-regionen, med responsivitet, støj og båndbredde valgt i henhold til den specifikke registreringsteknik og systemarkitektur.

2.4.Laser Power Monitoring og Control

Fotodioder bruges i vid udstrækning til overvågning af laserudgangseffekt i realtid og feedbackkontrol. Mange sommerfugle- og TO-CAN-laserpakker kan integrere en monitorfotodiode for at prøve en del af laseroutputtet, hvilket muliggør automatisk strømstyring (APC). Eksterne fotodioder bruges også til L-I-V-testning, optisk effektovervågning, bølgelængdescanningskarakterisering og andre lasermålingsapplikationer. InGaAs-fotodioder er velegnede til at overvåge telekommunikation og sensorlasere, der opererer inden for deres spektrale responsområde.

2.5.Nær-infrarød spektroskopi og analytisk instrumentering

NIR-spektroskopisystemer bruger fotodioder til at detektere lys transmitteret gennem eller reflekteret fra prøver til analyse af kemisk sammensætning, fugtindhold og materialeegenskaber. InGaAs-fotodioder med respons, der strækker sig til 1700nm, dækker vigtige NIR-absorptionsegenskaber for vand, kulbrinter og andre organiske forbindelser. Lav støj og velkarakteriseret spektral respons er vigtige for nøjagtige kvantitative målinger.

2.6.Industriel og miljøføling

InGaAs-fotodioder kan bruges i optiske sensorsystemer, der opererer inden for det nær-infrarøde område, herunder NIR TDLAS-gasdetektion, optisk positionsregistrering og andre industrielle måleapplikationer. I TDLAS-systemer detekterer fotodioden laserlys transmitteret gennem en gascelle, mens ændringer i optisk intensitet ved målabsorptionsbølgelængden analyseres for at bestemme gaskoncentrationen. Detektorbølgelængderespons, støjydeevne og dynamisk område bør vælges i overensstemmelse med den specifikke sensorarkitektur.