Designoptimierung und aktuelle Trends bei Fotodioden für Kommunikationsanwendungen

Primäre Eigenschaften von Fotodioden für Kommunikationsanwendungen

Die in optischen Transceivern eingesetzten Fotodioden für Kommunikationsanwendungen erfordern Designs mit für jede Anwendung und jeden Zweck optimierten Materialien und Strukturen. Dieser Artikel erläutert die Grundlagen dieser Designs.
Die Leistung Fotodiode wird maßgeblich durch Dunkelstrom, Empfindlichkeit, Kapazität und Bandbreite bestimmt. Wir beginnen mit der Erläuterung dieser grundlegenden Bausteine des Fotodiodendesigns. Wichtig ist, dass im tatsächlichen Design Kompromisse eingegangen werden müssen, um das gewünschte Gleichgewicht zwischen diesen widersprüchlichen Leistungsfaktoren zu erreichen.

• Dunkler Strom (Symbol: I _d)
  Dunkelstrom ist ein kleiner elektrischer Strom, der erzeugt wird, wenn kein Licht auf die Fotodiode fällt. Es wird in erster Linie durch Hitze oder Leckströme verursacht, ist eine der Hauptursachen für Lärm und wirkt sich direkt auf die Geräteleistung aus. Da es sich direkt auf das Signal-Rausch-Verhältnis auswirkt, sollten Dunkelstrompegel minimiert werden. Während eine Reduzierung durch Materialauswahl, Optimierung des Herstellungsprozesses und niedrigere Betriebstemperatur möglich ist, gibt es einen Kompromiss bei der Empfindlichkeit, und Designs mit kleinerem Dunkelstrom sind auch weniger reaktionsschnell. Der Dunkelstrom ist ein besonders wichtiger Parameter in Anwendungsfällen, die eine hohe Empfindlichkeit und ein geringes Rauschen erfordern, und wird als Indikator für die Qualität und Leistung des Geräts verwendet.
  
• Empfindlichkeit (Symbol: R)
  Die Empfindlichkeit einer Fotodiode ist das Verhältnis des abgegebenen elektrischen Stroms zur Intensität des einfallenden Lichts. Geräte mit hoher Empfindlichkeit erzeugen selbst bei schwachem Licht einen großen elektrischen Strom, aber auch das Rauschen kann zunehmen. Daher ist es wichtig, ein angemessenes Maß an Empfindlichkeit für den jeweiligen Anwendungsfall auszuwählen. Insbesondere gibt es bei PIN-Fotodioden einen Kompromiss zwischen Empfindlichkeit und Bandbreite. Designs mit hoher Empfindlichkeit eignen sich gut für die Erkennung schwacher Signale, aber in Situationen, die eine schnelle Reaktion erfordern, ist es notwendig, Empfindlichkeit und Bandbreite in Einklang zu bringen. Die Responsivitätsplanung muss angemessen und sorgfältig auf der Grundlage der Anforderungen der Anwendung erfolgen.
  
• Kapazität (Symbol: C, Cs, Cp)
  Die Kapazität einer Fotodiode ist ihre Fähigkeit, elektrische Ladung im Gerät zu speichern. Dieser Parameter hat einen großen Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit und Reaktionsfähigkeit. Eine hohe Kapazität verlangsamt die Reaktionsgeschwindigkeit, aber eine niedrige Kapazität kann die Reaktionsfähigkeit verringern. Für Anwendungen, die eine schnelle Reaktionsgeschwindigkeit erfordern, ist es wichtig, die Kapazität niedrig zu halten, aber es ist notwendig, den Kompromiss mit der Empfindlichkeit sorgfältig abzuwägen. Fotodiode Kapazität wird durch die Breite der Lichtabsorptionsschicht des Geräts und die Blendengröße beeinflusst. Die Kapazität wird auch bei der Bandbreitenberechnung verwendet – es ist möglich, die Bandbreite anhand des gemessenen Wertes zu schätzen.
  
• Bandbreite (Symbol: BW)
  Die Bandbreite einer Fotodiode ist der Bereich der Lichtfrequenzen, die sie in elektrische Signale umwandeln kann. Je höher die Bandbreite, desto schneller reagiert die Reaktion auf Signaländerungen. Dies ermöglicht einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb, aber eine zu hohe Bandbreite kann sich auf andere Aspekte der Leistung auswirken. Die Konsistenz mit anderen Komponenten ist in einem optischen Kommunikationssystem wichtig, und es ist notwendig, eine geeignete Bandbreite basierend auf den Anforderungen des Gesamtsystems zu wählen. Bei PIN-Fotodioden gibt es einen Kompromiss zwischen Bandbreite und Empfindlichkeit, so dass es wichtig ist, sie je nach Anwendung auszugleichen. Ein angemessenes Bandbreitendesign ist ein Schlüsselelement zur Optimierung der Leistung und Zuverlässigkeit eines Systems.

Designoptimierungspunkte zur Geschwindigkeitssteigerung

Im Folgenden werden wir die wichtigsten Punkte bei der Optimierung des Fotodiodendesigns erörtern.
Zunächst werden wir uns die Beziehung zwischen Bandbreite und Kapazität ansehen. Je höher die Bandbreite einer Fotodiode ist, desto schneller kann sie arbeiten. Wie sollte also die Kapazität ausgelegt sein, um die Bandbreite zu erhöhen? Dies wird in den folgenden Formeln gezeigt.

Die Bandbreite F wird basierend auf der Bandbreite Fcr (abgeleitet von der Kapazität C und dem Widerstand R) und der Bandbreite Fv (abgeleitet von der Zeit "t", die die Träger in der Fotodiode benötigen, um als Strom auszuströmen) berechnet.

Diese Formeln zeigen die folgenden zwei Schlüsselpunkte für das Hochgeschwindigkeitsdesign.
・ Senkung der Kapazität C
・Verkürzung der Transportlaufzeit t
Beim Design von Fotodioden ist es wichtig, diese Werte zu optimieren.

Als nächstes werden wir uns Möglichkeiten zur Senkung der Kapazität C ansehen.
Die Kapazität eines PIN-Fotodiodengeräts hängt von der Dicke und Form der PIN-Verbindung im aktiven Bereich ab.

Das obige Diagramm zeigt ein Beispiel für die Bandbreite, die auf der Grundlage der Gerätekapazität berechnet wurde. Wenn in einer PIN-Fotodiode der primäre aktive Bereich (die I-Schicht) dicker wird, vergrößert sich der Abstand zwischen der P- und der N-Schicht. Dadurch wird die Menge an elektrischer Ladung, die gespeichert werden kann, reduziert, wodurch die Kapazität der Fotodiode verringert wird. Wenn die Kapazität verringert wird, erhöht sich die Bandbreite. Die Bandbreite ist der Frequenzbereich, für den das Gerät effektiv arbeiten kann.

Warum führt eine Verringerung der Kapazität zu einer Erhöhung der Bandbreite? Es ist leichter zu verstehen, wenn Sie sich vorstellen, wie Sie Wasser in einen Eimer gießen und wieder heraus. Bei einem großen Fassungsvermögen (großer Eimer) dauert das Füllen und Ablassen von Wasser eine Weile, bei einem kleinen Fassungsvermögen (kleiner Eimer) kann das Füllen und Ablassen von Wasser jedoch schnell erfolgen (Signaländerungen). Dadurch kann es schnellere Signaländerungen verarbeiten und verfügt somit über eine höhere Bandbreite.

Um die Trägerreisezeit t zu verkürzen

Wie kann man nun die Trägerlaufzeit t in einer PIN-Photodiode verkürzen?
Die Trägerlaufzeit t kann mit der folgenden Formel berechnet werden.

• d: InGaAs-Schichtdicke (Trägerlaufstrecke)
• v _d: Laufgeschwindigkeit des Trägers (für die Laufgeschwindigkeit werden theoretische Werte aus Papieren usw. verwendet)

Aus dieser Formel können wir ersehen, dass die Reisezeit des Trägers durch „Ausdünnen der I-Schicht, die die Reisedistanz des Trägers darstellt“ verkürzt werden kann.

Andererseits sind die Laufzeit t und die Bandbreite umgekehrt proportional.
Die folgende Grafik zeigt ein Beispiel für die Berechnung der Bandbreite anhand der Trägerlaufzeit.

Es ist ersichtlich, dass die Bandbreite zunimmt, wenn der lichtempfindliche Bereich dünner wird (die Trägerlaufzeit wird kürzer). Der Grund hierfür liegt darin, dass Elektronen und Löcher, wie das obige Eimerbeispiel zeigt, länger brauchen, um sich zu bewegen, wodurch sie langsamer auf Frequenzänderungen reagieren können.

Empfindlichkeit vs. Bandbreite

Als nächstes betrachten wir die Beziehung zwischen Empfindlichkeit und Bandbreite.

Empfindlichkeit und Bandbreite sind äußerst wichtige Elemente beim Design von Fotodioden. Da zwischen beiden Faktoren ein Kompromiss besteht, müssen Entwickler sorgfältig eine Balance finden.
Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, wird die Lichtabsorptionsschicht dicker gemacht. Dadurch kann sie mehr Licht einfangen und in mehr elektrische Signale umwandeln.

Allerdings erhöht sich durch eine dickere Lichtabsorptionsschicht die Distanz, die die erzeugten Elektronen und Löcher (Träger) zurücklegen müssen. Diese erhöhte Laufzeit begrenzt die Bandbreite (wie schnell das Signal auf Änderungen reagieren kann).

Designer müssen diese Elemente anpassen, um Fotodioden für die jeweilige Anwendung zu optimieren. Sie können die Empfindlichkeit priorisieren, wenn die Erkennung schwachen Lichts wichtig ist, und die Bandbreite für die Hochgeschwindigkeitskommunikation betonen.

Wie oben zu sehen ist, sind die verschiedenen Elemente in einer Fotodiode wie die Enden einer Waage – wenn man eine Seite anhebt, geht die andere nach unten. Der Schlüssel zum Design von Fotodioden liegt darin, diese Kompromisse zu berücksichtigen und die optimale Balance für die jeweilige Anwendung zu finden.

Die Dexerials Group entwickelt, produziert und vertreibt seit vielen Jahren Fotodioden für verschiedene Wellenlängen, darunter Ultraviolett, Infrarot und sichtbares Licht. Kontaktieren Sie uns jederzeit, damit wir mit unserer langjährigen Erfahrung die optimalen Fotodioden für Ihre Anforderungen auswählen können.
Einzelheiten zur Auswahl von Fotodioden finden Sie in diesem Artikel.