Fisica 3 - Fotorivelatori

P

opt

dobbiamo calcolare che rappresenta il numero di fotoni che raggiungono la superficie

υ

h

nell’unità di tempo.

In condizioni stazionarie, il rate di generazione di coppie deve essere uguale al rate di

n

≡

ricombinazione. Il rate di generazione di portatori per unità di volume lo indichiamo con G τ

dove n è il numero di portatori generati e τ è il tempo di vita dei portatori.

Dobbiamo avere

P

η opt

υ

h

= dove η è l’efficienza quantistica e rappresenta il rapporto fra il numero di coppie

G WLD

elettrone lacuna generate per unità di tempo diviso il numero di fotoni che incidono per unità di

tempo.

Se η=1 allora per ogni elettrone che arriva si genera una coppia elettrone-lacuna.

P

opt

υ

h

=

In condizione ideali, in cui un fotone genera una coppia avremo G WLD

Possiamo calcolare n, ricordando che

P

η opt

υ

h

τ τ

= =

n G WLD

Definiamo corrente di fotoconduzione (o fotocorrente o di polarizzazione) la quantità

’

I =JA =JWD dove J è la densità di corrente e A’ è la sezione. Poiché J=σE= avremo

qµ nE

p n

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Anno Accademico 2002/2003 Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni

Corso di Fisica III P

η opt

υ

h τ dove la quantità rappresenta la velocità di drift e la

I =JWD= qµ nEWD=qµ E WD µ E=v

p n n n d

WLD

L

=

t

quantità rappresenta il tempo di transito nel materiale, ovvero il tempo di percorrenza del

tr v d P P

opt opt

τ υ

υ

h h

η

η

= =

I q q I

tratto di lunghezza L. Avremo quindi , dove la quantità rappresenta

ph

WLD t WLD

p tr τ

=

I I

la corrente di fotoconduzione primaria. Perciò avremo .

ph t

p tr τ

I p

= =

g

Si definisce amplificazione di corrente (o photo current gain) la quantità e ha un

I t

ph tr

6 .

range enorme di variabilità, infatti 1<g<10

Nei semiconduttori tradizionali g può essere molto elevato. τ è tanto maggiore, quanto minori sono

le impurità nel cristallo. Per materiali semiconduttori policristallini τ è piccolo, poiché v τ<L. Nei

d

materiali policristallini è limitato da difetti che possono essere interni ai policristalli (difetti intra-

grano) o fra due microcristalli (difetti di bordo-grano). Per ridurre l’influenza dei difetti di bordo

grano conviene avvicinare gli elettrodi in modo che due elettrodi di segno opposto stiano all’interno

del singolo grano. Si usano i cosiddetti contatti interdigitati, che sono di grande utilizzo nel campo

della radiazione UV o dei raggi X. Con questi contatti si generano campi elevatissimi, perciò

elevata v e ridotto t , quindi si ha guadagno più elevato. Variando il potenziale tra i due contatti

d tr

metallici si può variare l’intensità del fascio, quindi modularla ed usarla in sistemi di trasmissione.

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Fotodiodi

Un fotodiodo è una giunzione pn polarizzata inversamente. Quando un fotone arriva sul

semiconduttore, in prossimità della zona di svuotamento, si genera una separazione delle coppie

elettrone-lacuna e si ha così una fotocorrente. Per il funzionamento del fotodiodo ad alte frequenze

sono necessari tempi di transito t brevi e ciò richiede dimensioni piccole della regione di

tr

svuotamento. Per avere alta efficienza quantistica η (per essere molto sensibile), il dispositivo

dovrebbe avere grandi dimensioni della regione di svuotamento. Perciò si deve trovare il giusto

compromesso fra alta velocità di risposta e alta efficienza quantistica. Si definisce ancora

 

υ P

I h

  η

η opt

=

≡ I q

, che si ricava da . η dipende fortemente dalla frequenza e quindi dalla

  υ

h

q P

 

opt

lunghezza d’onda della radiazione utilizzata; infatti uno dei fattori chiave che determina l’efficienza

quantistica è il coefficiente di assorbimento α della sostanza. Se la radiazione non è assorbita

abbiamo bassa η. La profondità di penetrazione è inversamente proporzionale alla lunghezza

d’onda. Il silicio è trasparente all’infrarosso, ma è opaco al visibile. Possiamo definire una

lunghezza d’onda di taglio λ tale che per ogni λ >λ avremo α che tende a 0.

T T

Oltre a η, consideriamo anche un altro fattore di merito, che è chiamato responsività o sensibilità

η I

q p

ℜ = = ℜ

del dispositivo e si indica come . Dalla definizione di η abbiamo che , quindi

υ

h P

opt

q

η

ℜ = .

υ

h

Abbiamo fotodiodi di tipo:

p-i-n, in cui lo spessore della regione di svuotamento può essere progettato in modo da

ottimizzare l’efficienza quantistica e la risposta in frequenza e viene usato per la rilevazione

delle microonde. L’assorbimento di luce nel semiconduttore produce la generazione di

coppie elettrone - lacuna. Le coppie generate nella regione di svuotamento o nelle sue

vicinanze vengono separate dal campo elettrico e trascinate lungo la regione di svuotamento,

dando origine a una corrente che fluisce nel circuito.

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Metallo-semiconduttore, si genera una giunzione tra il metallo e la regione drogata e sono

particolarmente adatti per applicazioni dell’ultravioletto e della luce visibile. Allo scopo di

evitare grosse perdite per assorbimento e riflessione, il contatto metallico attraverso il quale

viene illuminato il diodo deve essere molto sottile e deve essere impiegato un rivestimento

antiriflesso ed è possibile scegliere un metallo o uno strato antiriflesso tali che una gran

parte della radiazione incidente venga assorbita presso la superficie del semiconduttore.

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