PHOTODETECTOR NOISE. Ref : Keiser

Transkripsi

1 PHOTODETECTOR NOISE Ref : Keser 1

2 Nose Detektor Foto S Daya snyal dr arus foto N Daya nose detektor foto + daya nose enguat Sumber nose d enerma menngkat dr nose detektor foto akbat dr sfat alam roses konvers hoton-elektron dan nose termal d srkt enguat. Utk mendaatkan S/N tngg : (a) Detektor foto harus memlk efsens kuantum yg tngg utk membangktkan snyal besar. (b) Nose detektor foto dan enguat harus sekecl mungkn. Senstvtas detektor foto : daya ots mnmal yg dt ddeteks.

3 Sumber Nose (a) Model sederhana enerma detektor foto. (b) Srkt ekvalen R s : tahanan ser kecl (R s << R L ) dlm raktek dabakan C d : kaastans total (juncton + wadah) R L : tahanan bas atau beban C a : kaastans nut enguat R a : tahanan nut enguat 3

4 Arus foto rmer dbangktkan : h ηq ( t) P( t) hf P(t) : Daya ots snyal bermodulas Arus foto rmer terdr dr arus dc I, arus foto rata berasal dr daya snyal dan komonen snyal (t). Utk doda n arus snyal mean square : s () t Utk doda avalanche arus snyal mean square : s t M () 4

5 Utk snyal nut bervaras snusoda dgn ndeks modulas m, komonen snyal : m I () t m : ndeks modulas Nose detektor foto tana nternal gan : (a) Quantum/shot nose sfat alam statstk (b) Durk current tdk ada cahaya datang (c) Surface leakage current kerusakan ermukaan 5

6 Arus nose kuantum mean square : Q qi BM F ( M ) B : Lebar ta F(M) : nose fgure F(M) M x, 0 x 1,0, tergantung bahan Detektor n M 1, F(M) 1 Arus bulk dark mean square : DB qi D BM F ( M ) ID : arus bulk dark detektor rmer (tana erkalan) 6

7 Surface leakage current (surface dark current) mean square: DS qi I L : arus bocor ermukaan Arus nose detektor foto total mean square : L B N N Q q + ( I + I ) BM F( M ) + qi B P DB D + DS L Utk enyederhanaan R a >> R L kontrbus tahanan beban detektor foto : T k B : kontanta Boltzman 4kBT R L B 7

8 Perbandngan arus dark doda foto S, Ge, GaAs dan InGaAs sbg fungs normalsas teg bas. 8

9 Perbandngan snyal thd nose S N q M ( I P + I D ) BM F( M ) + qi LB + 4kBTB / RL Pn nose termal domnan APD nose detektor domnan F(M) : fungs M, S : fungs M, nose kuantum dan arus dark : fungs MF(M) ada harga S/N otmum. M otmum : M x+ qi L + 4kBT / ot xq D ( I + I ) R L 9

10 Contoh Doda foto n GaAs memlk arameter d anj gel 1300 nm : I D 4 na, η 0,65, R L 1000 Ohm dan I L dabakan. Daya ots datang 300 nw, lebar ta enerma 0 MHz, T 300 o K. Htunglah : (a) Arus foto rmer (b) Nose d enerma. (c) S/N jka m 0,8 10

11 Waktu Reson Detektor Deleton layer hotocurrent Skema tegangan mundur doda foto n 11

12 Konds steady state raat arus total mengalr melalu lasan deles tegangan mundur : J J + tot J dr : raat arus drft dhaslkan oleh carrer yg dbangktkan dlm daerah deles J dff : raat arus dfus tmbul dr carrer yg dhaslkan dluar daerah deles dlm semkonduktor (daerah n dan ) dan berdfus kedalam juncton teg mundur. Raat arus drft : ( α w ) x J qφ 1 e A : luas doda foto dr φ 0 dr P I A J dff ( 1 R ) Ahf Φ 0 : hoton flux datang er satuan luas 0 f 0 1

13 Permukaan lasan doda foto n umumnya ts. Arus dfus akan dtentukan oleh dfus hole dr bulk daerah n. Dfus hole daat dhtung dr : D x n n τ n0 + G ( x) 0 G ( ) α xx x φ α e 0 s D : koefsen dfus P n : konsentras hole d bahan te-n t : excess hole lfe tme P n0 : raat hole konds sembang/equlbrum G(x) : laju embangktan elektron-hole 13

14 14 Shg raat arus dfus : n w s s dff L D q e L L q J s α α α φ Raat arus total mengalr melalu lasan deles tegangan mundur : n s w tot L D q L e q J s α φ α P n0 umumnya kecl shg arus foto yg dbangktkan total sebandng dgn hoton flux Φ 0

15 Waktu Reson Faktor waktu reson doda foto : Waktu transt carrer foto d daerah deles Waktu dfus carrer fotoyg dbangktkan dluar daerah deles Konstanta waktu RC doda foto dan srkt yg berkatan Parameter yg berengaruh thd faktor tsb : Koefsen absorbs α s Lebar daerah deles w Kaastans juncton dan doda foto Kaastans enguat Tahanan beban detektor Tahanan masukan enguat Tahanan ser enguat 15

16 Reson doda foto thd ulsa masukan ots 16

17 Waktu reson suatu doda foto yg tdak ddeles enuh 17

18 Reson ulsa doda foto dr berbaga arameter detektor 18

19 Varas faktor nose electron excess sbg fungs dr enguatan elektron utk berbaga harga erbandngan laju onsas efektf k eff 19

20 0 Pengaruh Suhu d Penguatan APD Mekansme enguatan APD sangat senstf thd suhu krn ketergantungan laju onsas elektron dan hole. Ketergantungan tsb sangat krts d teg bas tngg. ( ) ( ) ( ) ( ) [ ] ( ) ( ) ( ) [ ] / 1 1 T T b T n T n T T a T V T V R I V V V V M B B M M a n B + +

21 V B : Teg breakdown saat M menjad tak hngga n : tgt materal, nla,5 7 V a : teg bas mundur detektor I M : arus foto multled R M : tahanan ser foto doda dan beban detektor a, b : konstanta, ost utk RAPD dan dtentukan dr grafk ercobaan enguatan thd suhu. 1

22 Pengaruh suhu terhada enguatan APD slkon d 85 nm