Aula 6 - Fotodetetores

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Princípios da Fotodeteção.
Sistemas convencionais de recepção óptica são baseados na detecção direta da potência luminosa.
Principais componentesdesse processo: 
Fotodetectores: realizam a conversão opto-eletrônica.
Interface eletrônica.
Símbolo dos fotodetectores:
Detetores de Luz ou Detetores Ópticos
São utilizados na extremidade da fibra conectada ao receptor.
Convertem os sinais luminosos em corrente elétrica.
A corrente é amplificada e submetida a um dispositivo comparador que identificará a presença ou ausência de níveis de corrente (bits 0 ou 1).
Os fotodetectores devem ter sensibilidade adequada porque irãolidar com reduzidos níveis de sinal luminoso.
O detetor normalmente recupera sinais de potência bastante baixa, da ordem de nW.
Sensibilidade do receptor: é a potência óptica mínimanecessária para a obtenção de um valor de BER especificado, normalmente 10-12.
Assim, a característica sensibilidade passa a ter um papel fundamental para garantir um mínimo de distorção e ruído.
A sensibilidadeé a capacidade de converter o sinal óptico em corrente elétrica.
Depois de convertido em sinal elétrico, outros circuitos eletrônicos amplificam e recuperam o sinal original.
Alguns fotodetetores já vêm de fábrica com amplificadores encapsulados no mesmo chip, com o objetivo de acelerar a recuperação do sinal e a redução dos ruídos.
O sinal elétrico obtido deve ter um mínimode distorção e ruído.
Detetores de luz operam em uma grande faixa de comprimentos de onda.
Velocidades de transmissãodevem ser compatíveis com as das fontes de luz: LEDs e LASERs.
Para que um fotodetector converta sem erros o sinal desejado, o sinal mais fraco recebido deve ser superior ao nível de ruído do detetor.
Sensibilidade dos fotodiodos
Sensibilidade de receptores ópticos operando na janela de 1550 nm, com uma BER de 10-12.
A sobrecarga representa o máximo valor de potência óptica de entrada.
Gama dinâmica e a diferença entre a sobrecarga e a sensibilidade.
Resposta espectral do fotodiodo PIN de Silício FDS100
Principais características dos fotodetectores:
Boa sensibilidade: característica essencial para enlaces longos;
Ruído interno baixo: para obter uma baixa taxa de erro de transmissão;
Pequeno tempo de resposta para que a velocidade de transmissão seja elevada.
Se o sinal transmitido é analógico, há necessidade de uma boa linearidade.
O desempenho de um fotodetector depende:
Da menor potência detectável;
Da resposta dinâmica;
Da geração de ruído.
Potência mínima de recepção:
 
 Sensibilidade So [dBm]
 Potência máxima recepção:
 Saturação SM [dBm]
 Faixa dinâmica:
RD = (SM - So) [dB] 
Principal mecanismo de conversão da luz em corrente elétrica pelo material condutor:
Absorção de fótons.
Energia dos fótons é utilizada para levar um elétron da banda de valência para a banda de condução.
Absorção gera portadora de carga.
Portadores de carga submetidos a um campo elétrico se tornam corrente elétrica.
Geração de par elétron-lacuna
pela absorção de um fóton
No processo de fotodetecção os fótons absorvidos pelo material semicondutor fazem com que elétrons se desloquem da banda de valência para a de condução desde que o comprimento de onda seja inferior a um valor crítico.
O comprimento de onda dos fótons dependedadiferença entre os níveis de energia da banda passante e da banda de valência.
A equação a seguir representa o valor de λ:
Onde:
Eg é a energia da banda proibida, medida em eV;
1eV corresponde a 1,602x10-19 J;
h é a constante de Planck 6,63x10-34J.s
c é a velocidade da luz 3x108 m/s.
No caso em que Eg = 1 eV:
Outros exemplos:
Seja o diodo de Gálio, em que Eg= 1,43 eV.
O valor do comprimento de onda λ 0,87μm.
No caso do diodo Fosfato de Índio, em que Eg = 1,35 eV, λ 0,92 μm.
Valores críticos de λ para alguns materiais:
A Junção PN.
Quando a polarização da junção é direta, as correntes de portadores majoritários são criadas nos dois lados da junção.
Com isso, surge uma alta concentração de lacunas e elétrons na região de depleção.
Essa concentração causa um grande numero de recombinações.
Em alguns tipos de semicondutores há geração de luz (foto geração).
Quando a polarização da junção PN é reversa, não ha injeção de portadores de um lado para o outro do semicondutor.
A corrente elétrica fica limitada à geração de novos portadores na região central. 
Em alguns semicondutores esses portadores são criados pela absorção de fótons. 
Esse fenômeno é utilizado nos fotodetectores.
Os Fotodetectores.
Atuam a partir da incidência de luz na região de depleção.
Incidência de luz produz correntes de portadores minoritários se uma polarização reversa for aplicada à junção PN.
Todos os fotodetectores tem que estar polarizados de forma reversa para converter luz em corrente elétrica.
Existem dois tipos de detetores de luz com tecnologia de semicondutores: 
Fotodiodos (mais utilizados atualmente) e
Fototransistores.
Tipos mais utilizados de fotodiodos em comunicações ópticas:
Fotodetector PIN (Positive-Intrinsic-Negative).
Fotodetector APD (Avalanche Phodiode).
Fotodiodo PIN
A conversão da energia luminosa em corrente elétrica ocorre quando o dispositivo é “iluminado” em sua região ativa.
A região de iluminação é a zona de material intrínseco, ou camada I.
Semicondutor intrínseco: quando o material se encontra puro.
Constituído de três camadas semicondutoras, conforme mostra a figura a seguir:
Camada P;
Camada I ou (intrínseca) e
Camada N.
Esquema simplificado de um fotodiodo PIN
A camada intrínseca aumenta a região de depleção e diminui a capacitância parasita do diodo.
A camada I é mais larga que as camadas P e N.
Estrutura do diodo PIN
Tamanho da camada I deve atender os seguintes compromissos:
Diminuir a capacitância parasita;
Aumentar a região de depleção e 
Manter o tempo de resposta do diodo em níveis baixos.
Fotodiodos PIN operam:
Com tensões reversas próximas a 10 V.
Nos sistemas das janelas de 850 e 1310 nm, independentemente do tipo de fibra.
Elevado rendimento de conversão e boa resposta dinâmica de um fotodetector ocorre quando os fótons são absorvidos, tanto quanto possível, na região de depleção. 
Características e aplicações do fotodetetor PIN:
Vantagens:
Mais robusto que os detectores APDs;
Tecnologia e aplicação menos dispendiosa;
Uso de menos material semicondutor;
Maior vida útil que os demais detectores;
São rápidos;
Possuem um tempo de subida entre 1 a 10 ns.
Desvantagens:
Capacidade de detecção de sinais de baixa potência inferior aos detetores APD;
Tempo de resposta inferior aos demais detectores;
Relação sinal/ruído não é favorável a esse tipo de detetor.
Fotodiodos
Eficiência dos fotodiodos PIN:
Região intrínseca I do PIN é larga e há boa probabilidade dos fótons incidentes serem absorvidos nela e não nas camadas P e N.
Esse fato melhora a eficiência e a velocidade do dispositivo.
A eficiência dos PINs pode ser medida pela expressão:
Em que: 
Rpin é definida como Responsividade.
Ig é a fotocorrente gerada pelo dispositivo.
Po é a potência óptica.
Uma outra forma de expressarmos a Responsividade é apresentada a seguir:
Em que é a eficiência quântica de pico e depende do material, conforme mostra a tabela a seguir.
	Material
	λ (µm)
	Características
	λ de pico da resposta (µm)
	Rpin de pico [A/W]
	Si
	0,3 a 1,1
	λcorte = 
1,06 (µm)
	0,80
	0,5
	Ge
	0,5 a 1,8
	Introduzem mais ruído, mas atuam nas 2a e 3a janelas de TX
	1,55
	0,7
	InGaAs
	1,0 a 1,7
	
	1,70
	1,1
Características dos materiais mais utilizados na fabricação de fotodiodos PIN
Adaptado do livro de José R. Amazonas
Responsividade Relativa do InGaAs
Pode ser observado que Rpin teórica é diretamente proporcional a λ e, portanto, esse comportamento é válido até λc. A partir daí, Rpin é nula.
Adaptado do livro de José R. Amazonas
Responsividade Relativa do Si
Exemplo 1: Para uma eficiência quântica de 0,8, do silício,calcular a Responsividade.
Solução
Para o Silício, λ de pico = 0,8 (µm). 
Isso significa que ~80% dos fótons produzem pares elétrons-lacunas que contribuem para a fotocorrente.
Para o cálculo da Responsividade, utiliza-se a equação:
Exemplo 2: Determinar a potência luminosa necessária para produzir uma corrente de 10 μA no diodo PIN de InGaAs, considerando o comprimento de onda λ = 1,3 µm.
Solução
Considerando-se que, para esse diodo PIN, Rpin = 0,84, encontramos a potência: 
Circuito Detetor com PIN
O circuito a seguir mostra o fotodiodo polarizado reversamente.
Adaptação do livro de José R. Amazonas 
Nesta situação, diz-se que o dispositivo opera no modo fotocondutivo.
Nessa condição a corrente de saída é diretamente proporcional à potência óptica.
Quando nenhuma polarização aplicada é ao dispositivo, a potência óptica incidente produz uma tensão direta.
Nesse caso, dizemos que o modo de funcionamento é o fotovoltaico.
Quando não há incidência de luz no dispositivo, ainda assim flui uma corrente denominada de corrente de escuro.
Essa corrente é originada por meio de geração térmica de portadores de carga livres no dispositivo.
Sendo dependente da temperatura, a corrente de escuro dobra a cada 10o Celsius.
Em geral:
Iescuro Si < Iescuro InGaAs < Iescuro Ge
Para voltagens bastante negativas, é produzido o valor máximo de corrente, denominado de corrente reversa de saturação.
Curva VxI de um Fotodiodo de Junção Escura
Curva VxI de um Fotodiodo Junção Iluminada
A figura a seguir mostra as curvas características V x I de um fotodiodo de Si.
V x I Fotodetetor PIN de Si
Exemplo: Considerando o circuito anterior, determinar sua característica de transferência.
Solução
Observando o circuito anterior e aplicando a Lei de Kirchoff, encontramos:
VB + Id RL + Vd = 0 
A figura a seguir mostra as curvas I x V de um fotodiodo PIN.
Função de Transferência de um receptor PIN
Na figura anterior, construímos a reta de carga da seguinte maneira:
Para Id = 0, VB = - Vd.
Para Vd = 0, Id = - VB/RL.
Considerando-se uma fonte de tensão igual a 20 V e um resistor de carga RL = 1 M Ω, construir a característica de transferência do circuito anterior. 
	Potência óptica (mW)
	Tensão Vd 
(V)
	Tensão de saída (V)
	0
	-20
	0
Circuito Receptor Óptico
Além do fotodiodo, os receptores ópticos utilizam um pré-amplificador para aumentar o ganho de corrente para o próximo estágio, devido aos baixos níveis de potência e corrente (operam na ordem de W e A).
Tipos de amplificadores:
 
Alta-impedância: alta sensibilidade e pequena faixa dinâmica.
Baixa-impedância: baixa sensibilidade e grande faixa dinâmica.
Trans-impedância: elevada sensibilidade e grande faixa dinâmica. 
O circuito a seguir apresenta um fotodiodo conectado à entrada inversora de um amplificador operacional.
Circuito Receptor Óptico Básico 
Adaptado do livro de Paul Young
Configuração básica de um receptor óptico 
Adaptado do livro de Paul Young
Este circuito é um amplificador de transimpedância é um amplificador de retroalimentação negativa.
Não pode deixar de ser considerado que o fotodiodo deve ser polarizado reversamente.
A resistência Rf é a resistência de retroalimentação.
A retroalimentação e o ganho elevado produzem um terra virtual na entrada do amplificador operacional.
O ganho deste circuito possui valores em torno de 104 ou 105.
Dessa forma, em uma situação ideal, o sinal na entrada inversora também aparece na saída não inversora.
No circuito de entrada há uma capacitância parasita C que constitui o circuito equivalente de entrada, com uma fonte de corrente.
Circuito equivalente de um fotodiodo PIN
Ou
Amplificadores operacionais possuem impedância de entrada muito baixa.
A corrente na malha de realimentação do circuito a seguir é obtida a partir da seguinte expressão:
A Função de Transferência desse tipo de circuito é obtida a partir da seguinte expressão:
 
Em que:
A configuração anterior permite alterar o ganho facilmente, modificando o valor da resistência Rf.
Vamos considerar a corrente de entrada em um circuito optoeletrônico, com o formato de um degrau, conforme apresentado a seguir:
O tempo que a tensão de saída leva para atingir 90 % de seu valor final 
é obtido pela expressão a seguir:
Vamos supor que o tempo de subida ocorra até a metade da duração T0 do bit recebido.
Substituindo esta condição na expressão de tD, teremos:
Sabemos, ainda que a máxima taxa de transmissão digital que satisfaz esta condição é obtida pela seguinte expressão:
Exemplo: Considerando o circuito equivalente da figura anterior, determinar o tempo necessário para que a tensão de saída atinja 90 % de seu valor final. O valor de R é igual a 500 k e o de C = 3 pF.
td = 3,45 10-6 s
A expressão anterior permite o cálculo da taxa de transmissão obtida nessas condições:
fb máx = 145 kbit/s
Para ampliar a taxa de transmissão, o que deve ser feito?
A solução é diminuir td.
Exemplo. Determinar o valor de R para que o circuito possa receber um sinal de 500 Mbits/s. Determinar, ainda a nova tensão de saída.
Circuito receptor utilizando um fotodiodo
Adaptado de Frenzel
A figura anterior mostra um circuito receptor muito utilizado na prática.
A corrente produzida pela incidência da luz no fotodiodo, é amplificada pelo amplificador operacional.
Um comparador construído com amplificador operacional é utilizado a seguir, para garantir a conformação do pulso e suas transições rápidas.
A porta lógica a seguir garante a voltagem correta do sinal binário na saída.
Receptor para Fibras Ópticas para dados digitais
Fotodetectores de avalanche – APD (avalanche photodiode)
Inclui uma região de campo elétrico elevado que acelera os fotoportadores até uma velocidade suficiente para que as colisões com os átomos produzam novos portadores. 
O APD multiplica, ou amplifica internamente, a corrente fotodetetada primária.
O APD é um fotodetetor que apresenta ganho de corrente interno. 
Esta característica produz uma maior Responsividade do que os demais fotodiodos.
O APD trabalha com uma tensão de polarização inversa muito alta, quase sempre próxima ao valor da tensão de ruptura do diodo. 
Princípio de funcionamento dos APD’s:
Processo de multiplicação da corrente de avalanche:
Um fóton é absorvido por um átomo de baixa energia da região I do diodo, criando um elétron livre e sua lacuna correspondente.
O campo elétrico acelera o elétron fazendo-o adquirir elevado valor de energia cinética.
O elétron, em alta velocidade, colide com um átomo de baixa energia, podendo criar um novo par de elétron-lacuna. 
Para que isso ocorra, o elétron fornece parte da sua energia para um dos elétrons de valência tornando-o um elétron livre.
O campo elétrico acelera cada novo elétron livre que, dessa forma, adquire energia cinética.
Os novos elétrons livres colidem com outros átomos, produzindo mais pares elétrons-lacunas.
Esse processo se repete, produzindo um considerável aumento na quantidade de portadores.
Percebe-se que o efeito relatado foi desencadeado a partir da ação de um único fóton que foi capaz de deslocar uma grande quantidade de elétrons para a banda de condução.
Este fenômeno é similar à avalanche que ocorre com a neve na encosta de uma montanha.
O deslizamento da neve desloca novas quantidades de neve até atingir o solo, onde o volume é muito superior ao do início do processo.
A maioria dos sistemas de transmissão a longas distâncias e com elevada velocidade de transmissão, operando na gama dos 1.3 a 1.5 μm, utiliza APD de InP/InGaAsP/InGaAs na secção frontal do receptor. 
Estrutura dos APDs consiste de uma região de multiplicação de InP e uma região de absorção separada por uma ou mais regiões de InGaAsP para diminuir a acumulação de cargas na heterojunção.
Os fotodetectores APD combinam a detecção de sinais ópticos com a amplificação (ganho) interna da fotocorrente.
Elétrons e lacunas produzidos são aceleradospelo campo elétrico existente na região de depleção e colidem com a estrutura cristalina, liberando outros elétrons.
Para que o fotodetector opere no modo avalanche, a tensão aplicada deve estar próxima da tensão de ruptura.
Principal vantagem dos APDs: 
Elevada relação sinal-ruído, especialmente em altas taxas de bits.
Características dos APDs:
Pequena taxa de fótons.
Alta velocidade de resposta.
Alta sensibilidade.
Ganho de um fotodiodo avalanche
Ganho de um fotodiodo de avalanche em relação ao fotodiodo convencional
Considerando-se a mesma intensidade de luz incidente em um diodo de avalanche e um diodo convencional, a corrente produzida em um APD é M vezes maior.
Expressão do ganho:
VD é a tensão reversa de polarização do diodo.
vT é a tensão interna que depende da temperatura do diodo.
VBR é a tensão de ruptura do diodo cujos valores variam de 20 a 500 volts.
n é o fator de perfeição da junção e varia entre 1 e 2.
Exemplo: Um foto diodo de avalanche, cuja tensão de ruptura é 150 volt, possui um fator de perfeição da junção igual a 1,5. Os valores de vT para a temperatura ambiente de 20° C, são iguais a 1,5 V e para 50° C é 3 V. Determinar o valor do ganho de corrente para a tensão inversa de 148 volt nas seguintes situações:
a) Temperatura ambiente de 20° C.
b) Temperatura ambiente de 50° C.
Solução
Para T = 20° C, o ganho será:
Para T = 20° C, o ganho será:
Percebe-se que quando a temperatura ambiente sobe, o ganho decresce.
PIN x APD
	CARACTERÍSTICAS 
	PIN 
	APD
	Sensibilidade
	Menor
	Muito Maior
	Linearidade
	Maior (amplamente utilizados em sistemas analógicos)
	Menor
	Relação sinal/ruído
	Pior
	Melhor
	Custo
	Baixo
	Alto (fabricação mais complexa)
	Ruído
	
	Melhor relação sinal/ruído, embora possua uma fonte de ruído a mais.
	Vida útil
	Maior (apresentam tempo de vida ligeiramente superior)
	Menor
	Tempo de resposta
	Maior
	Menor
	Variação das características com a temperatura
	Menor
	Maior (mais sensíveis às variações de temperatura ambiente)
	Circuitos de polarização
	Simples,necessitam de tensões menores; utilizam estágio amplificador devido ao baixo nível de sinal de saída.
	Complexo
	Velocidade de Modulação
	
	Velocidades de resposta menores, dificultando uso em sistemas com taxas de modulação elevadas.
	Características
	Germânio
	Silício
	λ de máxima sensibilidade
	1500 A
	900 A
	Sensibilidade
	25 a 100 mA/lm
	30 a 150 mA/lm
	Tempo de resposta
	2 a 6 µs
	0,2 a 1 µs
	Corrente inversa máxima
	1 a 3 mA
	3 a 18 mA
	Potência dissipada
	30 a 50 mW
	0,1 a 2 W
	Corrente de escuro
	0,1 a 1 µA
	15 a 50 µA