Photodioden

ONT - Übung 4
Photodiode
Technische Universität Berlin
Fachgebiet Hochfrequenztechnik
Rechenübung zur Vorlesung
Einführung in die optische Nachrichtentechnik
Aufgaben zum Vorlesungskapitel
Photodioden
PH 1:
Quantenwirkungsgrad
Zur Detektion optischer Impulse bei einer Wellenlänge λ = 0.9 µm wird eine Si-Photodiode
verwendet. Die Dicke des Bahngebietes (p+ -Schicht) beträgt d = 1 µm. Aus dem Diagramm
auf Seite PH/2 entnimmt man für Silizium bei der Wellenlänge λ = 0.9 µm eine Absorptionskonstante 2α = 3 · 102 cm−1 . Reflexionsverluste an der Stirnfläche der Photodiode werden
vernachlässigt.
1. Berechnen Sie den maximalen Wirkungsgrad ηmax
2. Berechnen Sie für einen Wirkungsgrad η = 0.8 die Weite w der i-Zone
Lösung:
PH 2:
1.
η = 97%
2.
w = 58 µm
Dimensionierung eines Empfängereinganges
Eine Empfängerschaltung (Abb. 5 und Abb. 6, S. PH/4) mit einer PIN-Diode soll eine Grenzfrequenz fG = 1 GHz aufweisen. Der Diodenleitwert GD und der Bahnwiderstand RD der
Diode werden vernachlässigt. Die Sperrschichtkapazität CD beträgt 1 pF. Der Widerstand R1
der Schaltung wird so ausgelegt, dass durch ihn ein Gleichstrom von 1 µA bei einer maximalen
Spannung von 0.1 V am Verstärkereingang fließt.
• Berechnen Sie unter den angegebenen Forderungen die Größe des Eingangswiderstandes RE des Verstärkers.
Lösung:
PH 3:
RE ≈ 159 Ω
Grenzfrequenzen
Die Grenzfrequenz einer Empfängerschaltung mit PIN-Diode ist durch die Elemente der Ersatzschaltung und die Driftzeit der Ladungsträger in der i-Zone der PIN-Diode festgelegt. Betrachtet
werde eine kreisförmige Photodiode. Gegeben sind folgende Größen:
Durchmesser: dF = 200 µm
Relative Dielektrizitätszahl der i-Zone: εr = 11.8
vn = 100 µm/ns
RD + R = 100 Ω
Dielektrizitätskonstante: ε0 = 8.854 · 10−12 F/m
1. Für welche Weite w der i-Zone wird die Grenzfrequenz der Empfängerschaltung maximal?
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Photodiode
2. Berechnen Sie die maximale Grenzfrequenz fgmax der Empfängerschaltung.
Lösung:
1.
w = 9.5 µm
2.
fgmax = 2.96 GHz
Hausaufgabe
HA PH 1: Es soll eine Photodiode dimensioniert werden, die bei einer Wellenlänge von λ =
1.55µm arbeitet. Die Photodiode soll bei einer optischen Eingangsleistung von P0 = 1mW
einen Photostrom von Iph = 100µA erzeugen. Die Photodiode besitzt folgende Daten:
Durchmesser: dF = 100 µm
Relative Dielektrizitätszahl der i-Zone: εr = 12.9
vn = 100 µm/ns
Relative Dielektrizitätszahl der n-Zone: εr = 12.8
RD = 30 Ω
Dielektrizitätskonstante: ε0 = 8.854 · 10−12 F/m
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Absorptionskonstante 2α = 1 · 104 cm
• Wie groß ist der Quantenwirkungsgrad η?
• Wie lang muss die Weite w der i-Zone sein, damit der Quantenwirkungsgrad erreicht
wird? Berechnen Sie dabei die Weite w wenn:
1. die Reflexion an der Stirnfläche vernachlässigt wird.
2. die Reflexion an der Stirnfläche nicht vernachlässigt wird. Gehen Sie dabei davon
aus das der Einfallswinkel θ = 0◦ ist.
Nun soll die Empfangsschaltung in Abbildung (1) so dimensioniert werden, das die Grenzfrequenz fg = 1GHz beträgt. Gehen Sie dabei wie folgt vor:
1. Leiten Sie die Übertragungsfunktion der Photodiode mit Verstärker her.
2. Optimieren Sie die i-Weite so, das fg maximal wird.
3. Passen Sie den Widerstand Rf so an, das fg = 1GHz beträgt.
Abbildung 1: Empfangsschaltung für PIN Diode
Gehen Sie davon aus, das wir einen Hochohmigen OPV benutzen der eine Verstärkung von
G = 10 hat.
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