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INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS DE COMUNICAÇÕES ÓPTICAS –  DEE/UFSCar –  2° Sem/2013 1

Abstract  —   Este documento visa explicar, em linhas gerais, ofuncionamento de um fotodetector quanto a sua estrutura, tiposPIN e APD, citar suas principais características, parâmetros,limitações, vantagens e desvantagens e algumas aplicações com osdispositivos

I ndex Terms  — APD, Avalanche, Comunicação, Diodo, Fibra,Fotodetector, Fotodiodo, Luz, Sensor, Óptica, pn, PIN,Semicondutor

I.  INTRODUÇÃO 

OTODETECTORES são dispositivos que, ao seremincididos por radiação óptica, geram um sinal elétrico. São

comumente utilizados na indústrias como sensores detamanho, checagem de conteúdo em embalagens, leitura decódigos, detecção de imperfeições em superfícies, e tambémem eletrônicos como leitor de CD, sensor crepuscular,acopladores ópticos, entre outros.Como são inúmeros os campos de aplicação destesdispositivos, é importante que satisfaçam algumas

características para determinado uso. Algumas destascaracterísticas são:  Responsividade (alta resposta ou sensibilidade para o

comprimento de onda trabalhado)  Baixo ruído  Resposta rápida  Largura de banda suficiente para atender a taxa de

comunicação desejada  Baixa sensibilidade ao calor  Dimensões compatíveis

Em aplicações com fibras ópticas, os fotodetectores usadossão geralmente fotodiodos, por apresentarem dimensõesreduzidas, alta sensibilidade e rápida resposta. Dentre osfotodiodos, há dois tipos que serão abordados nestedocumento: PIN ( positive-intrinsic-negative) e APD(avalanche photodiode).

Documento enviado para avaliação em 20-dez-2013Helder E. Oshiro, Aluno de Graduação, Departamento de Engenharia

Elétrica. Universidade Federal de São Carlos (e-mail:helderoshiro@hotmail.com).

II.  PRINCÍPIOS 

R ESPONSIVIDADE E EFICIÊNCIA QUÂNTICA 

Em um condutor reversamente polarizado, a luz incide passando por um revestimento de vidro anti-refletor. Quando aenergia dos fótons incidentes excedem a banda proibida deenergia do material, então os elétrons podem passar da bandade valência para a banda de condução. Com a tensão aplicadano diodo, o campo elétrico pode acelerar estes elétronsresultando na condução de corrente elétrica, chamadafotocorrente  I  p. Esta corrente é diretamente proporcional à

 potência óptica incidente.

 ,

Onde R é a responsividade do fotodetector.

Figura 1 Semicondutor sendo incidida por luz. Retirada de [1]

A responsividade pode ser expressa também comoeficiência quântica η, pela relação 

 

A relação entre responsividade e eficiência quântica é dada por③ 

 

Onde:h= constante de Planck =frequência de radiação

Helder E. Oshiro, Aluno de Graduação, Departamento de Engenharia Elétrica. Universidade Federal

de São Carlos.

Fotodetectores PIN e APD: características eaplicação 

F

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q=carga elementarPela relação  λ=c/ν, temos que

④ 

 

Logo, a responsividade do fotodetector aumenta com oaumento do comprimento de onda.

TEMPO DE R ESPOSTA E LARGURA DE BANDA 

O tempo de resposta de um fotodetector depende principalmente de 3 fatores:

  Tempo de transito dos portadores excitados pela luzna região de depleção

  O tempo de difusão dos portadores gerados fora daregião de depleção

  A constante de tempo RC do fotodiodo e circuitoassociado

Estes fatores são influenciados principalmente pelosseguintes parâmetros: coeficiente de absorção α, a largura w

da região de depleção, capacitância do diodo, do amplificador,resistências intrínsecas do diodo e resistência de entrada doamplificador.

Figura 2 Tempo de resposta. Retirada de [2]

III.  FOTODIODO 

FOTODIODO COMUM 

A figura abaixo mostra um fotodiodo p-n comum.

Figura 3 Fotodiodo pn. Retirada de [1]

A figura mostra a luz incidindo sobre o material tipo  p  dodiodo. A energia dos fótons que atingem esta região faz comque alguns elétrons passem da banda de valência paracondução. Pelo diodo estar reversamente polarizado, o campoelétrico faz com que os elétrons livres sejam atraídos pelaregião n e as lacunas para região p.

Assim, decorre que a corrente resultante é proporcional à potência óptica incidida.

A largura de banda é, às vezes, limitada pelo tempo detransição.⑤ 

⁄  

Onde:W = largura da região de depleção=velocidade de deriva

A velocidade de deriva depende da tensão de polarizaçãoreversa aplicada no diodo, atingindo um limite na casa de105m/s, chamada velocidade de saturação, que varia dematerial para material.

Os elétrons gerados na região  p  e as lacunas na região n 

tendem a se difundir na região de depleção para atingir asregiões n  e  p, respectivamente. Porém, como eles foramgerados fora da região de depleção, gastam um tempo maioraté atingirem o outro lado do diodo. Este tempo de difusão

 pode interferir no tempo de resposta do fotodetector.

Figura 4 Resposta a um pulso óptico. Retirada de [1]

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FOTODETECTOR PIN

Para amenizar o problema da difusão do fotodiodo  pn comum, o fotodiodo PIN conta com uma maior região dedepleção através da inserção de uma camada intrínseca entreas regiões p e n. 

Figura 5 Estrutura e distribuição do campo elétrico em um fotodiodo pin. Retirada de [1]

A largura w deve ter um comprimento que proporcione umequilíbrio entre responsividade e tempo de resposta, uma vezque, quanto maior a distância a ser percorrida pelos

 portadores, maior será este tempo.A principal diferença entre o fotodiodo  p-n  e o fotodiodo

PIN é que o tempo de deriva da fotocorrente é mais alto que otempo de difusão devido à maior incidência de fótons naregião intrínseca.

FOTODETECTORES APD

 Nos fotodetectores PIN, a responsividade é  R limitada paraη=1. Nos fotodetectores de avalanche,  R pode atingir valoresmuito mais altos através do ganho de corrente pela ionização

 por impacto.A ionização por impacto  ocorre quando um elétron

acelerado adquire energia cinética suficiente para leva outroselétrons da banda de valência para banda de condução,gerando outros pares elétrons-lacunas.

Figura 6 Estrutura e distribuição do campo elétrico em um fotodiodoAPD. Retirada de [1] 

A estrutura de um APD contém uma camada tipo  p a mais

que o PIN. Nesta camada há uma forte concentração do campoelétrico quando reversamente polarizado. Na camadaintrínseca ainda ocorre a maior absorção dos fótons, gerandoelétrons livres que serão acelerados pelo campo elétrico e, naregião de ganho, adquirirá mais energia cinética e gerará pareselétron-lacuna.

A ionização, especialmente em altas tensões de polarização,é muito sensível à variação de temperaura. Isso faz com que oganho de corrente no fotodiodo APD seja muito variável emrelação à temperatura. Pode-se perceber está dependênciaobservando-se o gráfico abaixo.

Figura 7 Influência da temperatura e tensão no ganho de corrente deum APD. Retirada de [2]

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IV.  COMPARAÇÃO PIN VS APD

Fotodetectores APD possuem responsividade mais alta. Porisso, é usado em aplicações onde a potência da luz na fibra é

 baixa.O APD possui maior sensibilidade à temperatura, maior

ruído e requer maior tensão de polarização para garantir amultiplicação em avalanche.

Algumas características comparativas podem ser melhor

visualizadas na tabela abaixo.

Tabela 1 Comparação PIN vs. APD. Retirada de [4]

V.  CONSIDERAÇÕES FINAIS 

Foram apresentados os tipos e estruturas básicas defotodiodos.

Com a compreensão de alguns parâmetros e termos comoresponsividade, tempo de resposta e largura de banda,acredita-se que, mesmo não abrangendo todos os tipos defotodetectores, uma base teórica para a escolha defotodetectores para uma dada aplicação foi construída.

R EFERÊNCIAS 

[1]  G. P. Agrawal, “Fiber -Optic Communication Systems”, 3a ed.,John Wiley, 2002.

[2]  Gerd Keiser, "Optical Fiber Communications" (2nd edition),McGraw-Hill, 1991

[3]  PIRES, José, capítulo 4 “Fotodetectores” em “Sistemas deComunicação Óptica”, IST UTL. Disponível emhttps://dspace.ist.utl.pt/bitstream/2295/81427/1/SCO_Cap4_03.pdf

[4]  JESUS, Abel Ribeiro; SALVI, Emille Jeane Novais Ribeiro;

CERQUEIRA, Filipe Cardoso, COSTA, Gabriel Ramalho;MARQUES, Nikolas da Silva. Dossiê técnico  –   fabricação defibras ópticas, SBRT. Disponível em http://sbrt.ibict.br/dossie-tecnico/downloadsDT/Mjc2NzU=

[5]  PINTO, Filipe Correia; RIBEIRO, Henrique Varella,“Fotodetectores”, USP. Disponível emhttp://www.demar.eel.usp.br/eletronica/2009/Fotodetetores.pdf

[6]  GEIRINHAS, Pedro Miguel; FREIRE, Mário Marques; CASTA,Henriqu Matos; SILVA, Henrique José, “Avaliação DoDesempenho De Fotodíodos Pin E Apd Em Sistemas DeComunicação Ópticos Com Detecção Directa” 

[7]  YOUNG, Paul H., “Técnicas de Comunicações Eletrônicas”, 5ªEd., Pearson, 2005