funzione: trasformare un segnale ottico in un segnale elettrico;

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1 Foorivelaori (a semiconduore) funzione: rasformare un segnale oico in un segnale elerico; ipi: fooconduori; foodiodi (pn, pin, a valanga...) caraerisiche: modo di funzionameno; larghezza di banda; sensibilià; caraerisiche di rumore. Corso Segnale e Rumore Giorgio Brida Giugno/Luglio 006 Pagina 1 di 15

2 Fooconduore assorbimeno di fooni di energia hν E g (processo inrinseco) o anche minore nel caso in cui siano disponibili livelli inermedi (processo esrinseco), e generazione di coppie di poraori (aumeno della conducibilià) ( µ n p) n µ σ q p Corso Segnale e Rumore Giorgio Brida Giugno/Luglio 006 Pagina di 15

3 analisi unidimensionale fooconduore: campo elerico cosane; spessore D << 1/α: inensià cosane; fenomeni uniformi rasversalmene; conduzione solo eleroni inensià e -αx dn d n n fooni n fooni η P op /( hν ) WLD rae di ricombinazione; Corso Segnale e Rumore Giorgio Brida Giugno/Luglio 006 Pagina 3 di 15

4 un segnale oico modulao in ampiezza: P(ω) P op (1 m e jω ) P op poenza media; m indice di modulazione; j op op e j m WLD h P WLD h P e n n ω ω ν η ν η 1 ) / ( ) / ( ) ( / 0 j r op r op d n p e j m h P q h P q L v qnlwd newd q ΕWD I ω ω ν η ν η µ σ 1 r L / v d empo di ransio; g / r guadagno (se L è roppo grande i poraori si ricombinano) Corso Segnale e Rumore Giorgio Brida Giugno/Luglio 006 Pagina 4 di 15

5 I p, eff qη 1 P op hν r m 1 ω N.B. la poenza oica (rivelaore quadraico perfeo) foorivelaore r guadagno fooconduore 1 ms 10 ns giunzione pn 10 ps 1 giunzione pin 10 ns 100 ps 1 foodiodo a valanga 100 ps problemi: i fooconduori (fooresisenze) sono leni; rovano impiego come rivelaori nell infrarosso Corso Segnale e Rumore Giorgio Brida Giugno/Luglio 006 Pagina 5 di 15

6 rumore I S correne di segnale; sho I sho correne di rumore sho associaa a I S ; I B correne dovua al segnale di background; I D correne dovua alla generazione ermica di poraori. i i B id qbi 4kTGB DC r 1 ω Corso Segnale e Rumore Giorgio Brida Giugno/Luglio 006 Pagina 6 di 15

7 foodiodi principio di funzionameno: generazione fooelerica in giunzione pn polarizzaa inversamene; le coppie di poraori aumenano la correne inversa di saurazione del diodo. compromessi: desiderando disposiivi veloci ( r piccolo) devo ridurre la regione di carica spaziale; quesa richiesa si sconra con il desiderio di un elevaa efficienza quindi con la necessià di avere una regione di svuoameno esesa in modo che ui i fooni incideni vengano assorbii. efficienza quanica η P I op q p ; responsivià ( hν ) q R η h ν velocià di risposa: diffusione poraori, empo di ransio, capacià parassia Corso Segnale e Rumore Giorgio Brida Giugno/Luglio 006 Pagina 7 di 15

8 foodiodo pin presazioni migliori rispeo alla giunzione pn semplice perchè la capacià C è più bassa; è possibile progeare la lunghezza della zona inrinseca in modo da oimizzare efficienza η e empo di ransio. A causa della lunghezza della regione di deriva (regione inrinseca) si ha una riduzione della risposa del ipo sinc(ω r ) Corso Segnale e Rumore Giorgio Brida Giugno/Luglio 006 Pagina 8 di 15

9 Corso Segnale e Rumore Giorgio Brida Giugno/Luglio 006 Pagina 9 di 15

10 foodiodi a valanga si sfrua il processo di moliplicazione a valanga in una giunzione polarizzaa inversamene (elevaa ensione inversa) allo scopo di avere un meccanismo di guadagno inerno: I p, eff Pop M qη hν m M 1 w 0 α n e 1 x 0 ( α n α p ) dz dx α n, α p rae di ionizzazione di eleroni e lacune Corso Segnale e Rumore Giorgio Brida Giugno/Luglio 006 Pagina 10 di 15

11 il rumore in un rivelaore a valanga: S N ( ) i i i M F( M ) 4kTB / R 4kTB / Req sho D B i p pn M eq i p pn M faore di rumore F(M)<M >/M 1 l effeo valanga amplifica la foocorrene ma anche le sue fluuazioni!!! In mole condizioni di lavoro i conribui di rumore sho, background e dark curren sono rascurabili rispeo al rumore ermico dello sadio amplificaore successivo; in queso caso il rivelaore a valanga è neamene superiore a foodiodi pn o pin per un faore M Corso Segnale e Rumore Giorgio Brida Giugno/Luglio 006 Pagina 11 di 15

12 Rivelazione coerene Per rivelare un segnale conservandone l informazione sia l ampiezza sia sulla fase la ecnica ipica è quella dell eerodina: mescolazione di frequenza in un elemeno non lineare ra il segnale ed un oscillaore locale i( ) R i LO A ( dc) E i LO S ( x, ) Re R i LO i S A E s ( x, ) A E LO da ( x, ) E * s W ( x)cos( θ ( x) ( x, ) da ω) da R responsivià, i S e i LO foocorreni generae singolarmene da segnale e oscillaore locale, W è il rapporo del valore locale di E LO E S rispeo al suo valor medio sulla superficie A del rivelaore, θ è la differenza di fase fra i due fasci. Corso Segnale e Rumore Giorgio Brida Giugno/Luglio 006 Pagina 1 di 15

13 i ( ) ( dc) i i W ( x )cos( θ ( x) ω) da LO S A fasci perfeamene allineai, nelle sesse condizioni di polarizzazione e fuocheggiameno, l inegrale si riduce all inegrale sul ermine cos( ω ); in quese condizioni la foocorrene di segnale presena un guadagno pari a i LO /i S il rumore è dominao dal rumore sho addiivo dell oscillaore locale; poichè il guadagno è uguale al rapporo fra rumore sho dell oscillaore locale e del segnale, allora il rapporo S/N oale è uguale a quello del solo segnale, fino al caso limie in cui E S corrisponda ad un singolo foone quesa ecnica consene di superare il limie del rumore ermico del resisore di carico del foorivelaore Corso Segnale e Rumore Giorgio Brida Giugno/Luglio 006 Pagina 13 di 15

14 i ( ) ( dc) i i W ( x )cos( θ ( x) ω) da LO S A nel caso in cui θ non sia nullo su uo il rivelaore il valore risulane dell inegrale sarà inferiore; nel caso in cui sia abbia ad esempio una piccola differenza in angolo o del fuoco si vengono a formare delle frange di inerferenza sulla superficie del rivelaore che vanno a ridurre drasicamene il guadagno disponibile e quindi il rapporo segnale/rumore. Corso Segnale e Rumore Giorgio Brida Giugno/Luglio 006 Pagina 14 di 15