Nola murriztu fotodetektagailuen zarata

Nola murriztu fotodetektagailuen zarata

Fotodetektagailuen zaratak batez ere honako hauek hartzen ditu barne: korronte-zarata, zarata termikoa, jaurtiketa-zarata, 1/f zarata eta banda zabaleko zarata, etab. Sailkapen hau nahiko gutxi gorabeherakoa baino ez da. Oraingoan, zarataren ezaugarri eta sailkapen zehatzagoak aurkeztuko ditugu, zarata mota desberdinek fotodetektagailuen irteera-seinaleetan duten eragina hobeto ulertzen laguntzeko. Zarata-iturriak ulertuz bakarrik murriztu eta hobetu dezakegu fotodetektagailuen zarata, eta horrela sistemaren seinale-zarata erlazioa optimizatu.

Jaurtiketa-zarata karga-eramaileen izaera diskretuak eragindako ausazko gorabehera bat da. Batez ere efektu fotoelektrikoan, fotoiek osagai fotosentikorrak jotzen dituztenean elektroiak sortzeko, elektroi horien sorrera ausazkoa da eta Poisson banaketaren araberakoa da. Jaurtiketa-zarataren ezaugarri espektralak lauak eta maiztasun-magnitudearekiko independenteak dira, eta horregatik zarata zuria ere deitzen zaio. Deskribapen matematikoa: Jaurtiketa-zarataren erro karratu ertainaren (RMS) balioa honela adieraz daiteke:

Horien artean:

e: Karga elektronikoa (gutxi gorabehera 1,6 × 10-19 coulomb)

Idark: Korronte iluna

Δf: Banda-zabalera

Jaurtiketa-zarata korrontearen magnitudearekiko proportzionala da eta maiztasun guztietan egonkorra da. Formulan, Idark-ek fotodiodoaren iluntasun-korrontea adierazten du. Hau da, argirik ezean, fotodiodoak nahi ez den iluntasun-korrontearen zarata du. Fotodetektagailuaren aurrealdean dagoen zarata intrintsekoa denez, zenbat eta handiagoa izan iluntasun-korrontea, orduan eta handiagoa izango da fotodetektagailuaren zarata. Iluntasun-korrontea fotodiodoaren polarizazio-funtzionamendu-tentsioak ere eragiten du, hau da, zenbat eta handiagoa izan polarizazio-funtzionamendu-tentsioa, orduan eta handiagoa izango da iluntasun-korrontea. Hala ere, polarizazio-funtzionamendu-tentsioak fotodetektagailuaren junturaren kapazitantzian ere eragiten du, eta horrela fotodetektagailuaren abiaduran eta banda-zabaleran eragina du. Gainera, zenbat eta handiagoa izan polarizazio-tentsioa, orduan eta handiagoa izango da abiadura eta banda-zabalera. Beraz, fotodiodoen jaurtiketa-zaratari, iluntasun-korronteari eta banda-zabaleraren errendimenduari dagokionez, diseinu arrazoizkoa egin beharko litzateke benetako proiektuaren eskakizunen arabera.

2. 1/f-ko keinu-zarata

1/f zarata, keinu-zarata bezala ere ezagutzen dena, maiztasun baxuko tartean gertatzen da batez ere eta material-akatsak edo gainazalaren garbitasuna bezalako faktoreekin lotuta dago. Bere espektro-ezaugarrien diagramatik ikus daiteke bere potentzia-espektro-dentsitatea nabarmen txikiagoa dela maiztasun handiko tartean maiztasun baxuko tartean baino, eta maiztasuna 100 aldiz handitzen den bakoitzean, espektro-dentsitatearen zarata linealki 10 aldiz gutxitzen dela. 1/f zarataren potentzia-espektro-dentsitatea maiztasunarekiko alderantziz proportzionala da, hau da:

Horien artean:

SI(f) : Zarata-potentziaren espektro-dentsitatea

I: Oraingoa

f: Maiztasuna

1/f zarata esanguratsua da maiztasun baxuko tartean eta ahuldu egiten da maiztasuna handitzen den heinean. Ezaugarri honek interferentzia iturri nagusi bihurtzen du maiztasun baxuko aplikazioetan. 1/f zarata eta banda zabaleko zarata batez ere fotodetektagailuaren barruko anplifikadore operazionalaren tentsio zaratatik datoz. Fotodetektagailuen zaratan eragina duten beste zarata iturri asko daude, hala nola anplifikadore operazionalen elikatze-iturriaren zarata, korronte zarata eta anplifikadore operazionalen zirkuituen irabazian dagoen erresistentzia sarearen zarata termikoa.

3. Anplifikadore operazionalaren tentsio eta korronte zarata: Tentsio eta korronte dentsitate espektralak hurrengo irudian ageri dira:

Anplifikadore operatiboen zirkuituetan, korronte-zarata fase barruko korronte-zaratan eta alderantzizko korronte-zaratan banatzen da. Fase barruko korronte-zarata i+ iturriaren barne-erresistentzia Rs zeharkatzen du, u1= i+*Rs tentsio-zarata baliokidea sortuz. I- alderantzizko korronte-zarata R irabazi-erresistentzia baliokidetik igarotzen da u2= I-* R tentsio-zarata baliokidea sortzeko. Beraz, elikatze-iturriaren RS handia denean, korronte-zaratatik bihurtutako tentsio-zarata ere oso handia da. Beraz, zarata hobea optimizatzeko, elikatze-iturriaren zarata (barne-erresistentzia barne) ere optimizaziorako norabide gakoa da. Korronte-zarataren dentsitate espektrala ere ez da aldatzen maiztasun-aldakuntzekin. Beraz, zirkuituak anplifikatu ondoren, fotodiodoaren korronte ilunaren antzera, fotodetektagailuaren jaurtiketa-zarata osatzen du osorik.

4. Eragiketa-anplifikadore zirkuituaren irabazirako (anplifikazio faktorerako) erresistentzia-sarearen zarata termikoa formula hau erabiliz kalkula daiteke:

Horien artean:

k: Boltzmannen konstantea (1,38 × 10⁻²³J/K)

T: Tenperatura absolutua (K)

R: Erresistentzia (ohm) zarata termikoa tenperaturarekin eta erresistentzia balioarekin erlazionatuta dago, eta bere espektroa laua da. Formulatik ikus daiteke zenbat eta handiagoa izan irabazi erresistentziaren balioa, orduan eta handiagoa izango dela zarata termikoa. Zenbat eta handiagoa izan banda-zabalera, orduan eta handiagoa izango da zarata termikoa ere. Beraz, erresistentziaren balioak eta banda-zabaleraren balioak irabazi-eskakizunak eta banda-zabaleraren eskakizunak betetzen dituztela ziurtatzeko, eta azken finean zarata txikia edo seinale-zarata erlazio handia ere eskatzen dutela ziurtatzeko, irabazi-erresistentzien aukeraketa arretaz aztertu eta ebaluatu behar da proiektuaren benetako eskakizunen arabera, sistemaren seinale-zarata erlazio aproposa lortzeko.

Laburpena

Zarata hobetzeko teknologiak zeregin garrantzitsua du fotodetektagailuen eta gailu elektronikoen errendimendua hobetzeko. Zehaztasun handiak zarata gutxi esan nahi du. Teknologiak zehaztasun handiagoa eskatzen duen heinean, fotodetektagailuen zarataren, seinale-zarata erlazioaren eta zarata-potentzia baliokidearen eskakizunak ere gero eta handiagoak dira.