Материал: Элементы оптических систем связи

В ЛФД обедненный слой, возникающий при приложении обратного напряжения, также необходимо рассматривать как область поглощения света; однако для создания ударной ионизации с помощью фотовозбужденных носителей рядом с p-n-переходом создают область с высоким значением напряженности электрического поля (более 10⁵ В/см), которую рассматривают как область лавинного умножения. Если фотовозбужденные носители, возникшие в результате поглощения света в области дрейфа, инжектируют в область лавинного умножения, то под действием непрерывной ударной ионизации возникнет лавинное умножение фотовозбужденных носителей. Обычно ЛФД, благодаря эффекту лавинного умножения, обладают большей чувствительностью по сравнению с обычными ФД. Если напряжение смещения обозначить через U, а напряжение пробоя через U_п, то коэффициент умножения М приближенно может быть представлен эмпирической формулой:

где n = 2 - 6 (87)

Он принимает различные значения в зависимости от напряжения смещения. При U » U_п с повышением напряжения происходит резкое увеличение коэффициента умножения, который может принимать высокие значения порядка М » 1000. С другой стороны, коэффициент умножения сильно изменяется при изменении напряжения и температуры, что является недостатком. При этом температурный коэффициент изменений напряжения пробоя составляет » 0,2%/^oC. В схеме питания ЛФД необходимо предусмотреть меры, которые бы устраняли влияние этих изменений.

а                                    б

Рис. 43

На рис. 43 приведены конструкции ЛФД и p-i-n-ФД, где 1 - просветляющая пленка; 2 - электрод (омический контакт); 3 - защитное кольцо; 4 - изоляция. Эти конструкции могут изменяться в зависимости от свойств материалов. Для предотвращения отражения света от поверхности все ФД покрываются просветляющей пленкой. Защитное кольцо по периметру p-n-перехода служит для повышения напряжения пробоя, предупреждения локального лавинного пробоя (микроплазмы) и осуществления равномерного лавинного усиления. В кремниевом ЛФД из-за расширения обедненного слоя до 20 мкм и более рабочее напряжение падает. Поэтому область обедненного слоя формируют в виде p^-(p)-слоя низкой концентрации, а лавинную область, требующую большой напряженности ЭП, - как р-слой с высокой концентрацией носителей. На рис.42, а приведена конструкция кремниевого ЛФД со структурой n⁺pppp⁺, где уменьшением напряженности электрического поля в области лавинного умножения оказывается возможным получить широкий обедненный слой с высоким квантовым выходом. Распределение потенциала в р-i-n - и в лавинном фотодиоде приведена на рис.4 При этом напряжение пробоя оказывается низким, а быстродействие - высоким. Например, при U_п = 100 - 150 В быстродействие оказывается равным приблизительно 300 пс.

а                                             б

Рис. 43

Быстродействие ЛФД ограничено временем пробега фотовозбужденных носителей и постоянной времени RC-цепочки. В области дрейфа скорость дрейфа достигает ~ 10⁷ см/c, так что время пробега при ширине обедненного слоя 100 мкм оказывается небольшим, около 1 нс. При ширине несколько десятков микрометров и ниже получается быстродействие порядка нескольких ГГц. Электростатическая емкость определяется суммой паразитной емкости корпуса и емкости перехода, зависящей от диаметра фотоприемной части и обедненного слоя. Она составляем 1-2 пФ. Следовательно, если сопротивление нагрузки положить равным 50 Ом, то постоянная времени RC-цепочки будет составлять 50-100 пс.

Эффективность (квантовая) обедненной области в рабочем диапазоне длин волн достаточно высока ~ 80-100%. Однако часть падающего излучения испытывает френелевское отражение от фоточувствительной поверхности из-за скачка показателей преломления на границе между этой поверхность и средой. Для уменьшения отражения приемную поверхность обедненного слоя покрывают антиотражающим слоем - специально подобранным прозрачным для длины волны излучения l, материалом толщиной кратной l/4 и показателем преломления, равным (n₁n₂)^0,5, где n₁ и n₂ - показатели преломления i-слоя и воздуха

Особенностью работы ЛФД являются более высокое рабочее напряжение по сравнению с р-i-n-фотодиодами и повышенная температурная чувствительность коэффициента умножения. Это требует использования специальной электрической цепи, вырабатывающей необходимое рабочее напряжение, а также системы термостабилизации.

Фототранзисторы

Биполярным фототранзистором (ФТ) называют полупроводниковый приемник излучения на основе использования внутреннего фотоэффекта с двумя p-n-переходами и с дополнительным усилением фототока на втором p-n-переходе. Такой ФТ состоит из монокристалла полупроводника n-типа (рис. 44,а) - базы, - в котором с двух сторон созданы сплавные p-n-переходы - коллекторный и эмиттерный.

а                                             б                 в

Рис. 44

Значительное усиление фототока ФТ наблюдается при его включении с “оборванной” базой, эквивалентная схема которого дана на рис. 44,б. При этом на эмиттерный переход подается напряжение в прямом, а на коллекторный - в запирающем направлении.

Входным сигналом для ФТ служит падающий поток излучения Ф (hn), который и управляет током в цепи. Когда ФТ не освещен, через него протекает ток, определяемый неосновными носителями, инжектированными из эмиттера, прошедшими базу и достигшими коллектора. Несмотря на то, что переход база-эмиттер включен в прямом направлении, число дырок, инжектированных эмиттером на базу, невелико, а сам ток фактически мал. Объясняется это тем, что дырки накапливаются в базе вследствие отсутствия компенсирующих отрицательных зарядов, которые не могут туда поступать из-за ее обрыва.

При облучении образующиеся дырки диффундируют к эмиттеру и коллектору. Дырки, пришедшие к коллектору, увеличивают его ток, а электроны создают избыточный не скомпенсированный отрицательный объемный заряд, уменьшающий потенциальный барьер перехода эмиттер-база и резко увеличивающий поток дырок из эмиттера в область базы. Эти дырки, пройдя базовую область, попадают на коллектор и еще больше увеличивают ток ФТ, причем ток за счет дырок, вызванных отрицательным объемным зарядом в области базы, превосходит значение тока, определяемого дырками, генерированными в базе первоначально под действием света. Таким образом, усиливается фототок. Если есть базовый вывод, его можно использовать для выбора начального режима и стабилизации рабочей точки ФТ при изменении окружающей температуры.

Благодаря усилению фототока интегральная чувствительность ФТ выше, чем у ФД, и достигает 0,2-0,5 А/мЛм. Вольтовая чувствительность ФТ сравнима с ФД, так как темновой ток ФД больше, а рабочее напряжение питания меньше (3В). Вольт-амперные характеристики аналогичны ФД. ФТ имеют меньшее внутреннее сопротивление, и их характеристики обладают большей крутизной, чем у ФД. Световые характеристики ФТ линейны в широком диапазоне.

По постоянной времени и частотным характеристикам ФТ уступают ФД, так как эмиттерный переход имеет большую емкость (примерно 10⁵ пФ/см²), что увеличивает постоянную времени схемной релаксации (постоянная времени ФТ 10^-4 - 10^-6,с).

Кроме схемы включения с оборванной базой, рассмотренной выше, для ФТ разработаны специальные схемы включения, учитывающие необходимую стабильность его работы при изменении температуры окружающей среды. Повышения стабильности работы ФТ добиваются применением компенсирующих элементов и отрицательной обратной связи по переменному току.

Полевые ФТ имеют три электрода: исток, сток и затвор (рис. 44, в). Между истоком и стоком образуется фоторезистивный проводящий канал, сопротивление которого изменяется при его облучении и зависит также от потенциала затвора. Затвор отделен от проводящего канала p-n-переходом, ширина которого модулируется потенциалом затвора. Расширение перехода уменьшает сечение канала и увеличивает его сопротивление, сужение - наоборот.

Переход затвор-канал можно рассматривать как фотодиод, в цепи которого фототок I_ФД, пропорциональный потоку излучения, вызывает на резисторе R_З падение напряжения DU_З = R_ЗI_ФД, что приводит к изменению потенциала затвора. Как и в обычном полевом транзисторе, при изменении потенциала затвора изменяется ток стока:

DI_С = SDU_З = SR_ЗI_ФД,

где S-крутизна характеристики передачи dI_C/dU_З при U_CИ = const.

Отсюда токовая чувствительность полевого транзистора

S_iПТ = DI_С/Ф = SR_ЗI_ФД/Ф = SR_ЗS_iФД, (88)

где S_iФД - токовая чувствительность фотодиода.

Из выражения (88) следует, что токовая чувствительность полевого фототранзистора по сравнению с токовой чувствительностью фотодиода увеличивается в SR_З раз.

Энергетические характеристики полевых фототранзисторов линейны лишь в определенных пределах изменения потока излучения. При больших уровнях потока излучения потенциал затвора становится столь малым, что его изменения практически перестают влиять на ток стока, который близок к максимальному значению. Инерционность полевого фототранзистора определяется инерционностью цепи затвора и временем пролета носителей заряда через канал. Постоянная времени полевого фототранзистора составляет 10^-7с для малых потоков излучения.

8. Технические характеристики фотоприемников

Факторы, влияющие на технические характеристики фотоприемников, сложны и сильно взаимосвязаны между собой. На первый взгляд может показаться, что достаточно выбрать только три параметра - чувствительность, быстродействие, цену. На практике эти факторы часто оказываются зависящими от других факторов, включая рабочую длину волны, выбор волокна и передатчика, темновой ток, шумовые характеристики, тип кодировки передаваемого сигнала и др.

Ниже рассмотрены главные из них: токовая чувствительность; квантовая эффективность; темновой ток; время нарастания и спада; эквивалентная мощность шума; соотношение с/ш и чувствительность аналоговых систем; частота появления ошибок и чувствительность цифровых систем; насыщение ПРОМ; максимально допустимое обратное напряжение; рабочий диапазон температур; наработка на отказ.

Таковая чувствительность (монохроматическая) S_il (А/Вт) определяется как S_il = I_il /Р(l), где I_il - фототок, а Р(l) - полная оптическая мощность излучения на длине волны l, падающего на фоточувствительную площадку. Токовая чувствительность характеризует фотоприемник при низких частотах модуляции.

Квантовая эффективность h (безразмерная величина) определяется как h = N_q/N_il, где N_il - количество фотонов, падающих за единицу времени на приемник, а N_q - количество рожденных в результате этого свободных электронов (или электронно-дырочных пар). Квантовая эффективность для р-i-n-фотодиодов не может быть больше 1 (100%). Кривые квантовой эффективности в зависимости от длины волны для разных материалов приведены на рис. 40.

Между токовой чувствительностью и квантовой эффективностью существует простая связь S_il = qhl/hc, где q - заряд электрона (1,6010×10^-19 К), l - длина волны, h - постоянная Планка (6,63×10^-34 Дж×сек), с - скорость света (3,00×10⁸ м×сек). С подстановкой значений констант получаем S_il = hl/1,24. На основании зависимостей рис. 40 легко оценить значения токовой чувствительности для разных материалов и разных длин волн. Типичное значение токовой чувствительности для р-i-n-фотодиодов в их рабочих диапазонах составляет 0,5 - 0,8 А/Вт, а для лавинных фотодиодов 20 - 60 А/Вт (табл. 4.3). Характеристики h и S_il используют при создании фотоприемников и ПРОМ, когда необходимо согласовывать последующий каскад электронных усилителей.

Темновой ток I_т (А) протекает при обратном смещении через нагрузку в отсутствии падающего на фотодиод излучения. Его величина зависит от материала полупроводника, температуры окружающей среды, конструкции фотоприемника. Максимальные значения этот ток утечки имеет в фотодиодах, изготовленных из германия, и составляет от долей до единиц миллиампера (табл. 1. Этот ток добавляется к току полезного сигнала, когда на фотодиод поступает свет.

Таблица 1