Материал: Элементы оптических систем связи

Если параметры Ф_п, Ф*_п, D и D* измеряют по отношению к монохроматическому излучению, то в их обозначениях указывают индекс длины волны излучения l, например D*l.

Параметры питания. Рабочее напряжение на ФД U_p, выбираемое с запасом по отношению к пробивному напряжению. Максимально допустимое напряжение (U_max), при котором отклонения от номиналов меньше допустимых. Допустимая мощность рассеивания (Р_доп), определяется разогревом ФД. Темновое сопротивление (R_Т) и темновой ток (I_Т) ФД, определяемые при U = U_p и при отсутствии потока излучения, падающего на ФД.

. Инерционность, переходные и частотные характеристики ФД. Процесс инерционности ФД легко проследить на примере решения уравнения кинетики фотопроводимости, когда изменение во времени концентрации избыточных носителей DN имеет вид

 (78)

где t - среднее время жизни носителей до момента рекомбинации;

Ф - скорость световой генерации этих носителей в единице объема среды.

Решение этого уравнения при начальных условиях t = 0; DN = 0 имеет вид

 (79)

и характеризует переходной процесс инерционного нарастания DN во времени (передний фронт импульса фототока). А при начальных условиях t = 0; DN = Фt решение DN = Фte^-t/t определяет переходной процесс спада импульса фототока.

Видно, что чем меньше t тем меньше инерционность фотопроводимости, но зато меньше и сам эффект фотопроводимости, то есть меньше чувствительность ФД, так как меньше стационарное значение DN = Фt. Частотная характеристика ФД DN = f(f), которую легко получить, решая (78) при Ф = = Ф₀sin2pft, имеет вид DN = Фt/[1 + (2pft)²]^0,5 и показывает, что амплитуда фототока (j ~ DN_a) уменьшается при тем меньших f, чем больше t, то есть 1/t определяет частоту завала частотной характеристики ФД. На практике кроме времени t на все упомянутые характеристики влияет время релаксации переходных процессов в схеме (t_CX) питания ФД. Если t_CX > t, то именно t_CX и будет определять инерционность ФД.

. Внешние характеристики - вольтамперная характеристика ФД (I = I(f)); энергетическая (световая) характеристика (I = I(Ф)) температурные характеристики - зависимости параметров и характеристик от температуры ФД.

Определив основные характеристики и параметры фотодетекторов, перейдем к рассмотрению простейших фотоприборов.

Фотодиодами называют полупроводниковые приборы, основанные на внутреннем фотоэффекте, использующие одностороннюю проводимость p-n-перехода, при освещении которого появляется ЭДС (фотогальванический режим) или (при наличии питания) изменяется значение обратного тока (фотодиодный режим). Фотодиоды (ФД) можно изготавливать на основе гомоперехода (p-n-перехода), гетероперехода и контакта n-полупроводника и металла (барьера Шотки).

Односторонняя проводимость (вентильный фотоэффект) возникает при освещении одной или обеих областей p-n-перехода. При работе ФД в фотогальваническим режиме в случае освещения n-области в ней образуются новые носители заряда - электроны и дырки. Они диффундируют к p-n-переходу, где дырки - переходят в p-область (обратный ток неосновных носителей), а электроны, для которых диффузионное поле p-n-перехода является запирающим, остаются в n-области. В результате при постоянном освещении в p-области накапливаются дырки, а в n-области - электроны. Это приводит к появлению фото-ЭДС, поле которой понизит одностороннюю проводимость p-n-перехода, что увеличит прямой ток основных носителей.

При разомкнутой внешней цепи и неизменном освещении прямой ток будет увеличиваться до тех пор, пока токи основных и неосновных носителей не уравновесятся, при этом между электродами p-n-перехода устанавливается некоторая разность потенциалов холостого хода V_x.x, возникающая под действием освещения.

При подключении к контактам фотодиода нагрузки и отсутствии освещения через p-n-переход и нагрузочное сопротивление потечет ток термически генерированных неосновных носителей I₀ называемый темновым током. При освещении появляется дополнительный фототок неосновных носителей I_Ф = S_iФ.

Общий ток в цепи ФД в фотогальваническом режиме определяется как

 (80.)

где U_R = IR_н - падение напряжения на нагрузке от протекающего в цепи тока.

Рис. 41

Это выражение позволяет построить вольт-амперные характеристики фотогальванического режима (область II на рис. 41).

При работе ФД в фотодиодном режиме (используемом в фотоприемниках) к нему прикладывают обратное напряжение (область 1 на рис. 41). В этом случае в отсутствии освещения через p-n-переход и сопротивление нагрузки протекает обратный дырочный ток I₀. При освещении же n-области через p-n-переход и сопротивление нагрузки будет протекать дополнительный дырочный фототок неосновных носителей I_Ф. Суммарный ток в цепи будет складываться из темнового тока и фототока неосновных носителей. Выражение для вольт-амперной характеристики фотодиодного режима имеет вид

 (81)

где U - напряжение внешнего источника.

Рассмотрим схемы включения, вольт-амперные характеристики и выбор нагрузки ФД.

В фотогальваническом режиме работы ФД напряжение на p-n-переходе определяется током, протекающим в цепи нагрузки, согласно формуле (80).

Если R_н ® ¥, то ток во внешней цепи I = 0, а вместо U_R в (80) можно подставить значение U_xx - напряжения холостого хода

После преобразований найдем напряжения холостого хода

 (82)

Линейность характеристики U_xx = f(Ф) наблюдается только на начальном участке при I_Ф << I₀. Чтобы получить максимальную вольтовую чувствительность, соответствующую R_н = ¥, продифференцируем уравнение (82)

 (83)

где I₀ - темновой ток насыщения при Ф = 0, I_Ф = S_iФ, R₀ = bkT/qI₀ - сопротивление p-n-перехода при нулевом напряжении.

Для комнатной температуры

(84)

Можно получить приближенные формулы при I_Ф << I₀:

а при I_Ф << I₀

Видно, что вольтовая чувствительность в фотогальваническом режиме уменьшается с увеличением потока излучения, падающего на ФД.

Фотогальванический режим не требует источника питания и обеспечивает существенно меньшие шумы, что часто компенсирует потери чувствительности, так как позволяет реализовать большее отношение сигнал/шум (с/ш). ФД в фотогальваническом режиме имеют малой внутреннее сопротивление, поэтому их используют в цепях с малым сопротивлением нагрузки.

В фотодиодном режиме (область I рис.41) при изменении сопротивления нагрузки меняется угол наклона прямых a, tga = I/R = I/U_н. Поменяем для области I знаки полярности напряжения и тока на рис.41.

При этом падение напряжения на нагрузке и ФД будут соответственно

U_н = IR_н; U_ФД = U - IR_н.

Ток внешней цепи в фотодиодном режиме при приложении напряжения питания U в запирающем направлении I = I₀ + I_Ф. Откуда

IR_н = U_н = S_iФR_н + I₀R_н.

Продифференцировав это выражение, получим формулу для интегральной вольтовой чувствительности ФД

S_U = dU_н/dФ = S_iR_н. (85)

Таким образом, чтобы повысить вольтовую чувствительность, необходимо увеличить сопротивление нагрузки R_н. Максимальное значение R_нmax связано с максимальным потоком излучения, который можно зарегистрировать ФД, следующим соотношением:

R_нmax = U/(I_фmax + I₀) = U/(S_iФ_max + I₀). (86)

При этом точка пересечения прямой нагрузки с вольт-амперной характеристикой, соответствующей максимальному потоку излучения Ф_max, должна лежать в области диодного режима.

С учетом выражения (84) можно получить приближенные формулы для S_Umax при I_Ф >> I₀ S_Umax @ U/Ф_max, и  S_Umax @ S_i(U/I₀) при I_Ф << I₀.

Если I_Ф >> I₀, то максимальная вольтовая чувствительность не зависит от параметров ФД, а если I_Ф << I₀, то она тем больше, чем меньше значение темнового тока I₀. При работе ФД с модулированным сигналом от объекта на фоне немодулированной фоновой засветки целесообразно иметь минимальную вольтовую чувствительность по постоянному току (от фона) и максимальную по переменному току (от объекта). Для этого используют трансформаторную или дроссельную схемы включения ФД, позволяющие получить большое сопротивление по переменному току (индуктивное сопротивление) и малое по постоянному току (активное сопротивление).

ФД в фотодиодном режиме обладают значительным внутренним сопротивлением и применяются в цепях с большим сопротивлением нагрузки.

Работа с малыми сигналами в фотогальваническом режиме предъявляет особые требования к усилителю, который должен при больших коэффициентах усиления иметь малый уровень шума, что ограничивает использование этого режима в фотоприемниках.

Постоянная времени ФД (t_ФД) определяется временем пролета носителей от места их генерации под действием освещенности (в тонком поверхностном слое) до p-n-перехода, где они рекомбинируют, и постоянной времени схемной релаксации t_р (RC-цепочка ФД), которая обычно у ФД не превышает 10^-9 с. Поэтому при глубине залегания p-n-перехода (толщине базы) в несколько микрометров время переноса неосновных носителей составляет 10^-7 - 10^-8 с, что и определяет t_ФД.

Рис. 42

Помимо планарных фоторезисторов (не применяемых в фотоприемниках из-за низкого квантового выхода и значительных шумов) существуют фоторезисторы со структурой металл-полупроводник-металл (м-п-м), которые могут использоваться в системах с высокой интенсивностью оптического излучения. Типовые конструкции такого фоторезистора и фотодиода показаны на рис. 42, а (фоторезистор) и рис. 42, б (фотодиод), где КС - контактный слой; П - подложка; ФПС - фотопроводящий слой; Б - база ФД.

Конструкции ФД с барьером Шотки и гетероструктурных ФД похож на конструкции светодиода, причем ФД на основе диода с барьером Шотки имеют на приемной поверхности тонкую (2-10 нм) пленку золота, мало поглощающую свет, которая контактирует с полупроводником n-типа, расположенным глубже, причем если этот полупроводник GaP, то такой диод хорошо принимает ультрафиолет (максимум спектральной характеристики приходится на 0,4 мкм). Приемная поверхность полупроводниковых ПИ в наиболее ответственных случаях покрывается тонкой согласующей пленкой, имеющей толщину 0,25l(e_отнп)^0,5, где l - принимаемая длина волны света, e_отнп =(e_отн)^0,5 - относительная диэлектрическая проницаемость материала пленки, причем e_отн - относительная диэлектрическая проницаемость среды, которую покрывает пленка (“голубая оптика”).

Лавинные и p-i-n фотодиоды

В быстродействующих фотоприемниках с полосой частот до нескольких гигагерц применяются фотодиоды с p-i-n-структурой и лавинные фотодиоды (ЛФД).

ФД с p-i-n-структурой состоит из n⁺-подложки, слаболегированного слоя (i-слоя) и тонкого p⁺- слоя толщиной 0,3 мкм. При приложении обратного смещения обедненный слой распространяется на весь i-слой и слой собственной проводимости. В результате уменьшается емкость перехода, расширяется область поглощения света и повышается чувствительность ФД. Падающий свет, затухая по экспоненциальному закону в зависимости от значения коэффициента поглощения a, вызывает появление фотовозбужденных носителей заряда. Фотовозбужденные носители, появившиеся в обедненном слое, ускоряются ЭП обедненного слоя (³ 10³ В/см) до скорости насыщения дрейфа (~ 10⁷ см/с). Эту область называют областью дрейфа. Так как фотовозбужденные носители за пределами обедненного слоя в р⁺- и n⁺-слоях движутся за счет диффузии, то их скорость движения, равная »10⁴ см/c, оказывается на три порядка ниже скорости дрейфа. Этот диффузионный ток является причиной ухудшения быстродействия ФД, которое проявляется в виде “хвоста” импульсной характеристики. Поскольку эти возбужденные носители перемещаются на расстояние порядка диффузионной длины и рекомбинируют, то тем самым уменьшается квантовый выход. Чтобы одновременно удовлетворить требованиям быстродействия и высокого квантового выхода, необходимо, чтобы область поглощения света находилась в обедненном слое. Для этого при проектировании фотодиода делают р⁺-слой как можно тоньше, а толщину i-слоя выбирают большей длины поглощения света (1/a). При этом длина поглощения для кремния на длине волны 0,8 мкм составляет 10-20 мкм, а величина рабочего напряжения, необходимая для получения достаточно широкого обедненного слоя, оказывается сравнительно низкой - порядка 1-20 В.