Единицы измерения чувствительности фотодиода

5.1 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОДИОДЫ (ФД)

Функция детектора волоконно-оптической системы передачи сводится к преобразованию входного оптического сигнала в электрический, который затем подвергается усилению и обработке электронными схемами фотоприёмника. Предназначенный для этих целей фотодетектор должен точно воспроизводить форму оптического сигнала, не внося дополнительного шума.
Поэтому основными требованиями к фотодетектору являются:

  • высокая чувствительность на рабочей длине волны;
  • широкополосность;
  • большой динамический диапазон;
  • малые уровни шумов;
  • нечувствительность к изменениям параметров внешней среды;
  • хорошая надёжность;
  • малогабаритность;
  • большой срок службы;
  • низкая стоимость.

Наиболее полно указанным требованиям удовлетворяют полу-проводниковые фотодиоды.
Фотоэлектрическое преобразование позволяет осуществлять дальнейшую обработку информации на основе электронных схем, возможности которых при всех прочих равных условиях ограничены соотношением сигнала к шуму на входе электронного тракта, следующего за фотодетектором. Селективные фотоприёмники позволяют увеличить объём передачи информации на нескольких близких несущих частотах. Ширина полосы спектральной чувствительности фотоприёмников Δλ, определяющая их селективность, должна совпадать с шириной полосы источников излучения.
В полупроводниковых фотоприёмниках иcпользуют две формы внутреннего фотоэффекта:

  • фотопроводимость или увеличение проводимости образца под влиянием освещения в области спектральной чувствительности полупроводника;
  • фотовольтаический эффект, обусловленный тем, что поле p-n-перехода пространственно разделяет генерируемые светом электроны и дырки и создаёт тем самым между смежными областями кристалла полупроводника фото-ЭДС, благодаря чему по нагрузке во внешней цепи течёт фототок.

Для создания чувствительных и быстродействующих фотодетекторов можно использовать как внешний, так и внутренний фотоэффекты. Внешний фотоэффект используется в вакуумных приборах – фотоэлементах, когда падающий на катод свет вызывает эмиссию электронов. При внутреннем фотоэффекте (но только при фотовольтаическом эффекте) в области p-n-перехода полупроводника образуются носители заряда внутри полупроводника.

5.1.1 Принцип действия фотодиода

Существуют материалы, носители заряда в которых не проводят ток в отсутствие воздействия светового потока. Это происходит по ряду причин: либо носители заряда находятся в зоне, где они не могут принимать участие в проводимости (например, в заполненной валентной зоне), либо они блокированы потенциальным барьером, как в детекторе Шоттки, или захвачены связанными квантовыми состояниями. В основе работы ФД лежит эффект поглощения фотонов в полупроводниковом материале и рождение за счёт этого электронно-дырочных пар. Это происходит благодаря переходу электронов из валентной зоны на более высокий энергетический уровень в зону проводимости
Если на переход не подано внешнее напряжение и цепь разомкнута (рисунок 5.1), то освещение приводит к накопление фотоэлектронов в n-области и дырок в р-области. В результате образуется разность потенциалов Uф , т.е. появляется фото-ЭДС. Если внешняя цепь замкнута, то возникает фототок. В таких условиях диод работает как фотоэлемент.


Рисунок 5.1 – Процесс перехода электрона в зону проводимости

Для регистрации потока фотонов необходимы условия, при которых электронно-дырочные пары не рекомбинируют за счёт перехода электрона обратно в валентную зону. Эти условия в ФД создаются внутренним электрическим полем перехода. Известно, что в области перехода концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне меньше, чем в прилегающих полупроводниках n- и p-типа, соответственно. Поэтому область в окрестности перехода называется обеднённым слоем. Именно здесь вероятность поглощения фотона велика, а среднее время, за которое созданная электронно-дырочная пара рекомбинирует, может быть сделано большим.
Процессу разделения подвергаются носители заряда, генерируемые в обеднённой области перехода и прилегающей к ней областях размером, примерно равным диффузионной длине неосновных носителей. Только с расстояния, меньшего диффузионной длины, неосновной носитель в процессе движения успевает пересечь границу перехода за время жизни.
Неосновные носители, генерируемые в р- и n-областях на большом расстоянии от границы перехода, вследствие рекомбинации не попадают в обеднённую область, где сосредоточено электрическое поле перехода. На рисунке 5.2 показана зонная диаграмма энергетических уровней электрона при обратном смещении.


Рисунок 5.2 – Зонная диаграмма энергетических уровней электронов для р-n-перехода при обратном смещении U

Обеднённый слой не имеет свободных носителей, поэтому его сопротивление очень велико, и практически всё падение напряжения приходится на область контакта. В результате электрические силы очень велики в области контакта и пренебрежимо малы в других областях.
За счёт напряжения смещения U возникает дополнительное ускоряющее электрическое поле, которое действует на электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне и перемещает носители, появившиеся при поглощении фотона, улучшая тем самым характеристики фотодиода. В результате электроны дрейфуют в n-область, а дырки – в p-область, где вероятность их рекомбинации мала. Величина приложенного напряжения напрямую связана с напряжённостью электрического поля, а, следовательно, и с кулоновской силой, действующей на заряженные частицы.
В конечном итоге напряжение смещения U определяет скорость их движения через обеднённую область. Эта скорость должна быть выбрана так, чтобы время пролёта частиц до внешних контактов ФД было бы существенно меньше, чем среднее время рекомбинации. Тогда практически все электронно-дырочные пары, появившиеся вследствие поглощения фотонов, участвуют в формировании фототока. Те носители, которые достигают обеднённой области быстро проходят её под действием сильного электрического поля, возбуждая при этом ток во внешней цепи. Данный ток возникает со сдвигом во времени по сравнению с поглощением фотона. Сдвиг во времени определяется первоначальным медленным диффузионным движением носителей по направлению к обеднённой области.
В идеальном фотодиоде весь падающий свет поглощается в обеднённом слое, и все рождающиеся носители собираются на контактах. Тогда фототок под действием оптической мощности P определяется из выражения

где Р – оптическая мощность;
Eф– фото-ЭДС;
e – заряд электрона.
На практике, конечно, часть падающего света отражается.

5.1.2 «Красная граница» фотоэффекта

При выборе ФД для ВОЛС необходимо учитывать зависимость его спектральной чувствительности от длины волны λ источника света. Выбранный ФД сохраняет способность реагировать на оптическое излучение до тех пор, пока энергия фотонов, составляющих это излучение, достаточна для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости (рисунок 5.3).


а–при «зона – зонном» возбуждении; б–в результате возбуждения с участием донорных и акцепторных уровней; в–при внутризонных переходах
Рисунок 5.3 – Зонная структура, иллюстрирующая процессы поглощения при различных возбуждениях

Для каждого из этих переходов требуется некоторая минимальная энергия фотона, поэтому каждый тип фотоприёмника имеет длинноволновую границу, определяемую выбранным материалом

где Eз[эВ]=Eп-Eв – ширина запрещенной зоны, или энергетический зазор при переходе «зона–зона» или «примесный уровень–зона».
Выражение (5.3) определяет так называемую «красную границу» λпор для ФД, выполненного из полупроводникового материала. При λ>λпор он не реагирует на оптическое излучение.
Основным видом фотопроводимости является собственная фотопроводимость, обусловленная внутренним фотоэффектом, при котором изменение электропроводности происходит вследствие оптического возбуждения носителей заряда из связанных состояний в свободные и соответственного увеличения концентрации электронов в зоне проводимости или дырок в валентной зоне.
Фотопроводимость может возникнуть так же за счёт оптических переходов между двумя связанными состояниями (примесная фото-проводимость). Примесная фотопроводимость может быть индуцирована в полупроводнике при освещении его коротковолновым светом соответствую-щей области собственного поглощения. Это явление может наблюдаться в полупроводнике, содержащем донорные и акцепторные примеси.
Как правило, собственная фотопроводимость значительно сильнее примесной. Поэтому «красная граница» определяется шириной запрещённой зоны применяемого полупроводника.
Поглощение приводит к экспоненциальному уменьшению мощности излучения

где х – глубина поглощения;
α – коэффициент поглощения, характеризующий материал.

Для изготовления ФД часто используют кремний (Si), германий (Ge) и комбинированные соединения типа InGaAs. Кремниевые ФД имеют «красную границу» в области λ = 1мкм и поэтому редко используются в ВОЛС, в которых наиболее часто применяют источники света с длиной волны λ = 1,3мкм и λ = 1,55мкм. В последнее время, благодаря новейшим достижениям в области технологии, получили широкое применение приборы на основе комбинированных соединений. Их характеристики оптимизируются специально для использования совместно с определённым типом волоконного световода и источником. Широко применяется полупроводник типа InGaAsP в спектральном диапазоне 0,98 – 1,6мкм для создания высокоскоростных ФД.

5.1.3 Вольт-амперные характеристики ФД

На рисунке 5.4 показаны вольт-амперные характеристики ФД в области прямого и обратного смещения p-n-перехода.


Рисунок 5.4 – Вольт-амперные характеристики фотодиода

Как видим, фототок может уже возникать за счёт вольтаического эффекта даже при нулевом смещении (конечно при наличии оптической мощности (P). Здесь изображены три ветви характеристики, соответствующие различным значениям оптической мощности на фоточувствительной площадке. Видно, что увеличение светового потока вызывает увеличение фототока. Следует отметить, что при отсутствии оптической мощности (P=0), ток через ФД не исчезает полностью. Этот ток называется темновым и обычно имеет значение IT∼10 -9 −10 -7 . Величина его является важным параметром ФД, поскольку, как это будет ясно из дальнейшего изложения, IT определяет значительную долю шумов оптического тракта. Фототок может значительно превышать темновой ток.

5.1.4 p-n-фотодиод

Схема фотодиода p-n-типа приведена на рисунке 5.5.


Рисунок 5.5 – Процесс образования носителей тока в p-n-фотодиоде

Диод имеет обеднённую область, образованную неподвижными положительно заряженными атомами донора в n-области перехода и неподвижными отрицательно заряженными атомами акцептора в р-области, а также область поглощения падающего света.
Ширина обёдненной области зависит от концентрации легирующих примесей: чем меньше примесей, тем шире обеднённый слой. Положение и ширина поглощающей области зависит от длины волны падающего света и материала, из которого изготовлен фотодиод. Чем сильнее поглощается свет, тем тоньше поглощающая область. Когда поглощаются фотоны, электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости и образуются электронно-дырочные пары. Если такие пары создаются в обеднённой области, то электроны и дырки под влиянием сильного поля в этой области будут быстро дрейфовать в обе стороны (электроны в n-слой, а дырки в p-слой) и в цепи смещения возникнет ток. Если электронно-дырочная пара образуется вне обеднённой области, то дырка вначале диффундирует в направлении градиента концентрации, а уже затем попадёт на внешний контакт. Так как процесс диффузии по сравнению с дрейфом происходит медленнее, то желательно, чтобы большая часть света поглощалась в обеднённой области. Увеличение этой области достигается уменьшением концентрации легирующей примеси в n-слое. Слабо легированный n-слой можно считать теперь собственным, т.е. i-слоем (от англ. intrisic – собственный). Если теперь добавить сильно легированную n-область, то получим известную p-i-n-структуру.

5.1.5 р-i-n-фотодиод

На практике используется два типа фотодиодов. Первый из них – p-i-n-фотодиод – получил своё название благодаря структуре слоёв полупроводниковых материалов, из которых он образован. На рисунке 5.6 приведена структура продольного сечения такого устройства, на котором обозначены:


Рисунок 5.6 – Структура продольного сечения p-i-n-фотодиода

1 – тонкий слой полупроводника p-типа с концентрацией основных носителей (дырок) Nр на несколько порядков выше, чем у собственного полупроводника;
2 – слой собственного полупроводника i-типа (обеднённый слой);
3 – слой полупроводника n-типа с концентрацией основных носителей (электронов) Nn на несколько порядков выше, чем у собственного полупроводника;
4 – изолирующий слой SiO2;
5 – отрицательный контакт, обеспечивающий подачу отрицательного потенциала на полупроводниковый слой 1;
6 – просветляющее покрытие, нанесённое на внешнюю поверхность слоя 1, представляет собой тонкую плёнку вещества толщиной λ/4, что уменьшает потери на отражение;
7 – положительный контакт, нанесённый на внешнюю поверхность слоя 3.

Оптическое излучение проникает внутрь ФД через просветляющее покрытие 6 и область 1. Здесь поглощение фотонов практически не происходит, поскольку за счёт высокой концентрации основных носителей (дырок) в слое 1 все верхние энергетические уровни валентной зоны лишены электронов, поэтому фотон не может перевести электрон в зону проводимости, не создаёт электронно-дырочную пару.
Из-за существенной разности в концентрациях носителей проводимость слоя 2 оказывается значительно ниже, чем у первого и третьего. С точки зрения теории цепей это означает, что напряжение U на контактах 5 и 7 оказывается практически полностью приложенным к границам области 2.
Поглощение фотонов и рождение электронно-дырочных пар происходит именно в слое 2, где фотоны эффективно поглощаются за счёт того, что верхние энергетические уровни валентной зоны практически полностью заселены электронами. Это обусловлено малым значением концентрации основных носителей (дырок). Электрическое поле выводит появившиеся носители тока к областям 1 и 3.
Ширина слоя 2 выбирается, исходя из следующих соображений:
— все влетевшие в неё фотоны должны быть поглощены, что обеспечивает максимально возможное значение фототока – для этого ширину слоя необходимо увеличивать;
— созданные электронно-дырочные пары за возможно более короткий интервал времени должны достигнуть областей 1 и 3, что обеспечивает максимальное быстродействие фотодиода – для этого ширину слоя 2 необходимо уменьшать. Видно, что эти два требования альтернативны. На практике при разработке ФД всегда выбирают компромиссный вариант.
Конструктивно p-i-n — ФД выполняется так, чтобы максимально уменьшить долю поглощения света вне i-слоя. С этой целью переход формируют у самой поверхности кристалла.
Как правило, ФД подключается ко входу усилителя фототока. Быстродействие всего фотоприёмника в целом определяется электрическими параметрами ФД. Созданные за счёт поглощения фотонов носители тока, двигаясь к внешним контактам 5 и 7, накапливаются на краях области 2, поскольку за её пределами ускоряющее поле практически отсутствует.
Процесс образования носителей тока в p-i-n — ФД, включение его в цепь и распределение напряжённости электрического поля показаны на рисунке 5.7.


Рисунок 5.7 – Процесс образования носителей тока в p-i-n-фотодиоде, возникновение фототока и распределение электрического поля в структуре

ФФД при фотовольтаическом эффекте может быть представлен эквивалентной схемой, в которой этот процесс учитывается введением ёмкости перехода CД (рисунок 5.8). Она шунтирует активное сопротивление перехода RД и, в конечном итоге, определяет быстродействие фотоприёмника.


Рисунок 5.8 – Эквивалентная схема фотодетектора

Рассмотренный p-i-n-фотодиод работает при напряжениях смещения U меньше пробивного напряжения Uпр

Следует отметить, что p-i-n — ФД просты по своей структуре, обладают высоким быстродействием, хорошей линейностью в широком динамическом диапазоне (от нескольких пиковатт до десятков милливатт), просты в эксплуатации и дёшевы. В настоящее время они обеспечивают детектирование оптических сигналов, модулируемых частотами гигагерцового диапазона.

5.1.6 Лавинный фотодиод

Предельная чувствительность p-i-n-фотодиода определяется хаотическими флуктуациями напряжения и тока на выходе, которые имеются как в присутствии оптического сигнала, так и без него. В случае p-i-n-диода – это тепловой и дробовой шум и шум темнового тока. Значительного увеличения пороговой чувствительности можно добиться в лавинных фотодиодах (ЛФД), работа которых основана на лавинном умножении носителей, так как в этом случае возникает внутреннее усиление. Конечно, при этом умножатся шумы диода, но суммарный эффект останется положительным, Такое умножение можно получить в лавинном процессе при высоких значениях электрического поля в лавинном фотодиоде. Структура продольного сечения ЛФД показан на рисунке 5.9.


Рисунок 5.9 – Структура продольного сечения ЛФД

Особенностью ЛФД является наличие защитного кольца в виде глубоко диффундированной n-области на краю n + -p-перехода. Защитное кольцо уменьшает ток утечки вблизи краёв перехода и предотвращает низковольтный пробой.
Структура материалов, образующих ЛФД, его топологическая схема и технология изготовления обеспечивают работоспособность устройства в таком режиме. Процесс образования носителей в ЛФД, включение его в цепь, возникновение фототока и распределение напряженности электрического поля показаны на рисунке 5.10.


Рисунок 5.10 – Процесс образования носителей тока в ЛФД, возникновение фототока и распределение электрического поля в структуре

Допустим, что смещение достигает величины, при которой в запирающем p-n + -слое электрическое поле превысит значение критической напряженности Eкр. Тогда образованные фотонами первичные электроны и дырки получают энергию, достаточную для того, чтобы посредством ударной ионизации образовывать новые пары носителей.
Это умножение носителей происходит в довольно узкой области δ вблизи пика электрического поля. Первичные электроны и дырки на длине свободного пробега в кристаллической решётке получают от электрического поля кинетическую энергию, равную ширине запрещённой зоны. Вторичные носители заряда, в свою очередь, способствуют ударной ионизации и образованию новых пар. Таким образом, первоначально слабый фототок возрастает лавинообразно. Рассмотренный ЛФД работает при напряжениях смещения U больше критического напряжения Uкр, соответствующего критической напряжённости Eкр:

В отличие от p-i-n — ФД у ЛФД поглощение фотона приводит к появлению не одной электронно-дырочной пары, а М пар. Величина М называется коэффициентом лавинного умножения. Поэтому увеличение тока можно охарактеризовать с помощью этого коэффициента.
Для обычного р-n-перехода коэффициент лавинного умножения, равный кратности увеличения фототока, определяется по формуле:

где U – внешнее смещение;
Uкр – критическое напряжение перехода;
γ = 1,5 – 4 для кремния и γ = 2,5 – 9 для германия.
Если бы процесс лавинного умножения был определенным, то каждая первичная электронно-дырочная пара создавала М вторичных пар. На самом деле в реальном ЛФД умножение не определённое, то есть каждая первичная пара порождает случайное число вторичных пар, среднее число которых может быть равно , однако мгновенное изменения М могут быть большими. Тогда лавинный ток будет:

Величина имеет порядок 10–100. Конструктивно ЛФД существенно сложней p-i-n — ФД. Кроме того, для создания условий лавинообразного размножения носителей требуется существенно увеличить размеры обеднённой области. При больших U сильные токи приводят к разогреву полупроводника, что увеличивает темновой ток и уменьшает фототок (электрический пробой переходит в тепловой). Проигрывает ЛФД и по шумовым характеристикам. Это объясняется тем, что процесс образования лавины носит случайный характер и является дополнительным источником шума. Из-за сильной зависимости M(U) использование ЛФД затрудняется необходимостью применения высокостабильного напряжения. Однако ЛФД значительно превосходит p-i-n — ФД по чувствительности.

5.1.7 Параметры фотодиода

а) Квантовая эффективность η.
Как правило, не все поглощенные кванты света приводят к появлению электроно-дырочной пары. Этот факт необходимо учитывать коэффициентом, характеризующим эффективность преобразования фотонов в электрический ток, или так называемой квантовой эффективностью (квантовым выходом) фотодетектора.
Квантовой эффективностью (выходом) фотодиода называется отношение числа рождающихся в секунду электронов к числу фотонов, падающих на ФД:

где Iф – фототок;
e – заряд электрона;
h – постоянная Планка;
ν – частота излучения;
P – мощность оптического излучения.
Таким образом, средний ток, протекающий через нагрузку, определяется соотношением

На рисунке 5.11 приведена зависимость квантовой эффективности η для германиевого и кремниевого ФД от длины волны λ.


Рисунок 5.11 – Зависимость квантовой эффективности от длины волны для германиевого и кремниевого фотодиодов

Для образования электронно-дырочной пары энергия поглощаемого кванта должна быть достаточной для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости, т.е. должно выполняться условие hν ≥ Eз.
Фотодиоды, выполненные из германия, работают при длинах волн короче 1,8мкм, из кремния – при длинах волн короче 1,2мкм, из арсенида галлия – до 0,87мкм.

б) Токовая чувствительность (монохроматическая) S.
Токовая чувствительность S (А/Вт) определяется как

где Iф – фототок (А);
P(λ) – полная оптическая мощность излучения на длине волны λ, падающего на фоточувствительную площадку (Вт).

С учётом того, что Iф = eηP/(hν), получаем

Отсюда следует, что чувствительность тем выше, чем больше квантовый выход η, т.е. чем больше доля светового потока используется для создания электронно-дырочных пар.
Токовая чувствительность характеризует фотоприёмник при низких частотах модуляции.

в) Темновой ток IT.
При обратном смещении через нагрузку в отсутствии падающего на фотодиод излучения протекает темновой ток IT(нА). Его величина зависит от материала полупроводника, температуры окружающей среды, конструкции фотодетектора. Этот ток добавляется к току полезного сигнала, когда на фотодиод поступает свет.
Значения этого тока утечки достигает единиц наноампера.

г) Время нарастания τнар (спада τспад).
Это самая важная динамическая характеристика ФД. Она определяется как время, необходимое выходному сигналу, чтобы возрасти от уровня 0,1 до 0,9 (снизиться от 0,9 до 0,1) от установившегося максимального значения при условии, что на вход подаются строго прямоугольные импульсы света большой длительности. Эти времена зависят от структуры ФД, материала, напряжённости электрического поля в слаболегированной области и температуры. Максимальная из двух величин (обычно τнар) берётся в качестве характеристики времени отклика ФД. С увеличением частоты модуляции входных оптических импульсов максимальное значение фототока уменьшается. Предельная частота определяется как частота модуляции, при которой токовая чувствительность составляет 0,707 от значения токовой чувствительности при низких частотах модуляции.
На полосу пропускания или скорость передачи влияют, главным образом, времена нарастания и спада. Различные ФД могут очень сильно отличаться по быстродействию (таблица 5.1).

Таблица 5.1. Типовые характеристики фотодетекторов

Фотодетектор Токовая чувствительность,
А/Вт
Темновой ток, нА Время нарастания, нс
p-i-n- ФД (InGaAs) 0,8 0,1 – 3 0,01 – 5
p-i-n- ФД (Si) 0,5 10 0,1 – 5
ЛФД (InGaAs) 20 – 60 30 0,3
ЛФД (Si) 20 – 60 400 0,3 – 1

Наиболее быстрыми являются p-i-n-ФД. У ЛФД увеличение коэффициента умножения сопровождается уменьшением быстродействия по сравнению с p-i-n-ФД.

д) Шумы ФД.
Шумом называется любое возмущение электрического или оптического характера, отличное от полезного сигнала. Шум является неустранимым эффектом, который серьезно ограничивает чувствительность детектора.
Как известно в основе работы детектора лежит генерация электрического тока, обусловленная падающими фотонами. От него требуется улавливание даже очень слабого оптического сигнала и генерация заметного электрического тока. Однако в действительности электрический сигнал может быть достаточно слабым.
Сигнал несёт полезную информацию, а шум является чем-то дополнительным и бесполезным. Хотя, шум присутствует во всех частях коммуникационной системы, особенно важен его уровень на входе в приёмное устройство. Причина в том, что приёмное устройство работает со слабым сигналом, потерявшим свою первоначальную мощность при передаче. Поэтому, шум становится заметным на фоне слабого сигнала. Того же уровня шум в передающем устройстве обычно не существенен, поскольку здесь уровень сигнала намного выше. Итак, шум оказывает существенное влияние на порог чувствительности детекторов. Слишком слабый оптический сигнал невозможно различить на фоне шума, для этого необходимо либо уменьшить уровень шума, либо усилить сигнал.
В процессе усиления в приёмном устройстве усиливается не только сигнал, но и шум. Некоторые виды шума можно отфильтровать с помощью электронных фильтров.
Различают следующие виды шумов.

Дробовой шум. Дробовой шум возникает вследствие дискретной природы электронов. Электрический ток не является непрерывным однородным потоком. Это поток отдельных дискретных зарядов электронов. Напомним, что фотодиод работает благодаря поглощению фотонов, которые инициируют появление электронно-дырочных пар, а те, в свою очередь, ? тока во внешней цепи. Это трехступенчатый процесс: фотон, электрон-дырка, электрон. Падение и поглощение каждого фотона и генерация пары носителей являются частями случайного процесса. Он протекает как серия дискретных событий, а не плавно текущий однородный поток. Таким образом, ток флуктуирует в зависимости от того, насколько много и насколько мало электронно-дырочных пар возникло в данный момент времени.
Дробовой шум присутствует и тогда, когда свет не падает на детектор. Даже в отсутствие света малый ток генерируется за счёт тепловых флуктуаций, причём его уровень увеличивается примерно на 10% при росте температуры на один градус. Типичное значение шумового тока составляет 25нА при 25 o С . Дробовой шум определяется выражением

где е – заряд электрона;
Iфср – среднее значение (постоянная составляющая) фототока (включая фоновый ток и ток сигнала);
Δf – ширина частотной полосы приёмника.
Из уравнения (5.12) видно, что дробовой шум увеличивается при росте тока и ширины полосы. Дробовой шум минимален, когда присутствует только фоновый ток и растёт при возникновении тока, возбуждаемого оптическим сигналом. Детектор с уровнем фонового тока 2нА, работающий в частотной полосе 10МГц, имеет дробовой шум на уровне 80пА:

Тепловой шум. Тепловой шум возникает благодаря флуктуациям сопротивления детектора. Электроны в пространстве между электродами ведут себя хаотично. Их тепловая энергия позволяет им случайным образом смещаться. В каждый момент времени суммарный поток случайного теплового движения электронов может быть направлен к одному либо к другому электроду. Таким образом, появляется постоянно меняющийся случайный ток, изменяющий сигнал. Тепловой ток задаётся выражением

где k – постоянная Больцмана;
T – температура в градусах Кельвина;
Δf – ширина частотной полосы приёмника;
R1 – активное сопротивление нагрузки ФД, включающее активное сопротивление диода R.
Рассмотрим нагрузку R1=510Ом, работающую при температуре 298К. Предположим ширину полосы в 10МГц . Тепловой шум равен:

Тепловой и дробовой шумы в ФД определяются структурой вещества и могут быть уменьшены при улучшении устройства детектора, но избавиться от них полностью невозможно. Любой сигнал – оптический, электрический или звуковой – обязательно существует совместно с шумом. После приёма, на стадии следующей после детектирования, происходит усиление сигнала совместно с шумом. Таким образом, сигнал должен быть существенно больше шума. Если амплитуда сигнала равна амплитуде шума, то это следствие плохого детектирования. При адекватном детектировании амплитуда сигнала должна минимум в два раза превосходить амплитуду шума.

Шумы темнового тока. Ранее было отмечено, что даже при отсутствии падающего на фотодиод излучения (Р=0) через ФД протекает темновой ток. Его характер также случаен и он является дополнительным источником шума, который подобен квантовому. Величина среднеквадратичного значения шумовой составляющей темнового тока IшT определяется его средним значением IT следующим образом:

Фотодетектор с уровнем темнового тока 10нА, работающий в полосе 10МГц, имеет шум темнового тока

Таким образом, полный шумовой ток определяется как среднее квадратичное дробового, теплового и темнового тока:

Источник

5.1 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОДИОДЫ (ФД)

Функция детектора волоконно-оптической системы передачи сводится к преобразованию входного оптического сигнала в электрический, который затем подвергается усилению и обработке электронными схемами фотоприёмника. Предназначенный для этих целей фотодетектор должен точно воспроизводить форму оптического сигнала, не внося дополнительного шума.
Поэтому основными требованиями к фотодетектору являются:

  • высокая чувствительность на рабочей длине волны;
  • широкополосность;
  • большой динамический диапазон;
  • малые уровни шумов;
  • нечувствительность к изменениям параметров внешней среды;
  • хорошая надёжность;
  • малогабаритность;
  • большой срок службы;
  • низкая стоимость.

Наиболее полно указанным требованиям удовлетворяют полу-проводниковые фотодиоды.
Фотоэлектрическое преобразование позволяет осуществлять дальнейшую обработку информации на основе электронных схем, возможности которых при всех прочих равных условиях ограничены соотношением сигнала к шуму на входе электронного тракта, следующего за фотодетектором. Селективные фотоприёмники позволяют увеличить объём передачи информации на нескольких близких несущих частотах. Ширина полосы спектральной чувствительности фотоприёмников Δλ, определяющая их селективность, должна совпадать с шириной полосы источников излучения.
В полупроводниковых фотоприёмниках иcпользуют две формы внутреннего фотоэффекта:

  • фотопроводимость или увеличение проводимости образца под влиянием освещения в области спектральной чувствительности полупроводника;
  • фотовольтаический эффект, обусловленный тем, что поле p-n-перехода пространственно разделяет генерируемые светом электроны и дырки и создаёт тем самым между смежными областями кристалла полупроводника фото-ЭДС, благодаря чему по нагрузке во внешней цепи течёт фототок.

Для создания чувствительных и быстродействующих фотодетекторов можно использовать как внешний, так и внутренний фотоэффекты. Внешний фотоэффект используется в вакуумных приборах – фотоэлементах, когда падающий на катод свет вызывает эмиссию электронов. При внутреннем фотоэффекте (но только при фотовольтаическом эффекте) в области p-n-перехода полупроводника образуются носители заряда внутри полупроводника.

5.1.1 Принцип действия фотодиода

Существуют материалы, носители заряда в которых не проводят ток в отсутствие воздействия светового потока. Это происходит по ряду причин: либо носители заряда находятся в зоне, где они не могут принимать участие в проводимости (например, в заполненной валентной зоне), либо они блокированы потенциальным барьером, как в детекторе Шоттки, или захвачены связанными квантовыми состояниями. В основе работы ФД лежит эффект поглощения фотонов в полупроводниковом материале и рождение за счёт этого электронно-дырочных пар. Это происходит благодаря переходу электронов из валентной зоны на более высокий энергетический уровень в зону проводимости
Если на переход не подано внешнее напряжение и цепь разомкнута (рисунок 5.1), то освещение приводит к накопление фотоэлектронов в n-области и дырок в р-области. В результате образуется разность потенциалов Uф , т.е. появляется фото-ЭДС. Если внешняя цепь замкнута, то возникает фототок. В таких условиях диод работает как фотоэлемент.


Рисунок 5.1 – Процесс перехода электрона в зону проводимости

Для регистрации потока фотонов необходимы условия, при которых электронно-дырочные пары не рекомбинируют за счёт перехода электрона обратно в валентную зону. Эти условия в ФД создаются внутренним электрическим полем перехода. Известно, что в области перехода концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне меньше, чем в прилегающих полупроводниках n- и p-типа, соответственно. Поэтому область в окрестности перехода называется обеднённым слоем. Именно здесь вероятность поглощения фотона велика, а среднее время, за которое созданная электронно-дырочная пара рекомбинирует, может быть сделано большим.
Процессу разделения подвергаются носители заряда, генерируемые в обеднённой области перехода и прилегающей к ней областях размером, примерно равным диффузионной длине неосновных носителей. Только с расстояния, меньшего диффузионной длины, неосновной носитель в процессе движения успевает пересечь границу перехода за время жизни.
Неосновные носители, генерируемые в р- и n-областях на большом расстоянии от границы перехода, вследствие рекомбинации не попадают в обеднённую область, где сосредоточено электрическое поле перехода. На рисунке 5.2 показана зонная диаграмма энергетических уровней электрона при обратном смещении.


Рисунок 5.2 – Зонная диаграмма энергетических уровней электронов для р-n-перехода при обратном смещении U

Обеднённый слой не имеет свободных носителей, поэтому его сопротивление очень велико, и практически всё падение напряжения приходится на область контакта. В результате электрические силы очень велики в области контакта и пренебрежимо малы в других областях.
За счёт напряжения смещения U возникает дополнительное ускоряющее электрическое поле, которое действует на электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне и перемещает носители, появившиеся при поглощении фотона, улучшая тем самым характеристики фотодиода. В результате электроны дрейфуют в n-область, а дырки – в p-область, где вероятность их рекомбинации мала. Величина приложенного напряжения напрямую связана с напряжённостью электрического поля, а, следовательно, и с кулоновской силой, действующей на заряженные частицы.
В конечном итоге напряжение смещения U определяет скорость их движения через обеднённую область. Эта скорость должна быть выбрана так, чтобы время пролёта частиц до внешних контактов ФД было бы существенно меньше, чем среднее время рекомбинации. Тогда практически все электронно-дырочные пары, появившиеся вследствие поглощения фотонов, участвуют в формировании фототока. Те носители, которые достигают обеднённой области быстро проходят её под действием сильного электрического поля, возбуждая при этом ток во внешней цепи. Данный ток возникает со сдвигом во времени по сравнению с поглощением фотона. Сдвиг во времени определяется первоначальным медленным диффузионным движением носителей по направлению к обеднённой области.
В идеальном фотодиоде весь падающий свет поглощается в обеднённом слое, и все рождающиеся носители собираются на контактах. Тогда фототок под действием оптической мощности P определяется из выражения

где Р – оптическая мощность;
Eф– фото-ЭДС;
e – заряд электрона.
На практике, конечно, часть падающего света отражается.

5.1.2 «Красная граница» фотоэффекта

При выборе ФД для ВОЛС необходимо учитывать зависимость его спектральной чувствительности от длины волны λ источника света. Выбранный ФД сохраняет способность реагировать на оптическое излучение до тех пор, пока энергия фотонов, составляющих это излучение, достаточна для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости (рисунок 5.3).


а–при «зона – зонном» возбуждении; б–в результате возбуждения с участием донорных и акцепторных уровней; в–при внутризонных переходах
Рисунок 5.3 – Зонная структура, иллюстрирующая процессы поглощения при различных возбуждениях

Для каждого из этих переходов требуется некоторая минимальная энергия фотона, поэтому каждый тип фотоприёмника имеет длинноволновую границу, определяемую выбранным материалом

где Eз[эВ]=Eп-Eв – ширина запрещенной зоны, или энергетический зазор при переходе «зона–зона» или «примесный уровень–зона».
Выражение (5.3) определяет так называемую «красную границу» λпор для ФД, выполненного из полупроводникового материала. При λ>λпор он не реагирует на оптическое излучение.
Основным видом фотопроводимости является собственная фотопроводимость, обусловленная внутренним фотоэффектом, при котором изменение электропроводности происходит вследствие оптического возбуждения носителей заряда из связанных состояний в свободные и соответственного увеличения концентрации электронов в зоне проводимости или дырок в валентной зоне.
Фотопроводимость может возникнуть так же за счёт оптических переходов между двумя связанными состояниями (примесная фото-проводимость). Примесная фотопроводимость может быть индуцирована в полупроводнике при освещении его коротковолновым светом соответствую-щей области собственного поглощения. Это явление может наблюдаться в полупроводнике, содержащем донорные и акцепторные примеси.
Как правило, собственная фотопроводимость значительно сильнее примесной. Поэтому «красная граница» определяется шириной запрещённой зоны применяемого полупроводника.
Поглощение приводит к экспоненциальному уменьшению мощности излучения

где х – глубина поглощения;
α – коэффициент поглощения, характеризующий материал.

Для изготовления ФД часто используют кремний (Si), германий (Ge) и комбинированные соединения типа InGaAs. Кремниевые ФД имеют «красную границу» в области λ = 1мкм и поэтому редко используются в ВОЛС, в которых наиболее часто применяют источники света с длиной волны λ = 1,3мкм и λ = 1,55мкм. В последнее время, благодаря новейшим достижениям в области технологии, получили широкое применение приборы на основе комбинированных соединений. Их характеристики оптимизируются специально для использования совместно с определённым типом волоконного световода и источником. Широко применяется полупроводник типа InGaAsP в спектральном диапазоне 0,98 – 1,6мкм для создания высокоскоростных ФД.

5.1.3 Вольт-амперные характеристики ФД

На рисунке 5.4 показаны вольт-амперные характеристики ФД в области прямого и обратного смещения p-n-перехода.


Рисунок 5.4 – Вольт-амперные характеристики фотодиода

Как видим, фототок может уже возникать за счёт вольтаического эффекта даже при нулевом смещении (конечно при наличии оптической мощности (P). Здесь изображены три ветви характеристики, соответствующие различным значениям оптической мощности на фоточувствительной площадке. Видно, что увеличение светового потока вызывает увеличение фототока. Следует отметить, что при отсутствии оптической мощности (P=0), ток через ФД не исчезает полностью. Этот ток называется темновым и обычно имеет значение IT∼10 -9 −10 -7 . Величина его является важным параметром ФД, поскольку, как это будет ясно из дальнейшего изложения, IT определяет значительную долю шумов оптического тракта. Фототок может значительно превышать темновой ток.

5.1.4 p-n-фотодиод

Схема фотодиода p-n-типа приведена на рисунке 5.5.


Рисунок 5.5 – Процесс образования носителей тока в p-n-фотодиоде

Диод имеет обеднённую область, образованную неподвижными положительно заряженными атомами донора в n-области перехода и неподвижными отрицательно заряженными атомами акцептора в р-области, а также область поглощения падающего света.
Ширина обёдненной области зависит от концентрации легирующих примесей: чем меньше примесей, тем шире обеднённый слой. Положение и ширина поглощающей области зависит от длины волны падающего света и материала, из которого изготовлен фотодиод. Чем сильнее поглощается свет, тем тоньше поглощающая область. Когда поглощаются фотоны, электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости и образуются электронно-дырочные пары. Если такие пары создаются в обеднённой области, то электроны и дырки под влиянием сильного поля в этой области будут быстро дрейфовать в обе стороны (электроны в n-слой, а дырки в p-слой) и в цепи смещения возникнет ток. Если электронно-дырочная пара образуется вне обеднённой области, то дырка вначале диффундирует в направлении градиента концентрации, а уже затем попадёт на внешний контакт. Так как процесс диффузии по сравнению с дрейфом происходит медленнее, то желательно, чтобы большая часть света поглощалась в обеднённой области. Увеличение этой области достигается уменьшением концентрации легирующей примеси в n-слое. Слабо легированный n-слой можно считать теперь собственным, т.е. i-слоем (от англ. intrisic – собственный). Если теперь добавить сильно легированную n-область, то получим известную p-i-n-структуру.

5.1.5 р-i-n-фотодиод

На практике используется два типа фотодиодов. Первый из них – p-i-n-фотодиод – получил своё название благодаря структуре слоёв полупроводниковых материалов, из которых он образован. На рисунке 5.6 приведена структура продольного сечения такого устройства, на котором обозначены:


Рисунок 5.6 – Структура продольного сечения p-i-n-фотодиода

1 – тонкий слой полупроводника p-типа с концентрацией основных носителей (дырок) Nр на несколько порядков выше, чем у собственного полупроводника;
2 – слой собственного полупроводника i-типа (обеднённый слой);
3 – слой полупроводника n-типа с концентрацией основных носителей (электронов) Nn на несколько порядков выше, чем у собственного полупроводника;
4 – изолирующий слой SiO2;
5 – отрицательный контакт, обеспечивающий подачу отрицательного потенциала на полупроводниковый слой 1;
6 – просветляющее покрытие, нанесённое на внешнюю поверхность слоя 1, представляет собой тонкую плёнку вещества толщиной λ/4, что уменьшает потери на отражение;
7 – положительный контакт, нанесённый на внешнюю поверхность слоя 3.

Оптическое излучение проникает внутрь ФД через просветляющее покрытие 6 и область 1. Здесь поглощение фотонов практически не происходит, поскольку за счёт высокой концентрации основных носителей (дырок) в слое 1 все верхние энергетические уровни валентной зоны лишены электронов, поэтому фотон не может перевести электрон в зону проводимости, не создаёт электронно-дырочную пару.
Из-за существенной разности в концентрациях носителей проводимость слоя 2 оказывается значительно ниже, чем у первого и третьего. С точки зрения теории цепей это означает, что напряжение U на контактах 5 и 7 оказывается практически полностью приложенным к границам области 2.
Поглощение фотонов и рождение электронно-дырочных пар происходит именно в слое 2, где фотоны эффективно поглощаются за счёт того, что верхние энергетические уровни валентной зоны практически полностью заселены электронами. Это обусловлено малым значением концентрации основных носителей (дырок). Электрическое поле выводит появившиеся носители тока к областям 1 и 3.
Ширина слоя 2 выбирается, исходя из следующих соображений:
— все влетевшие в неё фотоны должны быть поглощены, что обеспечивает максимально возможное значение фототока – для этого ширину слоя необходимо увеличивать;
— созданные электронно-дырочные пары за возможно более короткий интервал времени должны достигнуть областей 1 и 3, что обеспечивает максимальное быстродействие фотодиода – для этого ширину слоя 2 необходимо уменьшать. Видно, что эти два требования альтернативны. На практике при разработке ФД всегда выбирают компромиссный вариант.
Конструктивно p-i-n — ФД выполняется так, чтобы максимально уменьшить долю поглощения света вне i-слоя. С этой целью переход формируют у самой поверхности кристалла.
Как правило, ФД подключается ко входу усилителя фототока. Быстродействие всего фотоприёмника в целом определяется электрическими параметрами ФД. Созданные за счёт поглощения фотонов носители тока, двигаясь к внешним контактам 5 и 7, накапливаются на краях области 2, поскольку за её пределами ускоряющее поле практически отсутствует.
Процесс образования носителей тока в p-i-n — ФД, включение его в цепь и распределение напряжённости электрического поля показаны на рисунке 5.7.


Рисунок 5.7 – Процесс образования носителей тока в p-i-n-фотодиоде, возникновение фототока и распределение электрического поля в структуре

ФФД при фотовольтаическом эффекте может быть представлен эквивалентной схемой, в которой этот процесс учитывается введением ёмкости перехода CД (рисунок 5.8). Она шунтирует активное сопротивление перехода RД и, в конечном итоге, определяет быстродействие фотоприёмника.


Рисунок 5.8 – Эквивалентная схема фотодетектора

Рассмотренный p-i-n-фотодиод работает при напряжениях смещения U меньше пробивного напряжения Uпр

Следует отметить, что p-i-n — ФД просты по своей структуре, обладают высоким быстродействием, хорошей линейностью в широком динамическом диапазоне (от нескольких пиковатт до десятков милливатт), просты в эксплуатации и дёшевы. В настоящее время они обеспечивают детектирование оптических сигналов, модулируемых частотами гигагерцового диапазона.

5.1.6 Лавинный фотодиод

Предельная чувствительность p-i-n-фотодиода определяется хаотическими флуктуациями напряжения и тока на выходе, которые имеются как в присутствии оптического сигнала, так и без него. В случае p-i-n-диода – это тепловой и дробовой шум и шум темнового тока. Значительного увеличения пороговой чувствительности можно добиться в лавинных фотодиодах (ЛФД), работа которых основана на лавинном умножении носителей, так как в этом случае возникает внутреннее усиление. Конечно, при этом умножатся шумы диода, но суммарный эффект останется положительным, Такое умножение можно получить в лавинном процессе при высоких значениях электрического поля в лавинном фотодиоде. Структура продольного сечения ЛФД показан на рисунке 5.9.


Рисунок 5.9 – Структура продольного сечения ЛФД

Особенностью ЛФД является наличие защитного кольца в виде глубоко диффундированной n-области на краю n + -p-перехода. Защитное кольцо уменьшает ток утечки вблизи краёв перехода и предотвращает низковольтный пробой.
Структура материалов, образующих ЛФД, его топологическая схема и технология изготовления обеспечивают работоспособность устройства в таком режиме. Процесс образования носителей в ЛФД, включение его в цепь, возникновение фототока и распределение напряженности электрического поля показаны на рисунке 5.10.


Рисунок 5.10 – Процесс образования носителей тока в ЛФД, возникновение фототока и распределение электрического поля в структуре

Допустим, что смещение достигает величины, при которой в запирающем p-n + -слое электрическое поле превысит значение критической напряженности Eкр. Тогда образованные фотонами первичные электроны и дырки получают энергию, достаточную для того, чтобы посредством ударной ионизации образовывать новые пары носителей.
Это умножение носителей происходит в довольно узкой области δ вблизи пика электрического поля. Первичные электроны и дырки на длине свободного пробега в кристаллической решётке получают от электрического поля кинетическую энергию, равную ширине запрещённой зоны. Вторичные носители заряда, в свою очередь, способствуют ударной ионизации и образованию новых пар. Таким образом, первоначально слабый фототок возрастает лавинообразно. Рассмотренный ЛФД работает при напряжениях смещения U больше критического напряжения Uкр, соответствующего критической напряжённости Eкр:

В отличие от p-i-n — ФД у ЛФД поглощение фотона приводит к появлению не одной электронно-дырочной пары, а М пар. Величина М называется коэффициентом лавинного умножения. Поэтому увеличение тока можно охарактеризовать с помощью этого коэффициента.
Для обычного р-n-перехода коэффициент лавинного умножения, равный кратности увеличения фототока, определяется по формуле:

где U – внешнее смещение;
Uкр – критическое напряжение перехода;
γ = 1,5 – 4 для кремния и γ = 2,5 – 9 для германия.
Если бы процесс лавинного умножения был определенным, то каждая первичная электронно-дырочная пара создавала М вторичных пар. На самом деле в реальном ЛФД умножение не определённое, то есть каждая первичная пара порождает случайное число вторичных пар, среднее число которых может быть равно , однако мгновенное изменения М могут быть большими. Тогда лавинный ток будет:

Величина имеет порядок 10–100. Конструктивно ЛФД существенно сложней p-i-n — ФД. Кроме того, для создания условий лавинообразного размножения носителей требуется существенно увеличить размеры обеднённой области. При больших U сильные токи приводят к разогреву полупроводника, что увеличивает темновой ток и уменьшает фототок (электрический пробой переходит в тепловой). Проигрывает ЛФД и по шумовым характеристикам. Это объясняется тем, что процесс образования лавины носит случайный характер и является дополнительным источником шума. Из-за сильной зависимости M(U) использование ЛФД затрудняется необходимостью применения высокостабильного напряжения. Однако ЛФД значительно превосходит p-i-n — ФД по чувствительности.

5.1.7 Параметры фотодиода

а) Квантовая эффективность η.
Как правило, не все поглощенные кванты света приводят к появлению электроно-дырочной пары. Этот факт необходимо учитывать коэффициентом, характеризующим эффективность преобразования фотонов в электрический ток, или так называемой квантовой эффективностью (квантовым выходом) фотодетектора.
Квантовой эффективностью (выходом) фотодиода называется отношение числа рождающихся в секунду электронов к числу фотонов, падающих на ФД:

где Iф – фототок;
e – заряд электрона;
h – постоянная Планка;
ν – частота излучения;
P – мощность оптического излучения.
Таким образом, средний ток, протекающий через нагрузку, определяется соотношением

На рисунке 5.11 приведена зависимость квантовой эффективности η для германиевого и кремниевого ФД от длины волны λ.


Рисунок 5.11 – Зависимость квантовой эффективности от длины волны для германиевого и кремниевого фотодиодов

Для образования электронно-дырочной пары энергия поглощаемого кванта должна быть достаточной для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости, т.е. должно выполняться условие hν ≥ Eз.
Фотодиоды, выполненные из германия, работают при длинах волн короче 1,8мкм, из кремния – при длинах волн короче 1,2мкм, из арсенида галлия – до 0,87мкм.

б) Токовая чувствительность (монохроматическая) S.
Токовая чувствительность S (А/Вт) определяется как

где Iф – фототок (А);
P(λ) – полная оптическая мощность излучения на длине волны λ, падающего на фоточувствительную площадку (Вт).

С учётом того, что Iф = eηP/(hν), получаем

Отсюда следует, что чувствительность тем выше, чем больше квантовый выход η, т.е. чем больше доля светового потока используется для создания электронно-дырочных пар.
Токовая чувствительность характеризует фотоприёмник при низких частотах модуляции.

в) Темновой ток IT.
При обратном смещении через нагрузку в отсутствии падающего на фотодиод излучения протекает темновой ток IT(нА). Его величина зависит от материала полупроводника, температуры окружающей среды, конструкции фотодетектора. Этот ток добавляется к току полезного сигнала, когда на фотодиод поступает свет.
Значения этого тока утечки достигает единиц наноампера.

г) Время нарастания τнар (спада τспад).
Это самая важная динамическая характеристика ФД. Она определяется как время, необходимое выходному сигналу, чтобы возрасти от уровня 0,1 до 0,9 (снизиться от 0,9 до 0,1) от установившегося максимального значения при условии, что на вход подаются строго прямоугольные импульсы света большой длительности. Эти времена зависят от структуры ФД, материала, напряжённости электрического поля в слаболегированной области и температуры. Максимальная из двух величин (обычно τнар) берётся в качестве характеристики времени отклика ФД. С увеличением частоты модуляции входных оптических импульсов максимальное значение фототока уменьшается. Предельная частота определяется как частота модуляции, при которой токовая чувствительность составляет 0,707 от значения токовой чувствительности при низких частотах модуляции.
На полосу пропускания или скорость передачи влияют, главным образом, времена нарастания и спада. Различные ФД могут очень сильно отличаться по быстродействию (таблица 5.1).

Таблица 5.1. Типовые характеристики фотодетекторов

Фотодетектор Токовая чувствительность,
А/Вт
Темновой ток, нА Время нарастания, нс
p-i-n- ФД (InGaAs) 0,8 0,1 – 3 0,01 – 5
p-i-n- ФД (Si) 0,5 10 0,1 – 5
ЛФД (InGaAs) 20 – 60 30 0,3
ЛФД (Si) 20 – 60 400 0,3 – 1

Наиболее быстрыми являются p-i-n-ФД. У ЛФД увеличение коэффициента умножения сопровождается уменьшением быстродействия по сравнению с p-i-n-ФД.

д) Шумы ФД.
Шумом называется любое возмущение электрического или оптического характера, отличное от полезного сигнала. Шум является неустранимым эффектом, который серьезно ограничивает чувствительность детектора.
Как известно в основе работы детектора лежит генерация электрического тока, обусловленная падающими фотонами. От него требуется улавливание даже очень слабого оптического сигнала и генерация заметного электрического тока. Однако в действительности электрический сигнал может быть достаточно слабым.
Сигнал несёт полезную информацию, а шум является чем-то дополнительным и бесполезным. Хотя, шум присутствует во всех частях коммуникационной системы, особенно важен его уровень на входе в приёмное устройство. Причина в том, что приёмное устройство работает со слабым сигналом, потерявшим свою первоначальную мощность при передаче. Поэтому, шум становится заметным на фоне слабого сигнала. Того же уровня шум в передающем устройстве обычно не существенен, поскольку здесь уровень сигнала намного выше. Итак, шум оказывает существенное влияние на порог чувствительности детекторов. Слишком слабый оптический сигнал невозможно различить на фоне шума, для этого необходимо либо уменьшить уровень шума, либо усилить сигнал.
В процессе усиления в приёмном устройстве усиливается не только сигнал, но и шум. Некоторые виды шума можно отфильтровать с помощью электронных фильтров.
Различают следующие виды шумов.

Дробовой шум. Дробовой шум возникает вследствие дискретной природы электронов. Электрический ток не является непрерывным однородным потоком. Это поток отдельных дискретных зарядов электронов. Напомним, что фотодиод работает благодаря поглощению фотонов, которые инициируют появление электронно-дырочных пар, а те, в свою очередь, ? тока во внешней цепи. Это трехступенчатый процесс: фотон, электрон-дырка, электрон. Падение и поглощение каждого фотона и генерация пары носителей являются частями случайного процесса. Он протекает как серия дискретных событий, а не плавно текущий однородный поток. Таким образом, ток флуктуирует в зависимости от того, насколько много и насколько мало электронно-дырочных пар возникло в данный момент времени.
Дробовой шум присутствует и тогда, когда свет не падает на детектор. Даже в отсутствие света малый ток генерируется за счёт тепловых флуктуаций, причём его уровень увеличивается примерно на 10% при росте температуры на один градус. Типичное значение шумового тока составляет 25нА при 25 o С . Дробовой шум определяется выражением

где е – заряд электрона;
Iфср – среднее значение (постоянная составляющая) фототока (включая фоновый ток и ток сигнала);
Δf – ширина частотной полосы приёмника.
Из уравнения (5.12) видно, что дробовой шум увеличивается при росте тока и ширины полосы. Дробовой шум минимален, когда присутствует только фоновый ток и растёт при возникновении тока, возбуждаемого оптическим сигналом. Детектор с уровнем фонового тока 2нА, работающий в частотной полосе 10МГц, имеет дробовой шум на уровне 80пА:

Тепловой шум. Тепловой шум возникает благодаря флуктуациям сопротивления детектора. Электроны в пространстве между электродами ведут себя хаотично. Их тепловая энергия позволяет им случайным образом смещаться. В каждый момент времени суммарный поток случайного теплового движения электронов может быть направлен к одному либо к другому электроду. Таким образом, появляется постоянно меняющийся случайный ток, изменяющий сигнал. Тепловой ток задаётся выражением

где k – постоянная Больцмана;
T – температура в градусах Кельвина;
Δf – ширина частотной полосы приёмника;
R1 – активное сопротивление нагрузки ФД, включающее активное сопротивление диода R.
Рассмотрим нагрузку R1=510Ом, работающую при температуре 298К. Предположим ширину полосы в 10МГц . Тепловой шум равен:

Тепловой и дробовой шумы в ФД определяются структурой вещества и могут быть уменьшены при улучшении устройства детектора, но избавиться от них полностью невозможно. Любой сигнал – оптический, электрический или звуковой – обязательно существует совместно с шумом. После приёма, на стадии следующей после детектирования, происходит усиление сигнала совместно с шумом. Таким образом, сигнал должен быть существенно больше шума. Если амплитуда сигнала равна амплитуде шума, то это следствие плохого детектирования. При адекватном детектировании амплитуда сигнала должна минимум в два раза превосходить амплитуду шума.

Шумы темнового тока. Ранее было отмечено, что даже при отсутствии падающего на фотодиод излучения (Р=0) через ФД протекает темновой ток. Его характер также случаен и он является дополнительным источником шума, который подобен квантовому. Величина среднеквадратичного значения шумовой составляющей темнового тока IшT определяется его средним значением IT следующим образом:

Фотодетектор с уровнем темнового тока 10нА, работающий в полосе 10МГц, имеет шум темнового тока

Таким образом, полный шумовой ток определяется как среднее квадратичное дробового, теплового и темнового тока:

Источник

Поделиться с друзьями
Моя стройка
Adblock
detector