5.1.3. Лавинні фотодіоди

Я кщо структура шарів звичайного фотодіода , то в лавинному фотодіоді (ЛФД) додають шар (рис. 5.1.3). При цьому профіль розподілу легованих домішок вибирається так, що найбільший опір, а значить і найбільшу напруженість електричного поля, має шар.

П

Рис. 5.1.3

ри взаємодії світла з шаром створюються електронно-дірочні пари, які завдяки невеликому полю дрейфують у напрямку відповідних полюсів. При попаданні електронів з шару в шар їх прискорення збільшується внаслідок високої напруженості електричного поля в шарі. Відповідно вони отримають достатньо велику енергію для того, щоб вибивати додаткові електрони з валентної зони в зону провідності. Цей процес має назву лавинного підсилення фотоструму. Коефіцієнт збільшення носіїв звичайно складає декілька десятків і тому струмова чутливість ЛФД значно вище, ніж у звичайних P-I-N-фотодіодів.

Коефіцієнт збільшення визначається за емпіричною формулою:

, (5.1.1)

де – напруга зовнішнього оберненого зміщення; – напруга оберненого зміщення, при якому наступає пробій фотодіода (зазвичай ~ 100 В); - число в діапазоні від 3 до 6.

ЛФД мають високу швидкодію, проте випадкова природа лавинного струму створює значний шум. На відміну від корисного сигналу, який збільшується пропорційно , шум підсилюється швидше (~ ). Внаслідок цього оптимальне значення здебільшого лежить у межах від 30 до 100.

При виборі фотоприймача для ВОЛЗ необхідно керуватися наступними міркуваннями. При мінімальній потужності випромінювання, яке може прийняти фотоприймач, коефіцієнт помилок не повинен перевищувати значення, яке вимагається. ЛФД у цьому сенсі мають певні переваги перед P-I-N-діодами. Проте у них є й певні недоліки.

Головним недоліком ЛФД є більш висока робоча напруга живлення порівняно з P-I-N-діодами. Окрім цього, для ЛФД спостерігається достатньо сильна залежність коефіцієнта від температури. Це вимагає використання спеціальних електричних кіл живлення і схем термостабілізації.

5.1.4. Технічні характеристики фотоприймачів

а) Струмова чутливість (монохроматична) (А/Вт):

, (5.1.2)

де – фотострум; – повна потужність випромінювання на довжині хвилі .

Типове значення струмової чутливості для P-I-N-діодів у робочих діапазонах складає 0.5-0.8 А/Вт, а для ЛФД – 20-60 А/Вт.

Струмова чутливість характеризує фотоприймач на низьких частотах модуляції.

б) Квантова ефективність (безрозмірна величина) визначається співвідношенням:

, (5.1.3)

де – кількість фотонів, які падають за одиницю часу на фотоприймач; – кількість народжених за цей час електронів (або електронно-діркових пар).

Квантова ефективність для P-I-N-діодів не може бути більше 1 (100 %).

в) Темновий струм (А) – струм, який протікає через навантаження обернено зміщеного фотодіода, при відсутності світлового потоку, що падає на фоточутливу площинку фотодіода. Темновий струм інакше називається струмом витоку. Величина темнового струму залежить від матеріалу фотоприймача, температури навколишнього середовища і конструкції фотоприймача. Типові характеристики фотоприймачів наведені в таблиці 9

Таблиця 9

Фотоприймач	Струмова чутливість, А/Вт	Темновий струм, нА	Час наростання, нс
-фотодіод ( )	0.8	0.1-3	0.01-5
фотодіод ( )	0.5	10	0.1-5
ЛФД ( )	10-60	30	0.3
ЛФД ( )	20-60	400	0.3-1

З цієї таблиці можна побачити, що ЛФД, виготовлені з германію мають найбільше значення темнового струму, яке складає величини від часток до сотень одиниць міліампера.

г) Час наростання (спаду ) – характеризує роботу фотоприймачів в імпульсному режимі і є його важливою динамічною характеристикою. Час наростання визначається часом зростання сигналу з рівня 0.1 до рівня 0.9 (спадання сигналу з рівня 0.9 до рівня 0.1) від рівня максимального значення при умові, що на вхід подаються строго прямокутні імпульси великої тривалості. Ці часи залежать від геометрії фотодіода, матеріалу, напруженості електричного поля в слаболегованій області, температури. Максимальна з – – береться за характеристику часу відгуку фотоприймача.

Із збільшенням частоти модуляції вхідних оптичних імпульсів максимальне значення фотоструму зменшується. Гранична частота, на якій ще може працювати фотоприймач, визначається як частота модуляції, при якій струмова чутливість складає 0.707 від значення струмової чутливості при низьких частотах модуляції. Як випливає з таблиці, P-I-N-фотодіод є більш високочастотним приймачем випромінювання у порівнянні з ЛФД.

д) Частота повтору помилок. У цифрових системах, коли інформація передається бітами, мірою якості прийнятого сигналу є ймовірність некоректного прийому 0 чи 1, яка називається частотою появи помилок (БЕР). Вона визначається як відношення кількості невірно прийнятих бітів до загальної кількості бітів, що передані. У телекомунікаційних системах ця величина не повинна перевищувати 10^-9. В обчислювальних мережах вимоги до цієї величини значно вище, а частота повтору помилок не повинна перевищувати величини 10^-12. БЕР залежить від швидкості передачі. Чим менше швидкість передачі, тим менше БЕР.

е) Чутливістю цифрового ПРОМ називається мінімальна вхідна потужність сигналу, при якій БЕР не виходить за межі максимально допустимого значення, встановленого для даного пакета прикладних програм. Для нормальної роботи пакета прикладних програм потужність вхідного сигналу повинна бути не менше, ніж чутливість ПРОМ. Чутливість ПРОМ прийнято вимірювати у дБм.

ж) Насичення ПРОМ. Насиченням цифрового ПРОМ називається максимальна вхідна потужність, вище якої БЕР починає перевищувати максимально допустиму величину для даного пакета прикладних програм.

Діапазон значень потужності від чутливості до насічення називається динамічним діапазоном ПРОМ.

з) Максимально допустима обернена напруга – це напруга, перевищення якого може привести до пробою фотоприймача та його руйнування.

і) Робочий діапазон температур (⁰С). Є дві характеристики фотоприймача, на які сильно впливає зміна температури.

По перше, це квантова ефективність, яка може поводити себе досить непросто в залежності від зміни температури.

По друге, зростання температури призводить до експоненціального зростання термічно збуджених електронно-діркових пар, і як наслідок – експоненціально зростає темновий струм. Ця величина зазвичай стає вдвічі більшого при підвищенні температури на 8-10⁰С.

ї) Напрацювання на відмову (тис. годин). При експлуатації фотоприймачів згідно з технічними умовами ресурс фотоприймачів вище ніж ресурс випромінювачів.

5.2. Електронні елементи ПРОМ

До складу ПРОМ зазвичай входять такі вузли:

5.2.1. Електронні передпідсилювачі і підсилювачі

Типове значення потужності оптичного сигналу на вході фотоприймача складає величину близько 1-10 мкВт та менше. Якщо в ПРОМі як фотоприймач використовують P-I-N-фотодіод з струмовою чутливістю 0.6-0.8 А/Вт, то на його виході струм складає декілька мікроампер. Для нормальної роботи наступних вузлів ПРОМ використовують передпідсилювачі з низьким рівнем шумів і підсилювачі потужності.

5.2.2. Вузол вирівнювання

Вузол вирівнювання використовують для відновлення правильного співвідношення в низько і високочастотній областях спектра, оскільки ці частоти підсилюються неоднаково. Вузол вирівнювання являє собою додаткове коло вирівнювання сигналу.

5.2.3. Вузол фільтрації

Вузол фільтрації дозволяє підвищити відношення сигнал-шум завдяки подавленню шумів у певному діапазоні частот спектра сигналу.

5.2.4. Вузол дискримінації

Вузол дискримінації призначений для розрізнення і виділення 0 і 1 із загальної послідовності цифрового сигналу, що приймається. Необхідність його застосування викликана наявністю спотворення форми сигналу внаслідок дисперсії ВОЛЗ. Для відновлення прямокутної форми сигналу і призначений дискримінатор, якій має певний поріг спрацьовування.

Якщо амплітуда сигналу менше від певного значення, на виході дискримінатора маємо (0), якщо більше (1). Головний недолік такої обробки – можливість порушення тривалості імпульсів.

Для того, щоб зберегти правильні часові співвідношення в інформаційному сигналі дискримінатор повинен одержувати інформацію про частоту, з якою слідують імпульси.