Фотоқабылдағыштардың шулы моделдері

Фотоқабылдағыштардың шулы моделі 6.4 суретте көрсетілген. Фотоқабылдағыш і_с шу генераторының тогы мен І_с сигнал тогынан, сонымен қатар r_д динамикалық және r_т тізбекті кедергілерінен тәуелсіз болып келтірілген. Егер мына теңсіздік орындалса: r_т<< R << r_д , онда r_д және r_т әсерінен қорғануға болады.

6.4-сурет. Фотоқабылдағыштың шулы моделі

Фотодетектордың жүктеме кедергісі R_н түріндегі резистор болып және і_ж.ш. жылулық шу генераторы болып бейнеленген. Белгіленген күшейткіш U_ш.к. шулы кернеу генераторымен және идеалды, еркін шу күшейткішімен көрсетілген.

Жүктемеде көрсетілген толық шу қуаты былай анықталады:

Символдар үстіндегі сызық токтың және кернеудің ортаквадраттық мәнін білдіреді, олар міндетті түрде символ үстінде болу керек.

Сигнал қабылдауды қамтамасыздандыру үшін қажетті шудың қорғау деңгейі болуы міндетті, оның қуаты толық шу қуатын F есе көтеруі керек:

мұндағы F – сигналдың шуға қатынасы.

Фотоқабылдағыштар опто-талшықты байланыс жүйесінде(ОТБЖ) фотодетектор ретінде және жарықдиодты өлшем жүйелерінде қолданылады. Олар кейінірек күшейетін және электронды схемаға айналатын оптикалық сигналды электрлікке түрлендіру үшін арналған.

ОТБЖ-да қолданылатын фотоқабылдағыштар көптеген физикалық және электротехникалық міндеттемелерді қанағаттандыру қажет. Олар жіберілетін сигналға аз мөлшерде шу енгізулері керек, жіберілетін сигналдың өзгерісін қосуға қажет болатын барынша кеңжолақты иеленулері керек; сәулеленудің толқын ұзындығында максималды сезгіштігі болу керек; сыртқы температуралық өзгерістерге қатысты тұрақты болуы керек; ұзақ қызмет істеу керек және бағасы қымбат болмауы керек.

Әдетте фотоқабылдағыштар төрт негізгі параметрмен сипатталады: тұрақты уақытпен, кванттық эффектпен, толық эквивалентті шу қуатымен және сезгіштікпен.

ОТБЖ-дағы кең қолданыс р-і-п-фотодиод негізіндегі фотодетекторды, сондай-ақ лавинді фотодиодты табады.

Фотоқабылдағыштарды құрастыру кезінде төменвольтты үзіліс және өткел айналасына жақын кесу тогын айналдыру үшін қорғаныс дөңгелекшені қарастырады. Кванттық ээффективтілік 90% және күшейткіш шамамен жүздеген болу үшін антибейнелейтін жапқыштар қолданылады.

Лавинді фотодиодтың орташа тогы былайша анықталады:

мұндағы G – орташа күшейткіш; η – квантты эффективтілік; λ₀ – көздің номиналды толқын ұзындығы; һ – Планк тұрақтысы; Р(t) – оптикалық қуат; І_т – қараңғы кездегі ток.

Толық эквивалентті шу қуаты Р_ш.э. (нВт) құрылғыдағы генерациялайтын әрі оның күшейткіші болып шу қуаты сияқты сипатталады және минималды тіркелген сигнал өлшемімен қызмет етеді. Бұл қуат қабылданған аймаққа құлайтын және фотодетектордың шығысындағы шу сигналының өлшеміне тең болатын шығыс сигнал тудыратын жарық энергиясының өлшемімен анықталады. Фотодетектордың эквивалентті шу қуаты Р_ш (Вт/Гц 1/2) ені 1 Гц болатын толық эквивалентті шу қуатын ұсынады. Р_ш қабылдағыш құрылғының сапасын көрсету үшін күшейткіштің жүктеме кедергісін және кіріс кедергісін нұсқау керек.

Лавинді фотодиод үшін толық эквивалентті шу қуаты мына формуламен анықталады:

мұндағы f – оптикалық сәулеленудің жиілігі; ∆f – хабар жолағының жиілігі; С диод сыйымдылығы; Т – диод пен күшейткіш температурасы.

Лавинді фотодиодтың максималды сезгіштігін болдыру үшін көбейту коэффициентінің оптималды мағынасын таңдау керек:

мұндағы U_П – қорек көзінің кернеуі; U_үз. – лавинді үзіліс кернеуі; n – тұрақты коэффициент, п = 2...3; І – құрылғы арқылы ағатын ток; R – құрылғы мен жүктеменің эквивалентті кедергісі. р – і – п-диоды үшін толық эквивалентті шу қуаты мына формуламен анықталады:

ОТБЖ үшін толық эквивалентті шу қуатын детектор сыйымдылығын кеміту арқылы және кванттық эффективтілікті көбейту арқылы оптимизациялауға болады. Детектор ауданы өткел ауданы мен азайған облыс қалыңдығына байланысты.

Т температура кезіндегі бөлшектік және жылулық шулардың теңесуіне арналған формула дұрыс.

Лавинді фотодиод төмен толық эквивалентті шу қуатын иеленсе де, олар р – і – п-диодтарға қарағанда өте жоғары кернеуде жұмыс істеу керек, сонымен қатар ток пен кернеуге қатысты жақсы бақылауды қажет етеді. Сериялық шығарылатын лавинді фотодиодтар ∆f > 1ГГц-ті иеленеді, дыбыс шығарудың уақыты 1 нс және Р_ш.э. = 10 мкВт.

Лавинді фотодиодтан тұратын және одан кейінгі N_і шу-факторы бар күшейткіштен, R эквивалентті кіріс кедергісінен, модулдеуші жиілік жолағына сәйкес келетін жолақты күшейткіштен тұратын оптикалық қабылдағыш үшін сигналдың шуға қатынасы былй анықталады:

мұндағы Р₀ – орта қабылданатын оптикалық қуат; т – модуляция коэффициенті; і_ш.л – лавинді көбейту кезіндегі ортаквадратты шу тогы:

мұндағы і_ф.ш – фотонды шу тогы:

і_т.ш – жылулық шу тогы:

і_т –қараңғы кездегі(темновой) ток:

і_к – кесу тогы:

і_фон – фондық ток:

і_с – соғу шу тогы:

6.28 – 6.32 формулаларында N_d – лавинді күшейткіштің анықталмағандығын шарттайтын шу-фактор; N_f - күшейткіштің шу- факторы; ∆f – хабар жолағының ені; І_Т – фотодиодтың қошқыл тогы; W – сәулеленудің спектральді ені; J – кеңістіктегі сәулелену саны; Р_фон – фондық сәулеленудің орташа қуаты.

Лазерлі сәулелену көзі бар жүйелер үшін фотондық және жылулық шу бастысы болып табылады.

Күшейтуге тәуелді лавинді күшейту процесі шу кіргізсе, онда ір эксплуатация шарттары үшін күшейтудің оптималды өлшемі қолданылады.

6.3.

р – п-ӨТКЕЛ НЕГІЗІНДЕГІ ФОТОДИОДТАР

р – п-өткел негізіндегі фотодиодтың қарапайм құрылымы 6.5-суретте келтірілген. Мұндай құрылғы кері ығысқан р – п-өткелді ұсынады. Мұндай өткелдің маңызды ерекшелігі күшті аумақты және түскен жарықтың жұтылу аумағын концентрациялайтын азайтылған тасушылар облыс саны болып табылады.

Азайтылған облыс п-облыстағы қозғалмайтын оң зарядталған донор атомынан және р-облыстағы қозғалмайтын теріс зарядталған акцептор атомынан жасалған. Азайтылған облыстың ені легірлеуші қоспаның концентрациясына байланысты болады. Неғұрлым қоспа аз болса, соғұрлым азайтылған қабат енді болады. Жұтылу аумағының қалпы мен ені түскен сәуленің толқын ұзындығына және диод жасалған материалға байланысты болады.

Неғұрлым жарық қатты жұтылса, соғұрлым жұтылушы облыс жіңішкереді. Егер жарық әлсіз жұтылса, онда бұл облыс диодқа толығымен таралуы мүмкін. Фотондар жұтылғанда электрондар валенттік зонадан өткізгіштік зонаға ауысады. Осылайша электронды кемтіктік жұп пайда болады. Егер мұндай жұп азйтылған облыста пайда болса, онда тасушылар өріс әсерінен таралады. Нәтижесінде жүктеме тізбегінде ток ағады. Егер электронды – кемтіктік жұп азайтылған облыстан тыс пайда болса, онда кемтік азайтылған облыс жағына диффузияланады. Дрейфпен салыстырғанда диффузия өте жай іске асады, мейлінше жарықтың үлкенбөлігі азайтылған облыста жұтылу керек. Сондықтан азайтылған облысты п-қабаттағы легірлеуші қоспаның концентрациясын кеміту арқылы ауырлату керек. Бұл оны өзіндік деп санауға болатындай п-қабаттың әлсіз легірленуін талап етеді.

Фотодиодтың вольт – амперлік сипаттамасының жиынтығы 6.6-суретте көрсетілген. І облысы фотодиффузионды облысқа сәйкес келеді. Мұнда р-п-өткелге тура кернеу берілген және фототокты басқаруға болмайтын токтың диффузионды құрамы толығымен фототокты басады(I_p-n >>I_Ф).

ІІ облыста фотогальваникалық режим жүзеге асады. Мұнда фотодиод тогы былай анықталады:

мұндағы φ_т – қошқыл потенциал; U – диодтағы кернеу.

R_Н →∞ болған кезде бос жүріс режимінде 6.33 формуласынан белгілі бір жарық ағынында фото-ЭҚК-нің максималды мағынасын табуға болады:

Қысқа тұйықталу режимінде фотодиодтағы кернеу нөлге тең, ал фотодиод тогы фототасушылар ағынымен анықталады. Кремнийлі фотодиодтағы фото-ЭҚК 0,5...0,55 В-ты құрайды.

Фотодиодты режимде (ІІІ облысқа сай келеді) кері кернеу көзі қолданылады. Бұл режимде потенциалды барьер туындайды және І_р-п өткел арқылы ағатын ток сәклелену жоқ кезде ағатын токпен І₀ анықталады. Жарық ағынының р-п-өткелге әсер еткенде фотодиод тогы

Жүктеме резисторының вольт – амперлік сипаттамасы түзу сызық болады, оның теңдігі:

мұндағы U_А - 6.6 суреттегі жарық ағынына сәйкес келетін А жұмыс нүктесіндегі фотодиод кернеуі.

Тәжірибе жүзінде кері кернеуі бар жұмыс диапазонында фототок жүктеме кедергісіне тәуелді емес, тұрақты токқа диод кедергісі жарық ағынының өзгерісі кезінде ауқымды шекте өзгереді, сондықтан кейде фотодиодты режим терминінің орнына фоторезисторлы режим термині қолданылады. Қарастырылып отырған аймақта айнымалы токқа фотодиод кедергісі үлкен және жарық ағынының үлкен мағынасының кемуіне тенденцияны иеленеді.

Кері кернеудің үлкен мағынасында(6.6 суреттегі IV облыс ) р – п-өткелінің лавинді үзілісі қаралады. Егер жүктеме кедергісінің көмегімен қарастырылып отырған р-п-өткелінің үлкен кері тогын шектесе, онда электрлік құрылғыны қолданатын, фотодиодты режимдегі фототокпен салыстырғанда көбірек фототок күшейтуін иеленген фотоқабылдағышты жүзеге асыруға болады. Бұд эффект лавинді фотодиодта қолданылады.

6.4.

р – і – п-ҚҰРЫЛЫМДЫ ФОТОДИОДТАР

6.7-суретте көрсетілгендей фотодиодтың жиілік диапазонының кеңеюі оның сезгіштігін төмендетуінсіз р-і-п – өткелінде болуы мүмкін.

р-і-п – өткелінде і-облысы электроөткізгіштіктің қарама-қарсы типтегі екі облыс арасында жабылған, оның меншікті кедергісі п-р-типті легірленген облыстың кедергісімен салыстырғанда 10⁶...10⁷ есе үлкен. Жеткілікті кері кернеуде күшті және Е кернеулігі бар біртекті электрлік өріс барлық дерлік і-облысына таралады.

Бұл облыс барынша енді жасалу себебінен мұндай құрылым жылдам жұмыс істейтін және сезгіш фотоқабылдағышты алу үшін негізін құрайды. Сәулеленудің жұтылу есебінен і-облыста пайда болған электрондар мен кемтіктер электр өрісіне тез бөлінеді. кері ығысу кезіндегі р-і-п-диодтың энергетикалық диаграммасы 6.8-суретте көрсетілген. Жуық шамамен 90% сәулелену і-облыста жұтылады.

Жылдам жұмыс істеуінің шарты қарапайым р-і-п-құрылымда сипатталған база арқылы жүретін диффузия күшті электр өрісіндегі і-облысы арқылы жүретін дрейф тасушыларымен ауыстырылады.

і-облысы арқылы жүретін ені бар кемтіктің дрейф уақыты мынаны құрайды:

мұндағы Е – і-облысындағы электр өрісі кернеуі; μ_р – кемтік қозғалғыштығы; ν_р = μ_рЕ – электр өрісіндегі кемтік дрейфінің жылдамдығы.

Электр өрісінің кернеулігі шамамен 2*10⁶ В/м болғанда дрейфтік тасушылардың максималды жылдамдығы ν = 6...8*10⁴ м/с жетеді. h = 10^-2 см болғанда t_др≈ 10^-9...10^-19 с-ты аламыз. Мұндай диодтың жиілік диапазоны ∆f ≈ 10⁹ Гц. Бұл тез жұмыс істейтін кремнийлі фотодиод.

р-і-п-құрылымды фотодиодтың і-облысы арқылы жүретін дрейфтік тасушылардың уақытының база арқылы жүретін диффузияға қатынасы былай анықталады:

U_кер = 0,1...0,2 В-тан бастап D_p/ μ_p = KT/e = φ_т болғандықтан р-і-п-құрылымды фотодиодтар тез қозғалу мүмкіндігін алады. (6.9-сурет)

Осылайша р-і-п-құрылымды фотодиодтар келесі негізгі ерекшеліктерімен ерекшелінеді:

• жоғары сезгіштік пен жоғары тез қозғалудың тоғысуы(толқын ұзындығы λ ≈ 0,9 мкм кезінде тәжірибе жүзінде сезгіштіктің шегі S_ф = 0,7 А/Вт-қа жеткен);

• і-облысының енін көбейткенде спектрдің ұзынтолқындық облысындағы жоғары сезгіштікті қамтамасыз ету мүмкіндігі;

• төмен барьерлік сыйымдылық;

• р-і-п-құрылымды фотодиодтардың интегральді микросхемамен бірге электрлік сәйкес келуін қамтамасыз ететін фотодиодты режимдегі төмен жұмыс кернеуі.

Р-і-п құрылымының кемшілігіне і-базаның тазалығына қатты көңіл бөлу және жұқа легірленген қабаты бар интегралды схемалардың нашар технологиялық сай келуі.

6.1 кестеде отандық р-і-п-диодтың параметрлері көрсетілген.

6.5.