Лавинные фотодиоды

Коэффициент лавинного умножения:

I _Ф – ток на выходе фотодиода с учётом умножения;

I_Ф0 – ток при отсутствии умножения;

Uпроб – пробивное напряжение;

U – напряжение на фотодиоде;

m=1,5-2 для кремния p – типа;

m=3,4-4 для кремния n – типа;

Коэффициент усиления M = 10²-10⁴

Требуется высокая стабилизация питающего напряжения.

Применимы для регистрации слабых сигналов.

Шумы в фотоприёмниках

Т епловой шум (шум Джонсона или Найквиста) – обусловлен тепловыми движениями носителей зарядов:

Д робовой шум – обусловлен статистическим характером прохождения носителей через переход и флуктуациями генерационно-рекомбинационных процессов:

Ф ликкер (мерцание) шум – со спектром вида 1/f , обусловлен отклонениями структуры от физически вследствии несовершенства технологии (поверхностные колебания и утечки, неидеальность контактов, неоднородность сред, . . . ).

Фотонный шум – обусловлен статистическими флуктуациями числа фотонов в потоке принимаемого излучения, т.е. квантовой природой излучения.

Для уменьшения влияния шумов – снижать темновой ток, понижать температуру приёмника, уменьшать f.

В фотоприёмниках, применяющихся в ВОЛС, имеет место доминирование дробового тока над тепловым, это связано с тем, что на фотоприёмник подается обратно смещённое напряжение, приводящее к темновому току, который, в свою очередь, влияет на дробовой ток. Только при нулевом напряжении смещения темновой и, следовательно, дробовой токи отсутствуют.

Квантовый предел детектирования

Е сли за отрезок времени на фотодиод упадет оптическая энергия, равная в среднем e_R , то будет создано N пар носителей заряда:

Вследствие статистической природы взаимодействия фотонов с приёмником, число пар носителей генерируемых каждым оптическим импульсом определяется пуассоновским распределением вероятности:

г де k – число созданных пар носителей; N – средне-квадратичное отклонение от среднего.

Вероятность ошибки

Если за критерий надежности взять PE<10^-9, то N необходимо потребовать более 20. При этом минимальная средняя мощность передачи 1бита при скорости передачи В:

для h=1, l=1 мкм

Энергетическая характеристика

В фотогальваническом режиме энергетические характеристики представляются зависимостями либо тока короткого замыкания I_КЗ, либо фото-ЭДС E_Ф=U_Ф от потока излучения.

В фотодиодном режиме энергетическая характеристика описывается выражением

где h – внутренний квантовый выход,  – коэффициент переноса, Ф – мощность излучения, Ф/h– число фотонов, падающих в единицу времени на фотодиод

Характеристики приёмников излучения

Токовая чувствительность (монохроматическая) S_Ф, (А/Вт) определяется как S_Ф=I_Ф/P(l), где I_Ф – фототок, а Р(l) - полная оптическая мощность излучения на длине волны l, падающего на фоточувствительную площадку. Токовая чувствительность характеризует фотоприёмник при низких частотах модуляции.

Квантовая эффективность h (безразмерная величина) определяется как h=N_e/N_Ф, где N_Ф – количество фотонов, падающих за единицу времени на приёмник, a N_e – количество рождённых в результате этого свободных электронов (или электронно-дырочных пар).

Время нарастания τ_rise (спада τ_fall) - это самая важная динамическая характеристика фотоприёмника. Она определяется как время, необходимое выходному сигналу, чтобы возрасти от уровня 0,1 до 0,9 (упасть 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 геометрии фотодиода, материала, напряженности электрического поля в слаболегированной области, температуры.

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.). Этот ток добавляется к току полезного сигнала, когда на фотодиод поступает свет.

Фотоприёмник	Токовая чувствительность, А/Вт	Темновой ток, нА	Время нарастания, нc
p-i-n фотодиод (InGaAs)	0,8	0,1-3	0,01-5
p-i-n фотодиод (Si)	0,5	10	0,1-5
Лавинный фотодиод (InGaAs)	20-60	30	0,3
Лавинный фотодиод (Ge)	20-60	400	0,3-1
Фототранзистор (Si)	18	25	2500

Эквивалентная мощность шума Р_п (Вт) - определяет минимальную мощность оптического сигнала на входе фотоприёмника, при которой отношение сигнал/шум равно единице, и вычисляются по формуле Р_n = I_n /S_Ф где In- полный шумовой ток. По определению, эквивалентная мощность шума пропорциональна квадратному корню из полосы пропускания. Рn можно пронормировать, поделив на ÖB . Такая нормированная эквивалентная мощность шума имеет размерность Вт/Гц^1/2 и не зависит от полосы пропускания.

Максимально допустимое обратное напряжение U_r – это напряжение, превышение которого может привести к пробою фотоприёмника и его разрушению

Рабочий диапазон температур (°С). Есть две характеристики, на которые сильно влияет изменение рабочей температуры фотоприёмника:

– это квантовая эффективность, которая может вести себя в общем случае довольно сложным образом с изменением температуры.

– рост температуры приводит к экспоненциальному росту термических возбуждённых электронно-дырочных пар, в результате чего также экспоненциально возрастает темновой ток.