3.1. Фотодетекторы

Функция фотодетектора состоит в преобразовании оптического сигнала в электрический, который затем усиливается и обрабатывается электронными схемами. Фотодетекторы должны удовлетворять следующим требованиям:

 точно воспроизводить форму оптического сигнала, без внесения дополнительного шума;

 обладать заданной широкополосностью;

 работать в требуемом динамическом диапазоне;

 иметь небольшие, но достаточные размеры для надежного соединения с волокном;

 иметь минимальную стоимость, а также удовлетворять общим требованиям, предъявляемым к фотоприемникам.

Для создания высокочувствительных и быстродействующих фотодетекторов можно использовать как внешний, так и внутренний фотоэффекты. Внешний фотоэффект используется в вакуумных приборах  фотоэлементах, в которых падающий на фотокатод свет вызывает эмиссию электронов. Но полнее всего этим требованиям отвечают полупроводниковые p-i-n  фотодиоды и лавинные фотодиоды, в основе лежит явление внутреннего фотоэффекта в полупроводниковом материале, при котором поглощаются фотоны, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны, и осуществляется переход электронов из валентной зоны в зону проводимости, что приводит к появлению фототока.

Схематическое изображение структуры p-i-n фотодиода, его включение и распределение электрического поля показаны на рисунке 3.1.

Для p-i-n  диода характерно наличие i-области полупроводника с противоположными знаками проводимости p⁺ и n⁺ - типа. Слои p⁺ и n⁺ с высокой концентрацией примесей (сильнолегированные) имеют малое удельное сопротивление, а i-слой  слаболегированный полупроводник n-типа, имеет очень большое сопротивление, близкое к собственному. Поэтому при обратном смещении i-слой обедняется свободными носителями. Перенос носителей заряда в нем осуществляется под действием электрического поля. Фотоны, поглощаемые в обедненной области, приводят к рождению пар "электрондырка". Наличие электрического поля, которое в обедненной области является сильным, обеспечивает быстрое разделение носителей заряда, а следовательно, высокое быстродействие процесса преобразования оптического излучения в электрический ток. Так как обедненная область достаточно широка, то достигается высокая эффективность преобразования поглощаемой оптической мощности в электрический ток.

При рассмотрении процесса работы p-i-nфотодиода следует иметь в виду, что часть фотонов падающего излучения поглощается в p⁺ и n⁺ слоях и возбуждают там носители заряда, которые движутся за счет диффузии. Скорость диффузионного движения значительно (примерно на три порядка) ниже скорости дрейфа носителей заряда в i-области. Поэтому диффузионный ток, обусловленный поглощением части излучения за пределами обедненной области, ухудшает быстродействие. Так как часть носителей в возбужденных p⁺ и n⁺ слоях рекомбинирует, то квантовый выход уменьшается. Из-за этого явления в диодах с фронтальным освещением для обеспечения высоких показателей быстродействия и квантового выхода p⁺- слой стремятся сделать как можно тоньше, обычно в 10 ... 100 раз (d<1мкм) тоньше i-слоя. Часть падающего излучения отражается от фоточувствительной поверхности из-за скачка показателя преломления на границе между этой поверхностью и средой, из которой поступает излучение (обычно воздух). Поэтому для уменьшения отражаемой мощности фоточувствительную поверхность покрывают слоем материала, показатель преломления которого равен среднегеометрическому значению показателей преломления полупроводника и воздуха. Этот слой называют антиотражающим (просветляющим) покрытием, и его толщина равна четверти рабочей длины волны.

Типичная конструкция p-i-n  диода с фронтальным освещением приведена на рисунке 3.2.

Просветляющий слой

контакт

Р⁺-слой

d

i-слой

n⁺-слой

контакт

Рис. 3.2. Конструкция p-i-n фотодиода с фронтальным освещением

Каждая электронно-дырочная пара, генерированная при поглощении фотона и разделенная p-nпереходом, вызывает прохождение через внешнюю нагрузку электрического заряда R_н, равного заряду электрона. Следовательно, при падении на фоточувствительную поверхность диода оптического излучения мощностью P(Вт), через нагрузку будет протекать ток (I_ф), называемый фототоком:

(3.1)

где:  квантовая эффективность диода; eзаряд электрона (1,610^-9 к);

энергия фотона; Sтоковая чувствительность фотодиода.

(А/Вт), если длину волны измерять в мкм.

Токовая чувствительность зависит от длины волны падающего излучения. Характер этой зависимости определяется спектральной характеристикой квантового выхода и зависит от материала полупроводника (рис.3.3).

1,0

Si Ge

0,75

0,5

0,25

, мкм

0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1.3 1,4 1,5 1,6

Рис. 3.3. Зависимость спектральной характеристикой квантового выхода

фотодиода от материала полупроводника

Для диапазона длин волн 0,8 ... 0,9 мкм широкое распространение получили кремниевые фотодетекторы в силу хорошо развитой технологии кремниевых полупроводниковых приборов и малой величины токов утечки. Кремниевые фотодиоды с тонким контактом (d < 1мкм) и просветляющим покрытием в этом диапазоне волн имеют квантовую эффективность 0,8 и чувствительность S = 0,4 ... 0,7 А/Вт. Однако ширина запрещенной зоны (1,1 эВ) ограничивает использование кремния в диапазоне до 1мкм. В диапазонах 1,3 и 1,55 мкм преобладают германиевые фотодиоды.

Особенностями p-i-nфотодиодов являются высокая квантовая эффективность, малые шумы, очень малая собственная емкость, широкая полоса пропускания, низкое питающее напряжение. Поэтому p-i-nфотодиоды обладают достаточно высокой чувствительностью и быстродействием. Предельная чувствительность ограничивается тепловым током. Если мощность падающего излучения очень мала, то шумы фотоприемника, нагрузки и последующего электронного усилителя могут оказаться недопустимо большими по сравнению с уровнем мощности приходящего сигнала. Следовательно, желательно усилить фототок перед его усилением в электронном усилителе, повысив тем самым чувствительность приемника.

Усиление первичного фототока обеспечивается механизмом лавинного умножения, который используется в лавинных фотодиодах (ЛФД). Схематическое изображение структуры ЛФД, его включение и распределение электрического поля показаны на рисунке 3.4.

P

n⁺ P i p⁺

R_н

U

Е

I

Рис. 3.4. Схематическое изображение структуры ЛФД и распределение

электрического поля

При сравнительно большом обратном смещении в узком слое левее i-области создается сильное электрическое поле ( В/см). В таком поле электроны, генерируемые светом, ускоряются до энергий достаточных для ударной ионизации атомов кристаллической решетки. Образующиеся в результате ионизации свободные носители также ускоряются и рождают новые пары. Такой лавинный процесс приводит к тому, что поглощение фотона порождает не одну электронно-дырочную пару, а десятки и сотни. То есть в ЛФД происходит внутреннее умножение фототока с коэффициентом умножения М. Коэффициент умножения показывает, во сколько раз выходной ток лавинного фотодиода превышает первичный ток диода при отсутствии лавинного эффекта. Коэффициент умножения может достигать нескольких десятков, поэтому токовая чувствительность ЛФД значительно превышает токовую чувствительность p-i-nфотодиодов. Обычно величина токовой чувствительности ЛФД составляет (22 ... 60 А/Вт). Одна из наиболее распространенных конструкций ЛФД схематически изображена на рисунке 3.5.

Просветляющее покрытие

контакт

Si O₂

Р⁺-слой d

I-слой n⁺-слой

с охранным кольцом

Р⁺-слой

контакт

^{Рис. 3.5. Конструкция лавинного фотодиода}

Наиболее важными параметрами фотодиодов являются токовая чувствительность, коэффициент умножения (для ЛФД), темновой ток, емкость фотодиода, время нарастания и спада, порог чувствительности, рабочее напряжение смещения, предельное напряжение, размеры чувствительной площадки.

В отсутствие падающего на фотодиод излучения при его обратном смещении через нагрузку протекает небольшой ток, который называется темновым. Величина его зависит от материала, температуры и конструкции прибора. Наиболее значителен он в фотодиодах из германия.

Время нарастания и спада характеризует быстродействие фотодиодов. Следует иметь в виду, что у ЛФД увеличение коэффициента умножения сопровождается уменьшением быстродействия. Поэтому их обобщенной характеристикой является произведение коэффициента умножения (M) на полосу пропускания ( ). Это произведение называют добротностью (Q).

(3.2)

Порог чувствительности характеризует шумовые свойства фотодетектора. Часто порог чувствительности приводят к единичной полосе и называют эквивалентной мощностью шума. Фактически эквивалентная мощность шума определяет минимальную мощность оптического сигнала на входе фотодетектора, при которой отношение сигнал/шум на выходе равно единице.

(Вт/Гц^1/2) , (3.3)

где I_T  темновой ток; F_Mкоэффициент избыточного шума лавинного умножения.

Приближенно величина F_M = M^X, где x = 0,2 ... 0,3 для кремниевых ЛФД, для германиевых ЛФД, x = 0,3 ... 1 для полупроводниковых ЛФД на основе GaAs.

При выборе фотодиода для ВОСП необходимо решить задачу минимизации мощности принимаемого излучения, требуемой для получения заданного соотношения сигнал/шум или коэффициента ошибок. В этом смысле ЛФД имеют преимущество перед p-i-nдиодами. Однако они обладают рядом серьезных недостатков: сильной температурной зависимостью коэффициента умножения (рис. 3.6), более высоким напряжением питания, меньшей надежностью, более высокой стоимостью.

М

0 ⁰С 25 ⁰С 50 ⁰С 75 ⁰С

100

10

100 200 U_см, В

Рис.3.6. Температурная зависимость коэффициента умножения.

В таблице 3.1 приведены технические параметры отечественных полупроводниковых фотодиодов, используемых в ВОСП.

Таблица 3.1

Тип фотодиода Параметры	p-i-n Si	ЛФД Si	p-i-n Ge	ЛФД Ge
Рабочий диапазон, мкм	0,8 … 0,9	0,8 … 0,9	1,2 … 1,35	1,2 … 1,6
Чувствительность, А/Вт	0,4	40	0,4	10
Темновой ток, А	510-9 …10-8	1010-8	210-8	10010-8
Плотность шумового тока, А/Гц		10-12		10-11
Емкость диода, пФ	2…5	1…3	2…5	 2
Постоянная времени, с	(2…5) 10-9	 10-9	510-9	 10-9
Рабочее напряжение, В	10…100	150…300	 10	30 – 60

Наиболее перспективными являются фотодиоды на структурах InAs и In_0,5Ga_0,5As для диапазонов длин волн 1,3 и 1,55 мкм.