0. 6.2 Приемники излучения

Приемниками излучения (фотодетекторами) называются устройства, преобразующие оптическую энергию в электрическую. В приемниках излучения используется два эффекта: фотогальванический и фотопроводимости. На основе фотогальванического эффекта работают фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, солнечные элементы.

Эффект фотопроводимости используется в фоторезисторах.

В ВОСП в качестве фотодетекторов используются фотодиоды (ФД). Простые по конструкции ФД, содержащие, как и обычный диод, р-n переход. Для обеспечения высокой чувствительности к излучению, такой ФД работает без внешнего напряжения, или при обратном внешнем напряжении. К фотодетекторам оптических систем связи предъявляются следующие требования:

• высокая чувствительность,

• требуемые спектральная характеристика и широкополосность,

• требуемое быстродействие, низкий уровень шумов,

• длительный срок службы

Фотодиод, это прибор, электрические свойства которого изменяются под действием падающего света.

В технике оптической связи наибольшее применение получили р-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД)

6.2.1 Р-i-n фотодиоды

Фотодиоды p-i-n типа (рисунок 6.20) содержат легированные р и n области, между которыми находится достаточно широкая i-область (полупроводник с собственной проводимостью). На диод подается обратное напряжение U_g. При этом между р и n областями создается значительная разность потенциалов (сильное электрическое поле)

Излучение с мощность Р_и направляется на i-область, которая поглощает фотоны. Под воздействием фотонов в i-области появляются пары носители зарядов: электроны дырки. При этом сильное электрическое поле, созданное источником и сосредоточенное в i-слое заставляет электроны дрейфовать к положительно заряженной n-области, а дырки – к отрицательно заряженной р-области. Таким образом, создается фототок (ток дрейфа)

, (6.17)

где g - заряд электрона (1,6·10^-19 Кл),

N_е – число электронов, перешедших под воздействием фотонов из валентной зоны в зону проводимости.

Рисунок 6.20

Фототок возникает, когда энергия Е_ф соответствует ширине запрещенной зоны:

(6.18)

Однако, не все фотоны вызывают образование пар «электрон – дырка». По этой причине введено понятие квантовой эффективности

(6.19)

где N_ф – число фотонов

Величина фототока определяется как:

(6.20)

Учитывая, что число фотонов зависит от мощности излучения

(6.21)

величина фототока может быть представлена

(6.22)

так как

Величина называется чувствительностью фотодиода, учитывая (6.22) имеем

(6.23)

Как видно из (6.22) величина фототока при заданных λ и η определяется только мощностью излучения. Однако, при отсутствии излучения, через запертый диод течет обратный ток I_ф, называемый темновым. Этот ток вызывается электронами, перешедшими под влияние температурных изменений из валентной зоны в зону проводимости. Чем меньше величина энергии запрещенной зоны (Е_g), тем больше величина I_т.

Из соотношений (6.18) и (6.22) следует, что фототок может существовать лишь при выполнении условия

(6.24)

Это означает, что фотодиод, выполненный из данного вещества может регистрировать излучение лишь до некоторой граничной длины волны

(6.25)

называемой длинноволновой границей чувствительности (Например, для кремния , для германия ).

Зависимость S=F(λ) называется спектральной характеристикой ФД (рисунок 6.21)

Рисунок 6.21

Завал характеристики на длинных волнах объясняется резким уменьшением I_ф выше λ_гр, завал на коротких волнах объясняется шунтирующим действием емкости запертого р-n перехода. Широкополосность фотодиода (полоса пропускания) определяется на уровне 0,707S_max, где S_max – максимальная чувствительность фотодиода.

На вольтамперной характеристике (рисунок 6.22) видно, что величина фототока у запертого ФД определяется лишь мощностью излучения Р_и. Если фотодиод открыть, то, через него потечет прямой ток (ток диффузии, значительно превышающий фототок) и наконец, если излучение отсутствует, через ФД течет темновой ток.

Рисунок 6.22

Важной характеристикой фотодиодов, применяемых в ВОСП является и быстродействие Δτ_δ. Эта зависимость времени нарастания фототока при воздействии на фотодиод импульса мощности излучения (рисунок 6.23). Величину Δτ_δ определяют на уровне между 0,1I_{ф max} и 0,9 I_{ф max}, где I_{ф max} – максимальное значение установившегося фототока.

Рисунок 6.23

Так как величина Δτ_δ определяется временем дрейфа носителей через i-область, для улучшения характеристики быстродействия ФД необходимо выполнить i-область узкой. С другой стороны, для увеличения эффективности i-область желательно делать широкой. Компромисс между этими требованиями достигается в конструкции ФД выполненного в форме мезы (горы) (рисунок 6.24).

Рисунок 6.24