Федеральное агентство связи

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

Контрольная работа по курсу:

Оптоэлектроника и нанофотоника Вариант № 24

Выполнил: Самарин Д.С

Проверил: Токарский Р.В

Новосибирск 2017

Содержание:

1. Задача 1………………………………………………………...…………3-6

2. Задача 2……………………………………………………………….…..7-8

3. Задача 3………………………………………………………………….9-10

4. Задача 4…………………………………………………………...……11-13

Список используемой литературы……………………………………..…….14

Задача 1

Изобразить структуру фотоприемника. Изобразить ВАХ фотоприемника. Дать определение основным параметрам. Пояснить принцип работы фотоприемника.

Вариант № 4 – Лавинный фотодиод

Решение:

Лавинные фотодиоды - высокочувствительные полупроводниковые приборы, преобразующие свет в электрический сигнал за счёт фотоэффекта. Их можно рассматривать в качестве фотоприёмников, обеспечивающих внутреннее усиление посредством эффекта лавинного умножения. С функциональной точки зрения они являются твердотельными аналогами фотоумножителей. Лавинные фотодиоды обладают большей чувствительностью по сравнению с другими полупроводниковыми фотоприёмниками, что позволяет использовать их для регистрации малых световых мощностей (≲ 1 нВт).

Предельная чувствительность p-i-n-фотодиода определяется хаотическими флуктуациями напряжения и тока на выходе, которые имеются как в присутствии оптического сигнала, так и без него. В случае p-i-n-диода – это тепловой и дробовой шум и шум темнового тока. Значительного увеличения пороговой чувствительности можно добиться в лавинных фотодиодах (ЛФД), работа которых основана на лавинном умножении носителей, так как в этом случае возникает внутреннее усиление. Конечно, при этом умножатся шумы диода, но суммарный эффект останется положительным, Такое умножение можно получить в лавинном процессе при высоких значениях электрического поля в лавинном фотодиоде. Структура продольного сечения ЛФД показан на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Структура продольного сечения ЛФД.

Особенностью ЛФД является наличие защитного кольца в виде глубоко диффундированной n-области на краю n⁺-p-перехода. Защитное кольцо уменьшает ток утечки вблизи краёв перехода и предотвращает низковольтный пробой.  Структура материалов, образующих ЛФД, его топологическая схема и технология изготовления обеспечивают работоспособность устройства в таком режиме. Процесс образования носителей в ЛФД, включение его в цепь, возникновение фототока и распределение напряженности электрического поля.

Если поле в активной зоне фотодиода велико и энергия, приобретаемая фотоносителями тока (электронами и дырками) в этом поле превышает энергию образования электронно-дырочных пар, то начинается лавинообразный процесс размножения носителей. Процесс размножения начинается с генерации носителей под действием излучения, т. е. имеем фотодиод с лавинным размножением носителей.

Усиление первичного фототока в лавинном фотодиоде определяется коэффициентом лавинного размножения:

где I_ф – ток на выходе фотодиода с учетом размножения;

I_ф0 – ток при отсутствии размножения.

Таким образом, коэффициент лавинного размножения в лавинном фотодиоде является коэффициентом усиления, фототока.

Известно, что коэффициент размножения зависит от напряжения на переходе:

где U_проб – пробивное напряжение;

U – напряжение на р – n переходе;

m – коэффициент, учитывающий вид и тип проводимости полупроводникового материала (m=1,52 для кремния р – типа; m= 3,44 для кремния n – типа).

Тогда ВАХ лавинного фотодиода можно представить в виде:

Рисунок 1.2 – ВАХ фотодиода.

Лавинные фотодиоды перспективны при обнаружении слабых оптических сигналов. Широкое применение лавинных фотодиодов связано со значительными трудностями. Это связано с тем, что в предпробойном режиме коэффициент усиления фототока K_i резко зависит от напряжения. Поэтому лавинные диоды нуждаются в жесткой стабилизации рабочего напряжения путем термостатирования. Лавинным фотодиодам присущ большой разброс параметров у отдельных образцов. Высокие рабочие напряжения, низкий КПД преобразования затрудняют их использование в микросхемах.

Принцип работы фотодиода: При подаче сильного обратного смещения (близкого к напряжению лавинного пробоя, обычно порядка нескольких сотен вольт для кремниевых приборов), происходит усиление фототока (примерно в 100 раз) за счёт ударной ионизации (лавинного умножения) генерированных светом носителей заряда. Суть процесса в том, что энергия образовавшегося под действием света электрона увеличивается под действием внешнего приложенного поля и может превысить порог ионизации вещества, так что столкновение такого «горячего» электрона с электроном из валентной зоны может привести к возникновению новой электрон-дырочной пары, носители заряда которой также будут ускоряться полем и могут стать причиной образования всё новых и новых носителей заряда.