Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Однофотонные приёмники для систем квантового распределения ключей. Учебное пособие
.pdf
2.2. Фотодиоды
31
Интегральная чувствительность
Вт
В
Ф
U
S
d
d
или
Вт
А
Ф
I
S
d
d
представляет собой меру реакции фотодетектора на световой поток Ф заданного спектрального состава. Для фотонных фотодетекторов интегральная чувствительность зависит как от спектра чувствительности фотодетектора, так и от спектра регистрируемого светового потока. Наиболее часто в
качестве эталонного светового потока для определения S используют излучение абсолютно черного тела с заданной температурой Т или излучение
эталонной лампы накаливания с вольфрамовой нитью.
Минимально различимый сигнал Ф
мин
представляет собой вели-
чину светового потока, измеряемую в ваттах, которая на выходе фотодетектора создаёт сигнал, равный шуму. Напомним, что мощность белого
шума пропорциональна корню квадратному из полосы пропускания f
усилительного тракта.
Эквивалентная мощность шума NЕР представляет собой величину светового потока, которая на выходе фотодетектора в единичной полосе частот вызывает сигнал, равный шуму.
Инерционность представляет способность фотодетектора без иска-
жения регистрировать быстрые изменения интенсивности светового потока.
Она характеризуется граничной частотой f
макс
, при которой чувствительность
фотодетектора падает в заданное число (обычно в 2 или е) раз.
2.2. Фотодиоды
Принцип работы фотодиода (ФД) заключается в следующем
(рис. 2.1). По разные стороны от перехода полупроводника р-типа к полупроводнику n-типа образуется обеднённый слой с недостатком свободных
носителей, и состояние равновесия поддерживается электрическим полем.
Благодаря наличию поля между двумя типами полупроводникового материала устанавливается потенциальный барьер.
В отсутствие приложенного внешнего напряжения ток через переход равен нулю. При приложении к диоду внешнего напряжения изменяется высота потенциального барьера, что приводит к изменению тока основных носителей и ширины обеднённой зоны.
2. Фотодетекторы для систем квантового распределения ключа
32
При приложении обратного напряжения достаточно большой вели-
чины высота потенциального барьера становится настолько значительной,
что ток основных носителей оказывается пренебрежимо малым, и обратный ток диода определяется током неосновных носителей.
Если на фотодиод воздействует излучение, то образуются пары элек-
трон-дырка. Чтобы эти носители могли внести вклад в протекающий ток,
нужно, чтобы они не рекомбинировали друг с другом. Для этого они
должны быть быстро разделены под воздействием поля. Это возможно в
обеднённом слое (слое пространственного заряда).
Е
пит
n
p
Обедненный
слой
+
-
hv
I
ФД
+
Рис. 2.1. Возникновение электронно-дырочных пар
в обеднённом слое pn-перехода вследствие фотоэффекта
Необходимо, чтобы пластина освещаемого полупроводника была
очень тонкой для прохождения через неё наибольшей части падающей
энергии. Напротив, обеднённый слой делается толстым для максимального
поглощения излучения.
Эти замечания особенно существенны в случае рin-фотодиодов, в
которых материал с малой собственной проводимостью (i-слой) заключён
между полупроводниковыми слоями р- и n-типа (рис. 2.2). Обратного
напряжения в несколько вольт достаточно, чтобы обеднённая область распространилась на весь полупроводниковый i-слой.
Рассмотрим основные режимы работы фотодиодов.
В фотодиодном режиме принципиальная схема фотодиода харак-
теризуется наличием напряжения E
пит
, которое приложено к фотодиоду в
обратном направлении. На клеммах нагрузочного резистора Rн выделяется
выходной сигнал UR = RнIФД (рис. 2.3, а).
2.2. Фотодиоды
33
p
n
i
Слой с
собственной
продимостью
Ф
I
ФД
+
Е
пит
Рис. 2.2. Структура pin-фотодиода
Из соответствующей эквивалентной электрической схемы следует,
что
ФДRпит
U-UЕ
.
На семейство кривых фотодиода можно нанести прямолинейную ха-
рактеристику нагрузки (рис. 2.3, б)
н
ФД
н
пит
ФД
R
U
R
Е
I
.
а б
Рис. 2.3. Фотодиодный режим: а принципиальная схема; б семейство ВАХ
при различных значениях падающего потока Ф и нагрузочная прямая
В фотогальваническом режиме фотодиод не имеет какого-либо
внешнего источника питания. Он работает как преобразователь энергии и
U фд
I фд
Rн
Uн
E пит
Ф
0,250-5-10-20-30-40
10
20
30
40
50
60
(-Es)
Падающий поток
λ=0,9мкм
50мкВт
100мкВт
150мкВт
200мкВт
IФД, мкА
UФД,В
Δ
2. Фотодетекторы для систем квантового распределения ключа
34
эквивалентен генератору, характеризующемуся либо напряжением холостого хода, либо током короткого замыкания.
Режим работы фотодиода выбирают в зависимости от требуемых характеристик и задачи проводимых исследований.
Отличительными особенностями фотодиодного режима являются
линейность, малое время запаздывания и широкая полоса пропускания.
Основная схема включения ФД в фотодиодном режиме показана на
рис. 2.4, а. Увеличение сопротивления нагрузки Rн в схеме позволяет
уменьшить шум, но ценой ухудшения быстродействия. Большой входной
импеданс усилителя позволяет избежать уменьшения эффективной
нагрузки фотодиода.
Схема включения ФД в фотодиодном режиме с высоким быстродействием показана рис. 2.4, б.
Ф
Ф
DA
R1
Rн
Iфд
VD
Епит
R2
+
Uвых
DA
R2R1
Uвых
+
-
+
-
Епит
Iфд
VD
R3
С1
С2
а б
Рис. 2.4. Схемы включения ФД в фотодиодном режиме:
а основная схема; б схема с высоким быстродействием
Сопротивление нагрузки фотодиода в этой схеме мало и равно со-
противлению R1+R2, делённому на коэффициент усиления разомкнутого
контура усилителя на рабочей частоте. Дополнительная ёмкость конденсатора С2 компенсирует действие паразитной ёмкости С1 при условии
R1C1 = R2C2. Используемые усилители должны иметь очень малый входной
ток и пониженный температурный дрейф.
Выходное напряжение схемы
ФД21вых
IRRU
.
Отличительными особенностями фотогальванического режима яв-
ляются линейная или логарифмическая реакции в зависимости от нагрузки,
минимальный фоновый шум, сравнительно большое время запаздывания и
2.3. Физические основы работы лавинных фотодиодов
35
уменьшенная полоса пропускания, а также существенная температурная
зависимость характеристики при логарифмической реакции.
Схема с линейным выходом на рис. 2.5 ,а предназначена для измере-
ния тока короткого замыкания IФД фотодиода. Здесь
ФД2вых
IRU
.
Схема с логарифмическим выходом на рис. 3.8, б предназначена для
измерения напряжения холостого хода UФД. Здесь
ФД
1
21
вых
U
R
RRU
.
Ф
DA
R1
VD
R2
+
-
Uвых
Uфд
Ф
DA
R1
Iфд
VD
R2
+
-
Uвых
а б
Рис. 2.5. Схемы с линейным (а) и логарифмическим (б) выходом ФД
в фотогальваническом режиме
2.3. Физические основы работы лавинных фотодиодов
Для реализации предельных характеристик работы оптических теле-
коммуникационных систем и для обеспечения высокой точности регистрации оптического излучения в системах связи, фотоприёмный модуль должен работать в одноэлектронном режиме, раздельно регистрируя каждый
акт преобразования фотонов в фотоэлектрон. Последнее предполагает применение в качестве фотоприёмной аппаратуры высокочувствительных фотоэлектронных счётчиков. Одним из направлений в области регистрации
одиночных фотонов является применение метода счёта фотонов.
Метод счёта фотонов эквивалентен энергетическому приёму,
который основан на измерении и фиксации элементарных порций энергии, заключенных в сигнале.
Регистрация оптического излучения на уровне счёта отдельных фотонов непрерывно развивается главным образом в двух направлениях: расширяется область применения метода и повышается эффективность регистрации в результате разработки новых одноэлектронных фотодетекторов
2. Фотодетекторы для систем квантового распределения ключа
36
и использования способов, увеличивающих чувствительность фотодетекторов и расширяющих динамический диапазон регистрируемых оптических сигналов1.
Для детектирования оптических сигналов в волоконно-оптических
системах передачи наиболее совершенными фотоприёмниками являются
лавинные фотодиоды (ЛФД), имеющие ряд преимуществ перед другими
типами регистраторов2:
за счёт внутреннего усиления обладают высоким соотношением
сигнал/шум;
имеют более высокую квантовую эффективность по сравнению с
фотоэлектронными умножителями;
вследствие малой глубины зоны обеднения обладают высоким вре-
менным разрешением и высокой скоростью счёта.
Лавинные фотодиоды работают преимущественно в двух спектраль-
ных диапазонах. В первом диапазоне 800…900 нм оптимальным является
кремниевый ЛФД по надёжности, электрическим характеристикам, технологичности и стоимости. В спектральном диапазоне 1000…1600 нм используются германиевые ЛФД и ЛФД на основе InGaAs. Лавинные фотодиоды отличаются от обычных pn- и pin-фотодиодов наличием внутреннего умножения заряда.
В волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) передача информа-
ции производится в области длин волн 1550 нм, в которой достигается
наименьшее затухание оптического сигнала при его распространении по
волокну. Наиболее чувствительными для детектирования фотонов в данном диапазоне являются лавинные фотодиоды на основе соединения
InGaAs, ширина запрещённой зоны которых обеспечивает работу на длинах волн 1300…1600 нм 3.
1
Бычков С. И., Румянцев К. Е. Поиск и обнаружение оптических сигналов:
монография под ред. К. Е. Румянцева. М.: Радиоисвязь, 2000. 282 с.
2
Perkins M. L. atal. Review of tradeoffs for quenched avalanche photodiode sensors for imaging turbid media // Microelectronics Journal. 2000. Volume 31, Issue 7.
Р. 605610.
3
Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи. М: Изд-во «Техно-
сфера», 2003. 447 с.
2.3. Физические основы работы лавинных фотодиодов
37
Фотодиоды представляют собой полупроводниковые устройства,
предназначенные для преобразования оптического излучения в электрический ток. Они используются в качестве фотодетекторов в различных областях применения.
Фотодиоды с pin-переходом работают при нулевом или низком
обратном смещении, но не обеспечивают внутреннего усиления. Эти фотодиоды могут использоваться для чувствительного фотодетектирования
совместно с малошумящими электронными усилителями. Однако они
слишком сильно шумят для приёма одиночных фотонов4.
Лавинный фотодиод (ЛФД) специально спроектирован для обеспечения внутреннего усиления. Основное отличие ЛФД от pin-фотодиодов,
имеющих структуру p+in+, заключается в наличии дополнительного рслоя. При этом создается p+ipn+ структура с таким профилем распределения легирующих примесей, при котором наибольшая напряжённость
электрического поля имеет место в p-слое, обеспечивая тем самым
наименьшую проводимость данного слоя. По этой причине обратное смещение в ЛФД столь велико, что обеднённый слой увеличивается до размеров i-слоя, не снижая, а даже увеличивая напряжённость электрического
поля. В связи с этим электронно-дырочные пары, созданные падающим оптическим излучением, разделяются и ускоряются этим полем в обеднённом
слое, получая энергию, достаточную для ионизации атомов кристалла.
Сталкиваясь с нейтральными атомами, носители вызывают возрастающее
в геометрической прогрессии возникновение электронов и дырок, так называемый лавинный эффект5.
При воздействии оптического излучения на i-слой создаваемые
электронно-дырочные пары из-за имеющегося электрического поля разделяются и движутся к соответствующим полюсам, попадая в p-слой. Учитывая, что электрическое поле в данном слое намного выше, их ускорение
возрастает, позволяя накопить такую энергию, которая становится достаточной для возбуждения (генерирования) дополнительных электронов и
4
Single photon detection module application note (Электронный ресурс).
http://www.idquantique.com/products/files/id200-appnote.pdf.
5
Кауфманн К. Световое излучение и шум. Руководство по выбору фотоде-
текторов. // Фотоника. №3. 2007. С. 69.
2. Фотодетекторы для систем квантового распределения ключа
38
перехода их из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс носит
название умножения первичного фототока.
Умножение фототока в ЛФД осуществляется за счёт ударной ионизации в сильном электрическом поле, когда носители приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов кристалла и рождения новых
электронно-дырочных пар6.
В кремниевых ЛФД (рис. 2.6) последовательность слоёв обычно следующая: n+рр-р+. Высоколегированные слои n+ и р+ представляют собой контактные области, а р-зона с почти собственной проводимостью формирует поглощающий слой. Зону усиления определяет пик электрического
поля на стыке n+/р-слоев, а защитные кольца предотвращают боковую
утечку зарядов. Верхний слой из нитрида кремния (Si3N4) служит антиотражательным покрытием7.
Рис. 2.6. Структуры коротковолнового Si и длинноволнового InGaAs ЛФД
Кремний является предпочтительным материалом для изготовления
ЛФД, потому что его скорость для ионизации электронов в 10…100 раз
больше, чем тот же показатель для дырок в спектральной области от 800 до
900 нм. В длинноволновом диапазоне (от 1 до 1,6 мкм) кремний становится
прозрачным, поэтому в этом случае следует использовать другие материалы с более узкими запрещёнными зонами. При изготовлении ЛФД можно
6
Арсеньев В. В., Давыдов Ю. Т. Приёмные устройства оптического диапа-
зона: учеб.пособие. М.: Изд-во МАИ, 1992. 157 с.
7
Иванов А. В. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измере-
ния. М.: Сайрус Системс, 1999. 658 с.
2.3. Физические основы работы лавинных фотодиодов
39
применять германий, однако германий при почти равной скорости ионизации носителей создаёт высокие избыточные шумы. Другие материалы, такие как InGaAsP и InGaAs, также могут быть использованы для изготовления ЛФД, чувствительных на более длинных волнах8.
Лавинные фотодиоды из арсенида галлия обычно обладают двойной
гетероструктурой, где поглощение происходит только в слое InGaAsс
наименьшей шириной запрещённой зоны. Окружающие слои фосфида индия (InP) имеют более широкие запрещённые зоны и, следовательно, оказываются проницаемыми для фотонов. Слой промежуточной шириной запрещённой зоны (InGaAsP) обеспечивает быстрое удаление положительных носителей (дырок) и, следовательно, увеличивает верхнюю рабочую
частоту ЛФД. Верхний слой из нитрида кремния (Si3N4) служит антиотражательным покрытием (89).
Пусть фотон входит в p-зону диода. Здесь энергия фотона поглоща-
ется, создавая электронно-дырочную пару путём перехода электрона из валентной зоны с малой энергией в зону проводимости с высокой энергией.
Электрон перемещается по направлению к положительно заряженному
контакту кольца. Когда он достигает зоны сильного электрического поля
на pn-переходе создаётся ударной ионизацией дополнительная электронно-дырочная пара и начинается лавинный процесс, который приводит
к увеличению числа носителей.
В случае ЛФД, основанном на соединении InGaAs/lnP, фотон погло-
щается в узкой запрещённой зоне слоя InGaAs (см. рис. 2.7).
Фотосгенерированная дырка затем инжектируется в более широкую
запрещённую зону слоя умножения InP. Разделение поглощающего и умножающего слоев предназначено для оптимизации поведения лавины и минимизации избыточного шума. Это также гарантирует, что туннельный
пробой в узкой запрещённой зоне уровня InGaAs происходит при значениях, меньших, чем пороговый уровень лавинного умножения, что не мешает работе. Из-за различий между значениями запрещённых зон слоёв
8
Чео П. К. Волоконная оптика: Приборы и системы: пер. с англ. М.: Энер-
гоатомиздат, 1988. 280 с.
9
Иванов А. В. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измере-
ния. М.: Сайрус Системс, 1999. 658 с.
2. Фотодетекторы для систем квантового распределения ключа
40
InGaAs и InP, уровень InGaAsP используется для сглаживания разрыва зон,
который в противном случае мог бы заманивать в ловушку носители заряда
и увеличивать постоянную времени10.
Рис. 2.7. Лавинный процесс в ЛФД на основе соединения InGaAs/lnP
2.4. Принцип работы однофотонного лавинного фотодиода
Для детектирования слабых оптических сигналов с применением
ЛФД преимущественно используется режим Гейгера. В таком режиме при
приёме фотонов на фотодиод подаётся постоянное напряжение смещения,
большее, чем напряжение пробоя. Ток лавинного умножения, возникающий в результате попадания фотона на чувствительную поверхность ЛФД,
позволяет зарегистрировать фотон.
Вольт-амперная характеристика ЛФД на рис. 2.8 иллюстрирует, каким образом может быть достигнута чувствительность фотодиода к одиночным фотонам при работе в режиме Гейгера.
На лавинный фотодиод подаётся напряжение смещения, превышающее по модулю напряжение пробоя (точка А). При этом фотодиод находится в метастабильном состоянии до тех пор, пока на его фоточувствительную поверхность не попадёт хотя бы один фотон. Энергия фотона создаёт электронно-дырочную пару. Сталкиваясь с нейтральными атомами в
10
Cova S. et al Evolution and prospects for single-photon avalanche diodesand
quenching circuits // Journal of modern optics. 2004. Vol. 51. № 910. P. 12671288.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]