Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Однофотонные приёмники для систем квантового распределения ключей. Учебное пособие
.pdf
2.6. Цепи гашения однофотонных лавинных фотодиодов
51
В зависимости от конструкции время нарастания составляет около
0,2…1 нc для кремниевых фотодиодов и 40…500 пc для хорошо спроектированных фотодиодов на основе соединения InGaAs.
Временем нечувствительности называется время после завершения
процесса лавинного умножения, в течение которого ЛФД не способен регистрировать последующие фотоны, попадающие на чувствительную поверхность. Данный параметр определяется ёмкостью ЛФД и структурой
цепи гашения. Время нечувствительно ограничивает скорость работы
ЛФД. Однако принудительная установка большого времени нечувствительности (порядка 10 мс) уменьшает вероятность возникновения лавины
в результате воздействия остаточного импульса.
2.6. Цепи гашения однофотонных
лавинных фотодиодов
При воздействии оптического излучения на ЛФД электронно-ды-
рочная пара, рождённая при поглощении фотона в обеднённой области,
разделяется и ускоряется под воздействием сильного электрического поля
в области умножения. Образование большого количества новых свободных
носителей заряда в результате ударной ионизации приводит к возникновению самоподдерживающегося лавинного тока.
Электрические схемы ЛФД, работающие в токовом режиме, аналогичны схемам, которые используются при включении обычных фотодиодов в фотодиодном режиме. Однако существенно более высокая чувствительность лавинных фотодиодов позволяет при том же выходном напряжении усилителя использовать электрическую цепь или нагрузку с меньшим
сопротивлением, повышая тем самым быстродействие и расширяя полосу
пропускания.
Для обеспечения же возможности работы ЛФД в качестве счётчика
фотонов необходимо уменьшить (погасить) значение лавинного тока, протекающего через диод.
Наиболее простым способом гашения лавины является использование нагрузочного сопротивления (сопротивления гашения), включённого
2. Фотодетекторы для систем квантового распределения ключа
52
между ОЛФД и источником напряжения, подаваемого на фотодиод. Такой
метод гашения называется пассивным24.
На рис. 2.16 представлена эквивалентная схема лавинного фотоди-
ода с пассивным гашением, работающего в режиме счёта фотонов. На
ОЛФД подаётся избыточное напряжение смещения Ve, превышающее
напряжение пробоя Vbd. Рабочее напряжение ЛФД Vop равно сумме напряжения пробоя и избыточного напряжения смещения. Здесь Rd – сопротивление диода, Rq – сопротивление гашения, C– ёмкость диода.
V
op
C
V
d
V
R
q
R
d
VD
I
R
I
A
I
C
Рис. 2.16. Эквивалентная схема ОЛФД с пассивным гашением
Работу лавинного фотодиода с пассивным гашением можно описать
следующим образом (рис. 2.17)25.
1. До прибытия фотона на фотодиод напряжение V равно рабочему
напряжению Vop. Ток через диод не протекает IA = 0.
2. В результате воздействия фотона или термальной генерации про-
исходит запуск процесса лавинного умножения. Через ОЛФД начинает
протекать ток IA, значение которого резко возрастает со временем.
24
Гулаков И. Р. и др. Исследование лавинных фотоприёмников с большой
фоточувствительной площадью в режиме счёта фотонов // Приборы и техника эксперимента. 2007. № 12. С. 112115.
25
Rochas A. Single Photon Avalanche Diodes in CMOS Technology // Ph.D. the-
sis, Institute of Microelectronics and Microsystems. 2003. 231 p.
2.6. Цепи гашения однофотонных лавинных фотодиодов
53
3. При гашении (под воздействием сопротивления гашения Rq)
напряжение смещения V и тока IA уменьшаются.
4. После завершения процесса гашения напряжениеV становится
равным напряжению пробоя Vbd, а значение тока, протекающего через
диод, становится равным 0.
5. Далее происходит процесс зарядки фотодиода, при котором
напряжение смещение вновь устанавливается на уровне рабочего напряжения Vop. Время, которое требуется фотодиоду для зарядки, определяется
постоянной времени цепи и, следовательно, зависит от значений ёмкости
фотодиода и сопротивления гашения.
Пассивные цепи гашения имеют некоторые недостатки, одним из которых является низкая скорость. Пассивные цепи гашения не обладают высокой скоростью по двум причинам.
Во-первых, сопротивление цепи гашения и ёмкость ЛФД таковы, что
при их совмещении с другими паразитными ёмкостями образуется большой временной контраст, который не допускает быстрого падения напряжения смещения. Это означает, что гасящее действие немного задерживается, что может вызвать проблемы в точности регистрации пришедших фотонов, а также при последующей регистрации26.
Вторая причина – это возможность захвата носителей в pn-переходе
ЛФД. При высоких напряжениях и больших токах это случается чаще, и носители могут быть захвачены pn-переходом ЛФД. Чем дольше ЛФД остается непогашенным, тем больше вероятность захвата носителей. Сразу после
падения напряжения смещения и возврата тока к первоначальному значению
эти носители могут спонтанно переизлучаться. Если напряжение смещения
ЛФД возвращается к первоначальному значению слишком рано, то такие носители способны привести к ошибочному запуску процесса лавинного умножения. Для решения данной проблемы необходимо сохранять низкий уровень напряжения смещения в течение некоторого времени, что позволит
освободить захваченные носители без возобновления лавины. Чем дольше
26
Perkins M.L. at al. Review of tradeoffs for quenched avalanche photodiode
sensors for imaging turbid media // Microelectronics Journal. 2000. Vol. 31, Issue 7.
Р. 605610.
2. Фотодетекторы для систем квантового распределения ключа
54
сохраняется низкий уровень смещения, тем меньше вероятность повторного
лавинного процесса, вызванного переизлучёнными носителями27.
t
t
t
Рис. 2.17. Временные диаграммы работы ЛФД с пассивным гашением
Ещё один недостаток пассивной цепи гашения заключается в невозможности изменения такого параметра, как время нечувствительности,
ввиду его зависимости от номиналов компонентов цепи. В связи с этим возникают трудности при обеспечении необходимого для предотвращения повторного лавинного процесса времени нечувствительности. Уменьшение
излишних задержек по отношению к напряжению смещения является
также затруднительным. Сочетание двух этих факторов свидетельствует о
низкой разрешающей способности пассивных цепей гашения, а также о
большем времени, затрачиваемом на регистрацию28.
27
Perkins M.L. at al. Review of tradeoffs for quenched avalanche photodiode
sensors for imaging turbid media // Microelectronics Journal. 2000. Vol. 31, Issue 7.
Р. 605610.
28
Там же.
2.7. Фототранзисторы
55
Второй разновидностью гашения является активная цепь гашения.
Как следует из названия, активная цепь оказывает обратное действие на
ЛФД, чтобы как можно быстрее снизить напряжение смещения. Это позволяет значительно улучшить скорость по сравнению с пассивной схемой,
однако конструирование эффективной активной цепи представляет сложную задачу.
Еще одним способом гашения лавинного тока является сочетание
активных и пассивных элементов цепи. Это позволит упростить конструкцию, и в то же время в некоторой степени контролировать время задержки
и использовать импульсный сигнал для увеличения скорости гашения.
Также возможным схемотехническим решением является применение пассивного гашения для первой ступени. Активная цепь срабатывает, как
только пассивная цепь начинает уменьшать напряжение смещения ЛФД, и
тем самым помогает гашению путем подачи импульсов напряжения29.
2.7. Фототранзисторы
Значительно выше по сравнению с фотодиодами интегральная чувствительность у фототранзисторов. Биполярный фототранзистор пред-
ставляет собой обычный транзистор, но в корпусе его сделано прозрачное
"окно", через которое световой поток может воздействовать на область базы.
Схема включения биполярного фототранзистора рnр-типа со "свободной"
(никуда не включённой) базой приведена на рис. 2.18. Как обычно, на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном обратное.
Фотоны вызывают в базе генерацию пар носителей заряда электронов и дырок. Они диффундируют к коллекторному переходу, в котором
происходит их разделение так же, как и в фотодиоде. Дырки под действием
поля коллекторного перехода направляются из базы в коллектор и увеличивают ток коллектора. А электроны остаются в базе и повышают прямое
напряжение эмиттерного перехода, что усиливает инжекцию дырок в этом
29
Perkins M.L. at al. Review of tradeoffs for quenched avalanche photodiode
sensors for imaging turbid media // Microelectronics Journal. 2000. Vol. 31, Issue 7.
Р. 605610.; Rochas A. Single Photon Avalanche Diodes in CMOS Technology // Ph.D.
thesis, Institute of Microelectronics and Microsystems. 2003. 231 p.
2. Фотодетекторы для систем квантового распределения ключа
56
переходе. За счёт этого дополнительно увеличивается ток коллектора. В
транзисторе nрn-типа все происходит аналогично.
Rн
Епит
К
Э
Ф
Б
p
p
n
+-+ +
- -
- --
+
+
+
+
-
Рис. 2.18. Структура и схема включения фототранзистора со "свободной" базой.
Интегральная чувствительность у фототранзистора в десятки раз
больше, чем у фотодиода. Чувствительность может достигать сотен миллиампер на люмен. Фототранзистор со "свободной" базой имеет низкую температурную стабильность. Для устранения этого недостатка применяют
специальные схемы стабилизации. При этом, конечно, должен быть использован вывод базы. На этот вывод можно также подавать постоянное
напряжение смещения или электрические сигналы и осуществлять совместное действие этих сигналов и световых.
Выходные характеристики фототранзистора показаны на рис. 2.19.
Они аналогичны выходным характеристикам для включения транзистора
по схеме с общим эмиттером, но различные кривые соответствуют различным значениям светового потока, а не тока базы. Характеристики показывают, что при повышенном напряжении возникает электрический пробой
(штриховые участки).
Параметры фототранзисторов интегральная чувствительность, рабочее напряжение (10…15 В), темновой ток (до сотен микроампер), рабочий ток (до десятков миллиампер), максимальная допустимая рассеиваемая
мощность (до десятков милливатт), граничная частота. Фототранзисторы,
изготовленные сплавным методом, имеют граничные частоты до нескольких килогерц, а изготовленные диффузионным методом (планарные) могут
работать на частотах до нескольких мегагерц.
2.7. Фототранзисторы
57
Ф3>Ф2
Ф2>Ф1
Ф1>0
Ф=0
iк
Uк-э
Рис. 2.19. Выходные характеристики фототранзистора
Недостаток фототранзисторов сравнительно высокий уро-
вень собственных шумов.
Помимо рассмотренного биполярного фототранзистора применя-
ются и другие. Составной фототранзистор представляет собой фототранзистор, соединённый с обычным транзистором. Составной транзистор
имеет коэффициент усиления тока, равный произведению коэффициентов
усиления двух транзисторов. Интегральная чувствительность у составного
фототранзистора в десятки раз больше, чем у обычного, и в тысячи раз
больше, чем у фотодиодов. Высокая чувствительность и хорошее быстродействие достигаются при сочетании фотодиода с высокочастотным транзистором.
В качестве приёмников излучения используются и полевые фототран-
зисторы. На рис. 2.20 показан полевой фототранзистор с каналом n-типа.
При облучении n-канала в нем и в прилегающей к нему р-области (области
затвора) генерируются электроны и дырки. Переход между n-каналом и
р-областью находится под обратным напряжением. Поэтому под действием
поля перехода происходит разделение носителей заряда. В результате повышается концентрация электронов в n-канале, уменьшается его сопротивление и увеличивается концентрация дырок в p-области. Ток канала (ток стока)
возрастает. Кроме того, возникает фототок в цепи затвора. Фототок создаёт
падение напряжения на резисторе Rз, за счёт чего уменьшается обратное
напряжение на управляющем переходе каналзатвор. Это, в свою очередь,
приводит к дополнительному уменьшению его сопротивления и возрастанию тока стока. Таким образом осуществляется управление током стока с
помощью света.
2. Фотодетекторы для систем квантового распределения ключа
58
-
+
-
+
+ +
n n
n
Rз
Rн
И
С
Ф
Епит
З
р
Представляют интерес МДП-фототранзисторы с индуцирован-
ным (инверсным) каналом. Они имеют полупрозрачный затвор, через ко-
торый освещается область полупроводника под затвором. В этой области
происходит фотогенерация носителей заряда. За счёт этого изменяется значение порогового напряжения, при котором возникает индуцированный канал, а также крутизна, являющаяся основным параметром такого транзистора. На затвор иногда подают постоянное напряжение для установления
начального режима.
Ещё одна разновидность однопереходные фототранзисторы, в которых при облучении светом понижается напряжение включения.
Фототранзистор может использоваться в коммутационном или в линейном режиме. В коммутационном режиме его преимущество перед фотодиодом заключается в том, что можно непосредственно управлять относительно большими токами. В линейном режиме, напротив, фотодиод обеспечивает лучшую линейность и, следовательно, меньшие искажения.
При работе фототранзистора в режиме коммутации информация носит дискретный характер: присутствует ли излучение или, точнее, превосходит ли освещённость определенный порог. Фототранзистор блокирует или
пропускает (в режиме насыщения) ток, управляя непосредственно или после
усиления работой реле логической вентильной схемой (рис. 2.22).
Быстродействие коммутации ограничивается сопротивлением
нагрузки фототранзистора и может быть значительно улучшено, если далее
следует схема с малым входным импедансом схема с общей базой
(рис. 2.21, а) или преобразователь токнапряжение (рис. 2.21, б).
Рис. 2.20. Структура и схема включения полевого фототранзистора
2.8. Фототиристоры
59
+
+
+ +
+
а б в г
Рис. 2.21. Примеры использования фототранзисторов в схемах управления:
а реле; б реле после усиления; в логической вентильной схемой;
г тиристором
При работе фототранзистора в линейном режиме можно измерять
постоянную освещённость, т.е. на базе фототранзистора можно построить
простой люксметр (рис. 2.22).
+
а б
Рис. 2.22. Схемы, позволяющие повысить скорость
коммутации: а каскад с общей базой;
б преобразователь токнапряжение
Рис. 2.23.
Схема
люксметра
2.8. Фототиристоры
Помимо полупроводниковых устройств с двумя pn-переходами в
оптоэлектронике достаточно широко применяются переключающие приборы с тремя pn-переходами, которые называются фототиристорами.
+
-
+
+
-
Выход
2. Фотодетекторы для систем квантового распределения ключа
60
Тиристорные четырёхслойные структуры рnpn (рис. 2.24) могут
управляться световым потоком, подобно тому как триодные тиристоры
управляются напряжением, подаваемым на один из эмиттерных переходов.
При действии света на область базы р1 в этой области генерируются электроны и дырки, которые диффундируют к np-переходам. Электроны, попадая в область перехода П2, находящегося под обратным напряжением,
уменьшают его сопротивление. За счёт этого происходит перераспределение напряжения, приложенного к тиристору. Напряжение на переходе П2
несколько уменьшается, а напряжения на переходах П1 и П3 несколько увеличиваются. Но тогда усиливается инжекция в переходах П1 и П3, к переходу П2 приходят инжектированные носители, его сопротивление снова
уменьшается и происходит дополнительное перераспределение напряжения, ещё больше усиливается инжекция в переходах П1 и П3, ток лавинообразно нарастает (см. штриховые линии на рис. 3.17), т.е. фототиристор отпирается.
Ф
Rн
Епит
П1
П2
П3
р1
р2
n2
n1
-
+ + +
-
- - -
- - -
+ + +
+
-
Рис. 2.24. Структура и схема включения фототиристора
Чем больше световой поток, действующий на фототиристор, тем при
меньшем напряжении он включается. Это наглядно показывают вольт-амперные характеристики фототиристора, приведённые на рис. 2.25. После
включения на фототиристоре устанавливается, как обычно, небольшое
напряжение и почти все напряжение источника Е
пит
падает на нагрузке. Ино-
гда у фототиристора бывает сделан вывод от одной из базовых областей
(р1 или n2). Если через этот вывод подавать на соответствующий эмиттерный
переход прямое напряжение, то можно понижать напряжение включения.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]