4.2. Фотоприемники

Фотоприемники обеспечивают преобразование оптического излучения в электрический ток или напряжение, что позволяет осуществлять обработку сигналов (усиление, фильтрацию и т. д.) электронными схемами. Основными требованиями, предъявляемыми к фотоприемникам ВОСП, являются: высокая чувствительность на рабочей длине волны, малая инерционность, низкий уровень собственных шумов, стабильность параметров, небольшие размеры, высокая надежность и низкое напряжение питания. Перечисленным требованиям в наиболее полной мере удовлетворяют p-i-nи лавинные фото­диоды (ЛФД), которые в основном и применяются в ВОСП.

В основе работы фотодиодов лежит явление внутреннего фотоэффекта в полупроводниковом материале, связанное с поглощением фотона, энергия которого больше или равна ширине запрещенной зоны, и сопровождающееся переходом электрона из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочной пары). Эффективная регистрация генерированных в по­лупроводнике электронно-дырочных пар обеспечивается путем разделения носителей заряда конструкцией с р-n-переходом, которая называется фото­диодом.

Схематическое изображение структур p-i-n-фотодиода и ЛФД, их включение и распределение в этих структурах электрического поля показаны на рис. 4.11. Дляp-i-n-фотодиода характерно наличиеi-области (слаболе­гированный полупроводникn-типа) между тонкими слоями полупроводника- и-типа (знак + означает сильное легирование). Поэтому при обрат­ном смещенииp-n-перехода образуется широкая обедненная область, в ко­торой перенос носителей заряда осуществляется под действием электриче­ского поля (дрейфовое движение). Наличие электрического поля вi-области, где в основном поглощаются фотоны падающего излучения и генерируются электронно-дырочные пары, обеспечивает быстрое разделение носителей заряда, а следовательно, высокое быстродействие процесса преобразования оптического излучения в электрический ток.

Рис. 4.11. Структура, включение и распределение электрического поля:

а — p –i−n-фотодиода; б — лавинного фотодиода.

Так как обедненная область достаточно широка, то достигается и высокая эффективность пре­образования поглощаемой оптической мощности в электрический ток. Эффективность (квантовый выход) такого преобразования равна почти 100% для фотонов, поглощаемых в i-слое. Однако 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 из показа­теля преломления полупроводника и воздуха. Этот слой называют антиотражающим покрытием, и его толщина равна четверти рабочей длины волны.

При рассмотрении процесса работы p-i-n-фотодиода следует иметь в ви­ду, что часть фотонов падающего излучения поглощается в- и-слоях и возбуждает там носители заряда, которые движутся за счет диффузии. Скорость диффузионного движения значительно (примерно на три порядка) ниже скорости дрейфа носителей заряда вi-области. Поэтому диффузион­ный ток, обусловленный поглощением части излучения за пределами обед­ненной области, ухудшает быстродействие, обусловливая появление так называемых диффузионных «хвостов» на импульсной характеристике. Так как часть носителей, возбужденных в- и- слоях, рекомбинирует, то квантовый выход уменьшается. Поэтому для обеспечения высоких показа­телей быстродействия и квантового выхода при разработке конструкцийp-i-n-фотодиода стремятся-слой сделать как можно тоньше, а толщинуi-слоя выбирают большей длины поглощения света, которая зависит от мате­риала полупроводника и длины волны излучения.

Каждая электронно-дырочная пара, генерированная при поглощении фотона и разделенная р-n-переходом, вызывает прохождение через внешнюю нагрузку электрического заряда, равного заряду электрона. Следова­тельно, при падении на фоточувствительную поверхность фотодиода опти­ческого излучения мощностью Р, Вт, через нагрузку будет протекать ток, называемый фототоком и равный, гдеSi— токовая чувствитель­ность фотодиода, А/Вт.

Токовая чувствительность зависит от длины волны падающего излучения. Характер этой зависимости определяется спектральной характеристикой квантового выхода, которая обычно имеет вид плавной кривой с более или менее выраженным максимумом и определяется материалом полупроводника (рис. 4.12).

Рис. 4.12. Спектральная характеристика квантового выхода

Типичное значе­ние токовой чувствительности p-i-n-фотодиодов в их рабочих диапазонах длин волн составляет 0,3... ...0,7 А/Вт. Если мощность падающего излучения очень мала, что желательно для системы связи, то шумы фотоприемника, нагрузки и по­следующего электронного усилителя фототока могут оказаться недопустимо большими по сравнению с уровнем полезного сигнала. Следовательно, желательно увеличить фототок перед его усилением в электронном усилителе, повысив тем самым чувствительность.

Усиление первичного фототока обеспечивается механизмом лавинного умножения, который используется в схематически показанной на рис. 4.11,6 -структуре ЛФД. Профиль распределения легирующих примесей в ЛФД подобран таким образом, что при сравнительно большом обратном смещении в узком слое левееi-области создается сильное электрическое поле, в котором носители заряда приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации и лавинного умножения первичных носителей заряда. Лавинное умножение (усиление) первичного фототока является случайным процессом, и поэтому оно вносит дополнительные шумы. Усиление ЛФД характеризуется средней величиной коэффициента лавинного умножения (коэффициентом умножения М), который показывает, во сколько раз выходной фототок лавинного фотодиода превышает первичный фототок фото­диода, протекающий при отсутствии в нем эффекта лавинного умножения. Коэффициент умножения составляет несколько десятков, так что токовая чувствительность лавинных фотодиодов значительно превышает токовую чувствительностьp-i-n-фотодиодов. Обычно величина токовой чувствительно­сти лавинных фотодиодов составляет 20 ... 60 А/Вт. Величина коэффициента умножения приближенно может быть определена по эмпирической фор­муле, где — напряжение внешнего смещения;— напряжение лавинного пробоя; β = 1,5 ... 9 — в зависимости от материала и конструкции.

Конструкции p-i-n- и лавинных фотодиодов отличаются большим разнообразием. На рис. 4.13 показаны сечения двух конструкций: кремниевогоp-i-n-фотодиода и германиевого ЛФД р+-n-структуры.

Рис. 4.13. Конструкции фотодиодов:

а — р—i—n-кремниевого; б — лавинного германиевого:

1 — антнотражающее покрытие; 2 — охранное кольцо

(контактные области заштрихованы)

Рис. 4.14. Эквивалентная схема р – i-n- и лавинного фотодиодов

Для улучшения характеристик фотодиодов по краям вокруг перехода формируется зона с более глубоким проникновением -слоя (охранное кольцо). Для р-i-n-фотодиода охранное кольцо способствует увеличению пробивного напряжения и уменьшению токов поверхностных утечек, а для ЛФД обеспечивает еще и равномерный лавинный режим по всей площади диода.

Как функциональные элементы p-i-n-фотодиод и ЛФД могут быть представлены в виде одной и той же эквивалентной схемы, показанной на рис. 4.14. Здесь генератор тока, величина которого равнаP∙Si, отражает преобразование оптического излучения в фототок. Конденсаторпредставляет барьерную емкость обратносмещенного пе­рехода, резистор— последовательное со­противление (несколько Ом),R_д—диффе­ренциальное сопротивление обратносме­щенного диода. Обычнонастолько велико, что во всех практических случаях его можно исключить из рассмотрения. Поэтому, учитывая также малость, используют упрощенную эквивалентную схему в виде источника тока, шунтируемого емкостью.

Наиболее важными параметрами и характеристиками фотодиодов как фотоприемников, определяющими их применение в ВОСП, являются: токовая чувствительность, квантовый выход, коэффициент умножения (для ЛФД), темновой ток, емкость фотодиода, предельная частота (или время нарастания и время спада), порог чувствительности и область спектральной чувствительности или спектральная характеристика чувствительности (квантово­го выхода). Определенное значение имеют также такие параметры, как рабочее напряжение смещения, предельное (пробивное) напряжение, размеры фоточувствительной площадки и др.

Понятие о токовой чувствительности уже рассматривалось. По определению, она представляет собой отношение фототока к мощности оптического излучения, падающего на фоточувствительную поверхность фотоприемника. Различают интегральную и монохроматическую токовую чувствительности. Под интегральной токовой чувствительностью понимают чувствительность фотоприемника к излучению заданного (обычно весьма широкого) спектрального состава. Монохроматическая токовая чувствительность определяет чувствительность фотоприемника к монохроматическому излучению на определенной длине волны. Так как излучение применяемых в ВОСП светодиодов и особенно лазерных диодов является близким к монохроматическому, то ясно, что для рассматриваемых фотоприемников представляет интерес толь­ко монохроматическая токовая чувствительность. Обычно она и указывается в паспортных данных фотодиодов, используемых в ВОСП, для области спектра максимальной чувствительности, где, как правило, должен работать фотодиод. Квантовый выход фотодиода однозначно связан с токовой чувствительностью следующей зависимостью: , где λ — длина волны, мкм.

В отсутствие падающего на фотодиод излучения при его обратном смещении через нагрузку протекает весьма небольшой ток, который называется темповым. Величина этого тока зависит от материала полупроводника, температуры и конструкции прибора. Наиболее значителен темновой ток в фотодиодах из германия, составляющий обычно доли миллиампера и даже единицы миллиампер. В фотодиодах из других материалов темновой ток намного меньше. Темповой ток лавинных фотодиодов состоит из двух составляющих, одна из которых проходит внутри объема прибора через область лавинного умножения и поэтому усиливается, а другая вызвана поверхностными токами утечки.

Инерционные свойства фотодиодов оценивают по значению предельной частоты или времени нарастания и спада. Предельная частота определяется как частота гармонической модуляции падающего на фотодиод модулированного по интенсивности излучения, при которой чувствительность уменьшается до 0,707 чувствительности при немодулированном излучении. Время спада и время нарастания определяют по интервалам времени переднего и заднего фронта между уровнями 0,1 и 0,9 переходной характеристики, представляющей собой отклик на воздействие прямоугольного импульса излучения большой длительности. У лавинных фотодиодов увеличение коэффициента умножения сопровождается уменьшением быстродействия. По­этому их характеристикой является произведение коэффициента умножения и полосы пропускания (численно полоса пропускания равна предельной частоте), которое часто называют добротностью фотоприемника. Для лавинных фотодиодов, используемых в высокоскоростных ВОСП, добротность лежит в пределах 10 ... 100 ГГц.

Шумовые свойства фотоприемников определяются порогом чувствительности, током шума и напряжением шума, а также связанными с ними пара­метрами: удельным порогом чувствительности, порогом чувствительности в единичной полосе частот и обнаружительной способностью. Для применяемых в ВОСП фотодиодов наиболее часто в паспортных данных приводят порог чувствительности и ток шума. Ток шума представляет собой среднеквадратическое значение флуктуации темнового тока в заданной полосе частот и определяется по формуле

,

где q— заряд электрона;— темновой ток на выходе фотодиода;— коэффициент избыточного шума лавинного умножения. Для р—i—n-фотодиода в этой формуле следует положить М=1 и=1 . Коэффициент избыточного шума лавинного фотодиода

,

где k— отношение коэффициентов ударной ионизации носителей заряда (меньшего к большему независимо от того, относятся они к электронам или дыркам). Приближенно величина, гдеx=0,2...0,3 для кремниевых ЛФД и х ≈1 для ЛФД из германия; у лавинных фотодиодов, изготовленных на основе полупроводниковых материалов типа,xлежит в пределах 0,3... 1.

Ток шума, приведенный к единичной полосе частот , называется плотностью шумового тока. Плотность шумового тока лавинного фотодиода,:

,

Другим параметром, характеризующим шумовые свойства фотоприемника, является порог чувствительности. Порог чувствительности определя­ется как среднеквадратическое значение первой гармоники действующего на фотоприёмник модулированного по интенсивности излучения, при котором среднеквадратическое (эффективное) значение фототока первой гармоники равно среднеквадратическому значению тока шума в заданной полосе на частоте модуляции. Обычно порог чувствительности приводит к единичной полосе, и часто называют эквивалентной мощностью шума. Эквивалентная мощность шума, , определяет минимальную мощность оптического сигнала на входе фотоприемника, при которой отношение сигнал/шум равно единице, и определяется по формуле

,

Область спектральной чувствительности фотоприемника определяется диапазоном длин волн, в котором токовая чувствительность составляет не менее 10% от своего максимального значе­ния. На практике стремятся использовать фотоприемник, имеющий на рабочей длине волны ВОСП максимум чувствительности. Поэтому длину волны, на которой имеется максимум токовой чувствительности фото­диода, часто называют рабочей длиной волны.

При выборе фотоприемника для ВОСП необходимо руководствоваться задачей ми­нимизации мощности принимаемого излуче­ния, требуемой для получения заданного отношения сигнал/шум или коэффициента ошибок. Лавинные фотодиоды в этом смысле имеют преимущество перед р—i—n-фотодиодами. Однако они обладают ря­дом недостатков по сравнению с р—i—n-фотодиодами.

Рис. 4.15. Зависимость коэффициента умножения ЛФД от рабочего напряжения

Одним из главных недостатков ЛФД является сильная температурная зависимость коэффициента умножения (рис. 4.15). Другими недостатками являются требование более высокого напряжения питания, меньшая надежность и относительно высокая стоимость. Поэтому в ВОСП широко ис­пользуют р—i—n-фотодиоды.

Краткие сведения о параметрах фотодиодов, выпускаемых отечествен­ной промышленностью и предназначенных для применения в ВОСП, приведены в табл. 4.5, более подробные — в табл. 4.6, а о зарубежных фото­диодах — в табл. 4.7.

Таблица 4.5

Марка	Рабочая дли­на волны, мкм	Монохроматическая токовая чувствительность, А/Вт	Темновой ток, нА	Время нарас­тания, НС
ФД-227 ФД-252 ФД-271 ФД-272 ЛФД-2(А) ФДЛ-118 ФДЛ-119	0,85 0,85 0,85 0,85 ‾ 0,85 1,3	0,3 0,45 0,4 0,4 5 (на А,= 1,06 мкм) 20... 140 0,6 (без умножения)	100 10 5 5 1 ∙ 1 (без умножения) 50	20 1 3 2 0,35 1,1 ... 1,5 1

Таблица 4.7

Фирма -изготовитель	Марка	Мате-риал	Структура Прибора	Время нapac-тания, НС	Эквивалентная мощность шума. Вт/кГц	Максимальный коэффициент умножения
Advanced Detector	AD101 22BH18M	Si Si	p-i-n p-n	1.0 6,0		— —
Antel Optronics	AS-100 AR-S5 AR-610 AR-620	Si Si Ge Ge	p-i-n ЛФД p-i-n ЛФД	0,25 0,09 0,05 0,05		— 100 — 30
NEC Corp.	NDL2I02 NDL1202 NDL5102 NDL5500	Si Si Ge InGaAs	p-i-n ЛФД ЛФД ЛФД	1,0 1,0 0,3 —	— — — —	— 600 50 30
RCA	C30971 C30979	Si InGaAs	p-i-n p-i-n	0,5 1,0		— —
Opto Electronics	PD10 PD20 PD40	Si Ge Ge	p-i-n p-n ЛФД	0,09 0,08 0,09		— — 10
Epitaxx	ETX65 ETX500	InGaAs InGaAs	p-i-n p-i-n	0,1 50	—	— —

Темно-вой ток, нА	Плотность шумового тока, А/уТц^	Монохроматическая токовая чувствительность, А/Вт	Емкость, пФ	Время нарастания (спада), не
— —	… …	≥100 ≥50	≤1 1…3	≤1(1) ≤3(4)
80... 100 60 ... 80 30 ... 40	… …	6... 15 10 ... 20 10... 20	2... 2,3 ≤1,2 ≤1,0	0,3(0,6) 0,2(0,25) 0,12(0,2)
80 ... 100 60 ... 80 30... 40	... ...	6... 16 8... 30 10... 30	≤2,3 ≤1,2 ≤1,0	0,5(0,7) 0,3(0,6) 0,2(0,3)
2... 20 1 ... 10	—	0,6... 0,8	2...4 0,7... 0,9	≤0,4(1) ≤0,3(0,8)
2... 20 1…10	—	0,6 ... 0,9	2... 4 0,7... 0,9	≤0,4(1) ≤0,3(0,8)