ФОЗ_заочка / Лекція 4

Лекция 4

НАПІВПРОВІДНИКОВІ ФОТОПРИЙМАЧІ

Вступ

Фотоприймачі, що застосовуються у ВОСП, мають відповідати цілому ряду вимог, які ми і розглянемо нижче.

Поперше, фотоприймач повинен працювати в парі зі світлодіодом, забезпечуючи ефективне перетворення оптичного сигналу, що надходить з лінії, в електричний. Для цього необхідно по можливості зменшити втрати світла при стиковці з волокном (рис.1). Епоксидна смола забезпечує не тільки механічне з'єднання, але й разом із зовнішнім покриттям видаляє зовнішнє фонове засвітлення. Можливе застосування роз'ємного стику, де кінець волокна монтується всередині втулки оптичного роз'єму, яка притискається до поверхні фоториймача зовнішньою гайкою. Ефективність вводу зележить від числової апертури волокна, співвідношення площин приймача та серцевини волокна, відстані між світловодом та приймачем.

Рис.1. Введення оптичного випромінювання з оптичного волокна в приймачі

Важливим параметром фотоприймача є коефіцієнт відбивання, який залежить від співвідношення показника заломлення матеріалу фотоприймача та серцевини волокна або повітря, якщо між фотоприймачем та волокном є шар повітря. Для збільшення ефективності вводу площадку приймача роблять дещо більшою за площу серцевини волокна, а на фоточутливу поверхню наносять спеціальне покриття, що зменшує відбивання. Крім того, приймаються заходи по зменшенню повітряного проміжку.

Фотоприймачі повинні мати високу чутливість в спектральних діапазонах, що використовуються в ВОСП, тобто в інтервалі довжин хвиль 0,8... 1,6 мкм.

Важливою вимогою до фотоприймачів ВОСП є мала інерційність. Лише приймачі з високими межевими частотами можуть дозволити реалізувати передачу інформації зі швидкостями порядку гігабіт на секунду.

Приймачі ВОСП повинні бути малошумними та мати низький поріг чутливості. Одним з джерел шуму є темповий струм. Для його зменшення бажано зменшити площу фотоприймача, але не за рахунок ефективного вводу.

Крім перелічених вимог слід згадати такі, як надійність, лінійність характеристики, низька вартість, мала залежність параметрів від температури.

В основі процесу перетворення оптичної потужності в електричний струм лежить явище фотоелектричного ефекту. Розрізняють два види фотоефекту: зовнішній та внутрішній. Внутрішній фотоефект має місце в напівпровідниках. Його суть полягає в тому, що при освітленні напівпровідника від деяких атомів відриваються електрони, які, однак, не виходять через поверхню тіла, а залишаються всередині нього. В результаті внутрішнього фотоефекту виникають електрони в зоні провідності, що призводить до зменшення опору напівпровідника.

В якості матеріалу для фотоприймачів можуть бути використані одно- та двохелементні напівпровідникі (Gе, GеАs, ІnР та ін.), а оскільки кожний з них має ширину забороненої зони , яка є конкретною для даного матеріалу, то і максимальна довжина хвилі, на яку може відгукнутись фотоприймач, має також фіксоване значення.

2. Фотодіоди

Типову структуру р-і-n-фотодіода наведено на рис.2. В області р- n-переходу зменшена кількість домішок і створено так званий власний шар з малим числом електронів та дірок (intristic layer, і- шар). При цьому р-n-перехід отримується дещо ширшим, а електрична ємність переходу зменшується, що сприяє підвищенню швидкодії.

Якщо на р-n-перехід подати напругу зміщення, то електричні заряди в ньому зникнуть: електрони "підтягнуться" до позитивного полюсу (n-шар), а дірки - до негативного полюсу (р-шар). Таким чином можна створити умови, при яких в і-шарі відсутні носії (збіднений шар). Завдяки зворотній напрузі зміщення виникає високий електричний потенціал. При попаданні на р-n-перехід світла всередині збідненого шару виникають електрони та дірки, але завдяки високому електричному потенціалу електрони з великою швидкістю рухаються до позитивного полюсу, а дірки - до негативного, що проявляється у вигляді струму дифузії і може бути зафіксовано ззовні. В результаті подібного прискорення носіїв також досягається висока швидкодія.

Сила струму, який отримано від ФД (тобто фотоструму) виражається формулою:

(1)

де е – елементарний електричний заряд;

- потужність світла, що падає;

– квантовий вихід (співвідношення кількості електронів і фотонів );

- енергія фотона.

Рис.2. Принцип дії (а) та енергетичні зони (б) p-і-n – фотодіода.

Чутливість фотодіода, що визначається при співвідношенні сигнал-шум , приблизно дорівнює 0,5мкВт. Швидкість релаксації, що визначається часовою постійною (добуток ємності переходу та опору навантаження ), при = 50 Ом складає кілька сотень мегагерц.

Для підвищення чутливості і швидкодії необхідно збільшити товщину збідненого шару, підвищуючи зворотню напругу і тим самим зменшуючи ємність переходу. Крім того, коефіцієнт поглинан­ня світла зменшується зі зростанням довжини світлової хвилі, тому необхідно збільшувати зону переходу.

В лавинних фотодіодах (ЛФД) можливе підсилення фотоструму, що і визначає їх високу чутливість та швидкодію.

Структура ЛФД наведена на рис.3. При збільшенні зворотньої напруги зміщення одночасно з утовщенням збідненого шару підси­люється дифузія носіїв і поряд з р-п-переходом утворюється зона з високим електричним потенціалом, приблизно 100 . Дифузійні електрони, що досягли зони, зіштовхуються з нейтраль­ними атомами та вибивають з них вторинні електрони.

Завдяки високій напрузі останні прискорюються, знову зіштовхуються, виникають нові електрони і т.д., тобто відбувається лавиноподібний процес, в результаті якого різко збільшується число електронів. Наприклад, від одного фотона може утворитись до 1000 електронів. Збільшенням числа електронів визначається коефіцієнт підсилення.

Коефіцієнт підсилення лавинних фотодіодів залежить від напруги зворотнього зміщення. В кремнієвих ЛФД при напрузі зворотнього зміщення 100... 150 В, а в германієвих при ЗО... 40 В коефіцієнт підсилення (М) складає, приблизно, 1000. На відміну від фото­струму І_ф у р-і-n-фотодіода фотострум в ЛФД в М разів більше.

До факторів, що обмежують швидкодію ЛФ , можна віднести: постійну часу (добуток - опору навантаження та електричної ємності переходу в кристалі); час руху носіїв в зоні дифузії; час наростання лавиноподібного підсилення.

Сума усіх цих складових і дає час відгуку фотодіода. Як правило, частота зрізу характеристики відгуку складає 1...2ГГц.

Таблиця.1. Порівняння характеристик p-i-n – фотодіодів та ЛФД

Лавинні фотодіоди є добримии фотоприймачами для ВОСП завдяки високій чутливості та швидкості відгуку, але для них потрібна підвищена стабілізована напруга зворотнього зміщення.

Порівняльний аналіз ЛФД та р-і-n-фотодіодів наведений в табл.1, а на рис.4 наведена спектральна залежність квантової ефективності основних матеріалів, що використовуються в сучасних фотоприймачах.

Рис.3. Лавинний фотодіод:

а – структура; б – розподіл електричного поля; в – енергетичні зони

Довжина хвилі, мкм

Рис.4. Спектральний відгук фотодіодів