Глава 11. Оптоэлектронные устройства на основе непрямозонных полупроводниковых структур

Вместе с излучателями (ЛД или СИД), оптическим волокном и оптическими кабелями на основе ОВ важнейшим элементом ВОЛС является фотоприемник — устройство, решающее обратную по сравнению с ЛД задачу преобразования оптических сигналов в электрические. Вообще существует несколько типов приборов, преобразующих оптическое излучение в электрический ток: фотоэлектронные умножители (ФЭУ), применявшиеся в первых лазерных атмосферных линиях связи; фоторезисторы; фототранзисторы и полупроводниковые фотодиоды (ФД). В волоконно-оптической связи в качестве фотоприемников используются только фотодиоды. В отличие от излучателей — светодиодов и лазеров, созданных на основе прямозонных полупроводников, фотодиоды являются непрямозонными полупроводниковыми структурами.

11.1. Зонные структуры полупроводников

В рассмотренных ранее процессах, происходящих в кристаллах, представлявших собой р-n (или n-р) переходы, основные носители — электроны и дырки рассматривались как частицы. В действительности, как известно, эти частицы обладают и волновыми свойствами. Электронные (и дырочные) волны (волны де Бройля) испытывают в кристалле дифракцию и интерференцию [168, 81, 82]. Кристаллическая решетка для этих волн является объемной дифракционной решеткой (решеткой Брэгга). Волновой вектор этих волн может принимать квазинепрерывный ряд значений. Вследствие этого энергетические состояния электронов и дырок характеризуются семействами непрерывных функций энергии от волнового вектора (E_Hf(k)). Эти функции определяют зонную структуру полупро­водников. Совокупность всех электронных и дырочных энергетических уровней для данной функции при заданных квантовых числах п (п — любое целое число) называется энергетической зоной, или диаграммой энергетических состояний [168, 169]. Для электронов в зоне проводимости эти функции могут иметь максимальные и минимальные значения. Аналогичная ситуация имеет место быть и для дырок в валентной зоне. Полупроводники, у которых минимум энергетической диаграммы расположен против максимума диаграммы для дырок валентной зоны, называются прямозонными (т. е. экстремумы функции E_Hf(k) расположены на одной прямой). Если же эти экстремумы заметно смещены относительно друг друга, то такие структуры называются непрямозонными. В прямозонных полупроводниках требуется минимальная энергия для перехода с самого низкого уровня зоны проводимости на самый высокий уровень валентной зоны с выделением при этом кванта энергии (фотона). Поэтому прямозонные полупроводники используются главным образом для создания излучателей — лазеров и светодиодов.

11.2. Фотоприемники

Как уже было отмечено, в непрямозонных полупроводниках экстремумы сме­щены относительно друг друга. Поэтому переход электронов с минимума зоны проводимости в максимум валентной зоны требует дополнительной затраты энергии с участием акустического фонона, энергия которого складывается или вычитается из энергетической ширины запрещенной зоны [157]. В непрямозонных полупроводниках трудно создать условия для излучения фотонов, зато они хорошо их поглощают. Для создания оптимальных условий поглощения с обменом фо­тон — электронно-дырочная пара в непрямозонных структурах электроны и дыр­ки должны быть разнесены. При этом между ними создается обедненный слой. Такое состояние достигается с помощью обратного смещения, при котором к п-слою подключается плюс, а к р-слою — минус электрического напряжения. Процесс поглощения фотонов сопровождается переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости, образуя при этом электронно-дырочную пару, а также акустический фон, отбирая от запрещенной зоны свою долю энергии. Этот процесс будет происходить только в том случае, если будет выполняться условие

(П.2) где E_g — энергетическая ширина запрещенной зоны, Е_ф — энергия фотона.

Поскольку и - где C- скорость света в пустоте, Х_ф — длина

волны фотона, то существует пороговое значение длины волны Х_пор, при превыше­нии которого переход становится невозможным. Этому условию соответствует со­отношение [ 15 7 ]:

(П.2)

где E_g — энергетическая ширина запрещенной зоны.

В результате этого процесса, если электроды p-n-перехода замкнуть электрической цепью, в ней потечет электрический ток. Для повышения эффективности преобразования фотон—электрон необходимо, чтобы свет поглощался в обедненной области. Для этого она должна иметь достаточно большую ширину. С этой целью ее делают с минимальной концентраций примесей. Для увеличения зоны поглощения слаболегированную область с большим удельным сопротивлением помещают между зонами проводимости р и п. Эта зона с малой концентрацией примесей и малой проводимостью получила обозначение «i», а вся полупроводни­ковая структура — это pin-фотодиод. На такой диод подается обратное смещение, т. е. напряжение плюсом к р-переходу, минусом — к n-переходу. Величина напряжения выбирается достаточной для обеднения i-ro слоя свободными носителями. При падении фотонов в эту зону, в результате их поглощения, свободные носители разделяются на (р) и (п), т. е. на «дырки» и «электроны» и под действием сильного электрического поля устремляются к соответствующим зонам проводимости, вызывая тем самым электрический ток.

Если обратное напряжение смещения повышать, то при некоторой величине, называемой пороговым напряжением, в обедненной зоне поглощения возникает так называемое явление ударной ионизации. Суть этого явления состоит в том, что носители, проходящие через зону поглощения «i», порождают новых носите-

лей, которые в свою очередь также вызывают порождение очередных носителей. Таким образом, происходит умножение числа носителей, т. е. усиление фототока. Явление ударной ионизации носит лавинный характер, приводящий к лавинному пробою. Фотодиоды с умножением фототока называются лавинными фотодиодами — ЛФД (APD). В системах ВОЛС применяются оба типа фотодиодов — pin-фотодиоды и APD-фотодиоды.

Следует отметить, что при взаимодействии обедненной зоны поглощения с фотонами не каждый фотон порождает электронно-дырочную пару, т. е. можно говорить о квантовой эффективности (л) фотон — электронного преобразования. Величина т\ зависит прежде всего от материала (химической структуры), из кото­рого изготовлен фотодиод, а также от величины напряжения смещения (для pin-фотодиодов в малой степени) и от температуры. Последние два фактора особенно значимы для ЛФД и в меньшей степени — для pin-фотодиодов. Кроме того, движение носителей в обедненной зоне наблюдается и без поглощения фотонов, вызывая при этом так называемый «темновой ток».

Фотодиоды характеризуются следующими параметрами.

Область спектральной чувствительности зависит от того, из какого материала изготовлен фотодиод. В области видимой части и ближней инфракрасной (0,75... 1,1 мкм) наилучшей чувствительность обладают фотодиоды, выполненные на основе кремния. Квантовая эффективность кремниевых фотодиодов ц = 0,5, темновой ток 1_Т = 10~⁹ А. Начиная с длины волны 1,1 мкм чувствительность крем­ниевых фотодиодов очень быстро падает и уже на X — 1,15 мкм она практически равна нулю.

Для работы в диапазоне X = 1,7 мкм разработаны фотодиоды на основе Ge (гер­мания) и так называемых четверных структур InGaAs/InP. Германиевые фотодио­ды имеют следующие параметры: r\ s 0,5...0,7; I_T slO~⁷ А, фотодиоды на четверных структурах — л = 0,9; 1_Т = 10~⁹ А. Величина темнового тока зависит не только от материала, но и от геометрических размеров зоны поглощения, т. е. от диаметра фоточувствительной с1_фп площадки. От ее размеров зависит также и быстродействие фотодиодов. Поскольку величина фоточувствительной площадки определяет элек­трическую емкость фотодиода, то для высокоскоростных систем ВОЛС фотодиоды имеют с1_фп от 200 до 10 мкм. Фотодиоды, изготовленные на основе структуры InGa-As/InGaAsP/InP, при с1_фп = 50 мкм имеют емкость С_пер = 0,5 пФ, темновой ток ~I_T sl0^H0 А. В режиме лавинного умножителя этот фотодиод имеет коэффициент умножения М = 10. Лавинные фотодиоды характеризуются также параметром, определяющим его широкополосность, или быстродействие, — произведением коэффициента умножения М на полосу детектируемых частот В — MB. Для описан­ной структуры ЛФД MB = 35 ГГц.

Известно, что при определении чувствительности системы связи важнейшим фактором являются шумы фотоприемного устройства. Как отмечалось выше, фотодиод выполняет функцию преобразования потока фотонов в поток электронов — электрический ток 1_ФД. Квантовая эффективность , так как она определяется отношением среднего числа электронов, рожденных поглощением фотонов, к среднему числу падающих на поглощающую зону фотонов. Поскольку этот процесс статистический, он характеризуется дисперсией, определяющей шумовые свойства фотодетектора. В соответствии с этим среднеквадратическое значение шумового тока фотодиода

(П.4)

где В — полоса детектируемых частот, т. е. полоса частот модуляции оптического излучения по интенсивности.

Ток фотодиода в общем случае состоит из трех составляющих:

(П.5)

где I_s — ток, обусловленный детектированием сигнала, 1_В — ток, обусловленный попаданием на фотодетектор постороннего (фонового) оптического излучения, 1_Т — темновой ток. Анализ выражений (3, 4 и 5) показывает, что шум фотоприемника определяется всеми тремя составляющими. Отметим, что шум в нагрузке фотодиода будет даже в том случае, когда 1_В + 1_Т = 0, и называется этот шум дро­бовым.

В волоконно-оптических системах передачи оптические сигналы распространяются в световодах, помещенных в оптический кабель, покрытый светонепроницаемой оболочкой. По этой причине в таких системах фоновое излучение, казалось бы, должно отсутствовать. Вообще же это не совсем так.

Существует несколько причин наличия фонового излучения в ВОЛ С: 1) спонтанное излучение ЛД в допороговой области ватт-амперной характеристики; 2) спонтанное излучение оптических усилителей (ASE); 3) остаточное излучение при коэффициенте модуляции излучения по интенсивности менее 100%. В частности, это имеет место при модуляции излучения по интенсивности кодом HDB-3, о чем говорилось в гл. 1. Тем не менее определяющей компонентой в формировании шума фотоприемника является темновой ток, так как 1-я и 2-я составляющие (если иметь в виду ВОЛС) вносят шумы намного меньше, чем темновой ток (при условии, что коэффициент модуляции излучения близок к 100%). Поэтому величина 1_Т для фотодиодов является одним из важнейших параметров. Как отмечалось ранее, для фотодиодов с диаметром чувствительной площадки d_on = (50...200 мкм) величина 1_Т для кремниевых ФД равна 10"⁹, — для германиевых ФД — 10~⁷и для четверных структур — 10~⁹. Однако, в [171] сообщается о разра­ботке и экспериментальных исследованиях pin—фотодиода на основе InGaAs/InP с темновым током А при напряжении смещения 5 В.

Итак, основными параметрами фотодиодов являются:

1. Спектральный диапазон чувствительности для кремниевых ФД — видимый диапазон 750... 1100 нм; для ФД на основе германия и четверных структур — видимый диапазон 750... 1700 нм.

2. Квантовая эффективность п: для кремниевых и германиевых 0,4...0,6; для ФД на четверных структурах — 0,9.

3. Темновой ток 1_Т: для кремниевых с диаметром площадки 200 мкм — 10"⁹А,для германиевых — , для ФД на четверных структурах — 10~⁹ А.

4. Чувствительность: зависит от скорости передачи, выражается в единицах измерения — дБм.

5. Напряжение смещения Е_см (типовое значение — 5 В, для ЛФД — 25...50 В).

6. Диаметр чувствительной площадки: для ВОЛС в зависимости от скоростипередачи с_фп s 10...200 мкм.

6. максимально допустимое значение фототока: обычно не превосходит 10~³ А.

7. Электрическая емкость: в зависимости от назначения фотодиода С_фд а0,5...10пФ.