Определение фотодетектора. Виды фотодетекторов. Требования к фотодетекторам

5.1 Определение  фотодетектора. Виды фотодетекторов. Требования к фотодетекторам

Фотодетектором (фотоприёмником) называют устройство, преобразующее  оптическую энергию в электрическую.

В фотодетекторах используются два фотоэффекта: фотогальванический и фотопроводимости.

Приборы на основе фотогальванического  эффекта: фотодиоды, фототранзисторы, солнечные элементы.

Эффект фотопроводимости используется в фоторезисторах.

К фотодетекторам оптических систем связи предъявляются следующие требования:

• высокая чувствительность;
• требуемые спектральные характеристики и широкополосность;
• низкий уровень шумов;
• требуемое быстродействие;
• длительный срок службы;
• использование в интегральных схемах совместно с оптическими усилителями.

В большой степени  этим требованиям отвечают фотодиоды.

Фотодиод – прибор, электрические свойства которого изменяются под действием падающего на него излучения.

В технике оптической связи наибольшее применение получили p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД). Перспективными приборами для  высокоскоростных систем являются фотодиоды бегущей волны TAP (Travelling-Wave Photodetectors), используемые на скорости от 10Гбит/с до 160Гбит/с и выше. В этих приборах, фотодетектирование сочетается с оптическим усилением в полупроводниковом оптическом усилителе [109, 123]. 

 

5.2 Фотодиоды  конструкции p-i-n. Принцип действия, основные характеристики

Фотодиоды p-i-n отличаются простотой конструкции, высокой  надежностью, низкой стоимостью.

Пример конструкции p-i-n фотодиода приведен на рисунке 5.1.

В p-i-n фотодиоде между областями с проводимостями р⁺ (база) и n⁺ (коллектор) расположен слой i (слой поглощения фотонов) собственной проводимости полупроводника (i – intrinsic). Фотоны вводятся в детектор через окно, имеющее тонкий слой просветляющего покрытия (толщина около l /4) с показателем преломления , согласующим разные среды – стекловолокно (n_ОВ » 1,46) и полупроводник  
(n_ПП » 3,5). В базе и коллекторе повышена концентрация носителей зарядов. В слое поглощения может создаваться некоторый примесный фон.

Рисунок 5.1 Конструкция p-i-n фотодиода

В основе работы фотодиода лежит обратно смещенный p - n переход. При нулевом смещении (Е_СМ = 0) ток дрейфа, протекающий через переход, сбалансирован противоположными токами из-за диффузии основных носителей. При Е_СМ ¹ 0 диффузия прекращается. Фототок возникает при освещении i – слоя излучением определенной длины волны. При этом.образуются пары "электрон – дырка". На них воздействует поле, созданное источником Е_СМ и сосредоточенное в i – слое. Это поле заставляет дрейфовать электроны и дырки. Создается фототок дрейфа

(5.1)

где е – заряд электрона (1,6 ´ 10 ^-19 Кл), N – число электронов, прошедших из валентной зоны в зону проводимости. Однако, не все фотоны вызывают образование пар "электрон – дырка". По этой причине вводится понятие квантовой эффективности:

(5.2)

- соотношение числа электронов и фотонов в фотодетекторе.

Величина фототока определяется

(5.3)

Учитывая, что число  фотонов зависит от мощности излучения

(5.4)

величина фототока может быть представлена

(5.5)

где h – постоянная Планка, с – скорость света, l - длина волны излучения.

Чувствительность фотодиода  оценивается

(5.6)

Для фотодиодов характерна спектральная чувствительность за пределами  длины волны

(5.7)

На рисунке 5.2 приведены характеристики спектральной чувствительности фотодиодов на основе кремния Si и германия Ge.

Завалы спектральной характеристики обусловлены длинноволновой границей чувствительности и шунтирующим  действием емкости запертого p - n перехода на высоких частотах, когда из-за высокой энергии фотоны не успевают взаимодействовать атомом материала.

Полоса детектируемых  частот фотодетектора оценивается на уровне 0,707 от максимальной чувствительности.

Эквивалентная электрическая схема фотодиода позволяет оценивать частотные свойства фотодетектора для электрических сигналов (рисунок 5.3).

Рисунок 5.2 Спектральная чувствительность фотодиодов

Рисунок 5.3 Эквивалентная  электрическая схема фотодиода

На вольт-амперной характеристике фотодиода можно увидеть предельное значение Е_СМ (т.е. Е_проб) и величину темнового тока, протекающего через прибор при отсутствии освещения (рисунок 5.4).

Темновой ток чаще всего обусловлен поверхностным током утечки. Он сильно зависит от температуры.

Быстродействие фотодиода зависит от времени нарастания фототока при воздействии на фотодиод импульса оптической мощности (рисунок 5.5).

Рисунок 5.4 Вольт-амперная характеристика фотодиода

Рисунок 5.5 Характеристика быстродействия

Величина t _б определяется временем дрейфа носителей через i-область. Поэтому для увеличения быстродействия желательно уменьшить толщину i – слоя для электрического тока и сохранять толщину для светового потока. Это реализовано в конструкции фотодиода в форме "мезы" – горы [13].

Электрическая схема включения фотодиода приведена на рисунке 5.6.

Рисунок 5.6 Схема включения p-i-n фотодиода

В схеме включения  разделительная емкость С_р позволяет устранить высокое напряжение смещения Е_см (до 30 В) со входа малошумящего усилителя.

Динамический диапазон входных оптических мощностей для схемы фотодиода с усилителем может достигать 60 дБ.