Фотодиод p-и-n-типа и лавинный фотодиод

 

С фотоприемников, применяемых в ВОЛС, нашли распространение p-и-n-фотодиоды и лавинные фотодиоды.

Рассмотрим принцип действия фотоприемника на примере pin-фотодиода, для которого характерно наличие и-слоя (слаболегованого полупроводника n-типа) между слоями p + - и n + - типа ("+" означает сильное легирование) (рис. 5.8).

Рисунок 5.7 - Структура включения и распределение потенциала

электрического поля р-и-n-фотодиода.

 

Также и-слой называют обедненным слоем, поскольку в нем нет свободных носителей. На pin- структуру подается напряжение с обратной сдвигом (по сравнению с светоизлучающие диоды). Сильное легирование крайних слоев делает их ведущими и максимальное значение электрического поля (градиент потенциала) создается в i-слое. Но, поскольку нет свободных носителей в i-слое, нет и электрического тока. При наличии падающего излучения на i- слой, в нем образуются свободные электронно-дырочные пары. Они под действием электрического поля быстро разделяются и движутся в противоположных направлениях к своим электродов, воспроизводя электрический ток. Эффективно взаимодействие излучения только с i-слоем, так как при попадании фотонов в p + - и n + - слоя возникает диффузионный ток, который имеет большую инерционность и ухудшает быстродействие. Поэтому при изготовлении фотодиодов стремятся делать p + - и n + - слои как можно тоньше, а бедным и-область достаточно большой толщины, чтобы она полностью поглощала все падающий свет.

Фотодиоды pin-типа является наибольшее распространение в волоконно-оптических системах передачи. Такой диод имеет широкую I-область из собственного полупроводника между р и n - областями (рис.5.8). Слой собственной проводимости нет свободных носителей заряда, поэтому его сопротивление велико и большая часть напряжения смещения диода приложен к этой области и напряженность электрического поля в ней вeликий. Поскольку слой собственной проводимости очень широкий, то высока вероятность для фотонов, поступающих быть поглощенными именно в нем, а не в тонких р или n- областях. Это увеличивает квантовую эффективность и скорость отклика по сравнению с р-n-фотодиодом. Схема включения р и n-фотодиода приведена на рис.5.9.

Лавинный фотодиод (ЛФД). Главным отличием лавинного фотодиода от pin-фотодиода является внутреннее усиление сигнала, основанный на лавинном электронном умножения. В отличие от структуры p-и-n-фотодиода в ЛФД добавляется р-слой, который усиливает движение зарядов к полюсам (рис.5.13).

Усиление увеличивает значение токовой отклика по сравнению с р-п-или p-и-n-приборами. Наличие усиления в ЛФД делает его похожим на вакуумный фотоэлектронный усилитель (ФЭП), однако коэффициент лавинного усиления намного меньше, чем в ФЭП. Он ограничен значениями в несколько сотен раз, или меньше. Однако, наличие внутреннего усиления делает ЛФД значительно более чувствительным приемником, чем pin-фотодиод. Внутреннее усиления обеспечивает гораздо большее отношение сигнал / шум на выходе приемного устройства, чем внешнее усиление.

 

Рисунок 5.13 - Сечение полупроводниковой структуры и принцип действия лавинного фотодиода с проникновением поля

 

Лавинного умножения происходит следующим образом. Поглощенный в обедненной области фотон создает свободную электронно-дырочную пару (EPG). Профиль распределения легирующих примесей выбирается так, чтобы наибольшее сопротивление, а следовательно и наибольшей напряженности электрического поля (рис.5.14) имел p - слой [6]. При воздействии света на i-слой образуются электронно-дырочные пары. Благодаря небольшому по напряженности электрическому полю происходит направленное движение носителей в соответствующие полюсов. После попадания свободных электронов с и-слоя в p - слой их ускорения становится больше ощутимым из-за высокой электрическое поле в p - слое. Ускоряясь в зоне проводимости p - слоя, такие электроны накапливают энергию, которой уже достаточно для выбивания других электронов из валентной зоны в зону проводимости.

Когда заряды, быстро движущихся сталкиваются с нейтральными атомами, они создают дополнительные электронно-дырочные пары (EPG), то есть часть их кинетической энергии используется, чтобы передать связанным (с атомами) электронам энергию, которой достаточно для преодоления запрещенной зоны. Один ускоренный заряд может создать несколько вторичных. Вторичные заряды также могут ускоряться и создавать еще большее количество ЭДП. Это явление называется лавинным умножением носителей заряда.

Рисунок 5.14 - Структура включения и распределение потенциала

электрического поля ЛФД

 

Электрическое поле, ускоряет носителе, быть сильным, чтобы предоставить зарядам значительную кинетическую энергию. Это обеспечивается с помощью большого напряжения обратной смещение (несколько сотен вольт для некоторых приборов). Коэффициент умножения (усиления) М увеличивается с ростом напряжения смещения на диоде согласно аппроксимирующего выражения Миллера [4]:

, (5.4)

Где и - число вторичных и первичных носителей заряда, соответственно, - обратная пробойная напряжение диода; n - экспериментальный параметр, значение которого больше единицы. Значение = 20... 500 В для различных материалов.

Лавинные фотодиоды обычно являются модификациями р-и-n-диодов. Материалы, которые используются при изготовлении таких фотодиодов, а также области их спектральной чувствительности одинаковы.

Как и в фотодиоде без умножения, скорость отклика ЛФД ограничено временем пролета носителей заряда и RC-постоянной времени. Время пролета в ЛФД, что соответствует времени нарастания, составляет несколько десятых долей нс. Время нарастания меньше, чем 100 пс. достигнуто и для кремниевых и для германиевых ЛФД.

ЛФД имеют высокое быстродействие, однако случайная природа лавинного тока приводит к возникновению шума. В отличие от красного сигнала усиливается пропорционально М, шум усиливается больше (примерно как 2,1 м). В результате этого выбирается оптимальное значение коэффициента умножения в пределах от 30 до 100.

Особенностью работы ЛФД является более высокое напряжение (несколько сотен вольт) по сравнению с p-и-n-фотодиодом.

Лавинные фотодиоды имеют хорошую линейность относительно оптической мощности в интервалах от долей НПО в нескольких мкВт. Если мощность поступает на приемное устройство, может превышать 1 мкВт, то ЛФД обычно не используют. При такой мощности р-и-n-диоды обеспечивают нужный отклик и достаточно большое отношение сигнал / шум в большинстве случаев.

Коэффициент усиления ЛФД зависит от температуры. Он уменьшается при ее повышении том, что средняя длина свободного пробега носителей между столкновениями снижается с ростом температуры, в результате многие носители заряда теряют возможность достичь высоких скоростей, которые нужны для создания вторичных носителей. В приемном устройстве с ЛФД, работающего в широком интервале температур, может потребоваться стабилизация температуры или компенсация изменения коэффициента лавинного усиления за счет автоматического регулирования напряжения обратного смещения.

Основные компоненты ВОЛС

Часть информации, полученное при изучении оптических волокон, источников излучения, приемников подведены на рис.5.19.

На основании этого рисунка проектировщик системы может выбрать подходящие (согласованные) компоненты, по следующим свойствам: рабочая длина волны (в видимом спектре, в первом, втором или в третьем окнах прозрачности); типа источника света (светодиод или лазерный диод); материала волокна (кварц / кварц, кварц / полимер или полимер / полимер); типа волокна (ступенчатое, градиентное или одномодовое); разновидности фотоприемника (р и-n-типа или лавинный). Выбор этих обязательных компонентов, с использованием которых виконуться разработка ВОЛС, с учетом их параметров и типов, приведенных на рис. 5.19, поможет разработать согласованную по длине волны систему передачи информации.

 

Рисунок 5.19 - согласование основных компонентов ВОЛС по длине волны