Фотодетекторы восп. Фотодиоды типа p-i-n, распределение напряженности электрического поля. Принцип действия полупроводникового p-i-n фотодиода. Характеристики фд.

Фотодетекторы - это устройства, которые преобразуют оптические сигналы в электрические идентичной формы. Существуют различные типы детекторов, работающие на основе пиро-, термо- или фотоэлектрических эффектов. Приемники для ВОЛС обычно представляют собой фотодетекторы, т.е. фотоэлектрические устройства. В волоконно-оптической связи в качестве фотоприемников используют только pin- и лавинные фотодиоды.

Основными требованиями предъявляемыми к фотодетектору являются: фотодетектор должен воспроизводить форму принимаемого оптического сигнала, не внося дополнительного шума, то есть обладать требуемой широкополосностью, динамическим диапазоном и чувствительностью. Кроме того, он должен иметь малые размеры (но достаточные для надежного соединения с оптическим волокном), большой срок службы и быть не чувствительным к изменениям параметров внешней среды.

На практике используется два типа фотодиодов. Первый из них – p-i-n-фотодиод – получил своё название благодаря структуре слоёв полупроводниковых материалов, из которых он образован. На рисунке 5.6 приведена структура продольного сечения такого устройства, на котором обозначены:

Рисунок 5.6 – Структура продольного сечения p-i-n-фотодиода

1 – тонкий слой полупроводника p-типа с концентрацией основных носителей (дырок) N_р на несколько порядков выше, чем у собственного полупроводника;
2 – слой собственного полупроводника i-типа (обеднённый слой);
3 – слой полупроводника n-типа с концентрацией основных носителей (электронов) N_n на несколько порядков выше, чем у собственного полупроводника;
4 – изолирующий слой SiO₂;
5 – отрицательный контакт, обеспечивающий подачу отрицательного потенциала на полупроводниковый слой 1;
6 – просветляющее покрытие, нанесённое на внешнюю поверхность слоя 1, представляет собой тонкую плёнку вещества толщиной λ /4, что уменьшает потери на отражение;
7 – положительный контакт, нанесённый на внешнюю поверхность слоя 3.
Оптическое излучение проникает внутрь ФД через просветляющее покрытие 6 и область 1. Здесь поглощение фотонов практически не происходит, поскольку за счёт высокой концентрации основных носителей (дырок) в слое 1 все верхние энергетические уровни валентной зоны лишены электронов, поэтому фотон не может перевести электрон в зону проводимости, не создаёт электронно-дырочную пару.
Из-за существенной разности в концентрациях носителей проводимость слоя 2 оказывается значительно ниже, чем у первого и третьего. С точки зрения теории цепей это означает, что напряжение U на контактах 5 и 7 оказывается практически полностью приложенным к границам области 2.
Поглощение фотонов и рождение электронно-дырочных пар происходит именно в слое 2, где фотоны эффективно поглощаются за счёт того, что верхние энергетические уровни валентной зоны практически полностью заселены электронами. Это обусловлено малым значением концентрации основных носителей (дырок). Электрическое поле выводит появившиеся носители тока к областям 1 и 3.
Ширина слоя 2 выбирается, исходя из следующих соображений:
- все влетевшие в неё фотоны должны быть поглощены, что обеспечивает максимально возможное значение фототока – для этого ширину слоя необходимо увеличивать;
- созданные электронно-дырочные пары за возможно более короткий интервал времени должны достигнуть областей 1 и 3, что обеспечивает максимальное быстродействие фотодиода – для этого ширину слоя 2 необходимо уменьшать. Видно, что эти два требования альтернативны. На практике при разработке ФД всегда выбирают компромиссный вариант.
Конструктивно p-i-n - ФД выполняется так, чтобы максимально уменьшить долю поглощения света вне i-слоя. С этой целью переход формируют у самой поверхности кристалла.
Как правило, ФД подключается ко входу усилителя фототока. Быстродействие всего фотоприёмника в целом определяется электрическими параметрами ФД. Созданные за счёт поглощения фотонов носители тока, двигаясь к внешним контактам 5 и 7, накапливаются на краях области 2, поскольку за её пределами ускоряющее поле практически отсутствует.
Процесс образования носителей тока в p-i-n - ФД, включение его в цепь и распределение напряжённости электрического поля показаны на рисунке 5.7.

Рисунок 5.7 – Процесс образования носителей тока в p-i-n-фотодиоде, возникновение фототока и распределение электрического поля в структуре

ФФД при фотовольтаическом эффекте может быть представлен эквивалентной схемой, в которой этот процесс учитывается введением ёмкости перехода C_Д (рисунок 5.8). Она шунтирует активное сопротивление перехода R_Д и, в конечном итоге, определяет быстродействие фотоприёмника.

Рисунок 5.8 – Эквивалентная схема фотодетектора

Рассмотренный p-i-n-фотодиод работает при напряжениях смещения U меньше пробивного напряжения U_пр

Следует отметить, что p-i-n - ФД просты по своей структуре, обладают высоким быстродействием, хорошей линейностью в широком динамическом диапазоне (от нескольких пиковатт до десятков милливатт), просты в эксплуатации и дёшевы. В настоящее время они обеспечивают детектирование оптических сигналов, модулируемых частотами гигагерцового диапазона.