Принципы работы фотоприемника

Основным элементом ПРОМ является фотоприемник, изготавливаемый из полупроводникового материала. В основе работы фотоприемника лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочных пар). При наличии электрического потенциала с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Эффективная регистрация генерируемых в полупроводнике электронно-дырочных пар обеспечивается путем разделения носителей заряда. Для этого используется конструкция с p-n переходом, которая называется фотодиодом. Из фотоприемников, применяемых в ВОСП, наибольшее распространение получили p-i-n фотодиоды.

Свет образует

электронно-дырочные пары

- +

- -

U

Параметр геометрии

Рис.1.17. Структура, включение и распределение потенциала p-i-n фотодиода.

Рассмотрим принцип работы фотоприемника на основе p-i-n фотодиода, для которого характерно наличие i-слоя (слаболегированного полупроводника n-типа) между слоями и - типа (+ означает сильное легирование), рис.1.17. Также i-слой называют обедненным слоем, поскольку в нем нет свободных носителей. На p-i-n структуру подается напряжение с обратным смещением (по сравнению со светоизлучающим диодом). Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, и максимальное значение электрического поля (градиент потенциала) создается в i-слое. Но поскольку там нет свободных носителей, нет и электрического тока, так что i-слой испытывает только поляризацию. При наличии падающего излучения на i-слой, в нем образуются свободные электронно-дырочные пары. Они под действием электрического поля быстро разделяются и двигаются в противоположных направлениях к своим электродам, образуя электрический ток. Эффективным является взаимодействие излучения только с i-слоем, так как при попадании фотонов в и -слои возникает диффузионный ток, который имеет большую инерционность и ухудшает быстродействие. Поэтому при изготовлении фотодиодов стремятся делать и -слои как можно тоньше, а обедненную область достаточно большой протяженности, чтобы она полностью поглощала весь падающий свет.

Эффективность (квантовая) обедненной области в рабочем диапазоне длин волн достаточно высока – порядка 80-100%. Однако часть падающего излучения испытывает френелевское отражение от фоточувствительной поверхности из-за скачка показателей преломления на границе между этой поверхностью и средой. Для уменьшения отражения приемную поверхность обедненного слоя покрывают специальным антиотражающим слоем.