Полупроводниковые фотодиоды

Фотодиод служит для приема (детектирования) и преобразования оптических сигналов в электрические. Как оптоэлектронный преобразователь, фотодиод имеет оптический вход (управляющий цепь) и электрический выход (сигнальный цепь), параметры которых должны быть согласованы с источником излучения и оптической линией с одной стороны и с электрической нагрузкой, включающей в себя любой преобразователь электрических сигналов, - усилитель, модулятор; декодер - с другой стороны.

В зависимости от типа и режима детектирования фотодиод может работать в фотовольтаичному режиме, когда ФД является генератором фотонапругы и в фотодиодном режиме. Схемы включения фотодиодов в фотовольтаичному и фотодиодном режимах приведены на рис. 5.1.

Режим работы ФД с обратной смещением называется фотодиодного. По сравнению с фотовольтаичним фотодиодный режим обеспечивает высокое быстродействие, лучшую стабильность, большой динамический диапазон, хорошую температурную стабильность, более широкий диапазон спектральной чувствительности. Именно этот режим используется в ВОЛС.

.

а) б)

Рисунок 5.1 - Режимы детектирования:

а) фотовольтаичний, б) фотодиодный

Главный недостаток - наличие темнового тока, возникает даже без излучения под действием обратной смещения.

Процесс генерации фототока и детектирования сигнала можно проиллюстрировать с помощью рис. 5.2 эквивалентной схемы фотодиода, представленной на рис. 5.3, где i_p - среднеквадратичное ток сигнала (видеоизображений) - ток дробового шума, C_j - емкость перехода, R_j - сопротивление перехода, R_s - последовательное сопротивление, R_L - внешнее сопротивление нагрузки, - ток теплового шума, R_i - входное сопротивление усилителя.

Рисунок 5.2 - Процесс генерации фототока и детектированиясигнала

Рисунок 5.3 - Эквивалентная схема фотодиода

К ФД в ВОСП выдвигаются следующие требования:

- Эффективность оптоэлектронной преобразования - обеспечение максимальной мощности электрического сигнала на выходе при минимальной оптической мощности на входе;

- Быстродействие, необходимое для приема оптического сигнала, промоделирована широкополосным информационным сообщением;

- Минимум собственных шумов - требуется для обеспечения высокой чувствительности (минимальной мощности излучения, которую можно обнаружить);

- Широкий динамический диапазон оптических сигналов, принимаемых;

- Малые габариты, высокая надежность и стабильность параметров, низкое напряжение питания, низкая цена.

Наиболее полно этим требованиям отвечают полупроводниковые фотодиоды, работающих на основе явления фотоэффекта.

13) Фотодиод p-n типа.

Рассмотрим три разновидности таких приборов: р-n ФД, р-и-n ФД и лавинный ФД. При подаче обратного смещения (рис. 5.6, а) потенциальный барьер между р и n- областями увеличивается (рис. 5.6, б). Свободные электроны (преобладающие в n-области) и свободные дыры (доминирующие в р-области) не могут преодолеть потенциальный барьер, поэтому ток через переход не течет. Переходом (р-п) называется область, где существует потенциальный барьер. Поскольку в области перехода отсутствуют любые свободные заряды, ее называют бедной (электрическими зарядами) области. Отсутствие свободных носителей заряда приводит к тому, что сопротивление этой области большой, поэтому почти все напряжение внешнего смещения приложенная к обедненной области диода. Итак, напряженность электрического поля в обедненной области высокая и имела вне ее.

На рис. 5.6, в показано, как сигнальный фотон поглощается в р-п-переходе после прохождения через р-слой. Поглощенная энергия позволяет перевести связан электрон с валентной зоны через запрещенную в зону проводимости. Электрон теперь свободен и способен двигаться. Свободная дырка остается в валентной зоне как вакансия электрона. Следовательно, при поглощении фотона создается пара свободных носителей заряда (электрон и дырка). Электрон переместится в нижнюю часть барьера, а дырка (чья потенциальная энергия противоположная энергии электрона) переместится в верхнюю часть барьера. Это перемещение зарядов вызывает протекание тока через внешний круг. Если свободные дыры и электроны рекомбинируют, или если они достигают края перехода, где электрическое поле мало, носители заряда прекращают движение и фототок становится нулевым.

Рисунок 5.6 - Фотодиод p-n-типа:

а) схема включения; б) полупроводниковая структура; в) зонная диаграмма

Что произойдет, когда фотон будет поглощен в р или n-областях по обе стороны от перехода? Здесь также возникает пара электрон-дырка, но эти свободные заряды будут двигаться медленно из-за слабого электрическое поле, существующее вне перехода. Большинство свободных носителей заряда будет медленно двигаться в результате диффузии через диод и прорекомбинуе, не достигнув перехода. Эти носители заряда делают незначительный вклад в фототок, тем самым снижая отзыв фотодиода. Ясно, что это явление делает pn-фотодиод малоэффективным.

Носители заряда, созданные вблизи обедненной области, можугь (вследствие диффузии) приблизиться к ней и достичь перехода благодаря большому электрическому полю, существует в нем. Во внешнем круге потечет ток, но он будет опаздывать относительно оптической мощности, поступающей. Предположим, что нужно измерить время нарастания тока р-n-фотодиода, подав на его вход "ступеньку" оптической мощности.

Некоторые из фотонов в начале "ступеньки" поглощаются в самом переходе и вызывают почти немедленное протекания фототока. Однако, те фотоны начала "ступеньки", поглощаемые вблизи перехода, вызовут протекания тока с некоторым опозданием. Постепенное увеличение тока, которое достигает максимума за время τн, происходит через определенный срок после того, как закончится перепад входной мощности. Время нарастания большой.

Типичные р-n-фотодиоды имеют время нарастания тока около нескольких микросекунд, что делает их непригодными для скоростных волоконных систем. Фотодиод р-in-типа решает проблему низкой чувствительности и медленного отклика.

Интересно сопоставить полупроводниковые приборы, используемые в качестве источников и приемников света. Для излучения света на диод подают прямое смещение и носители заряда, инжектированных в область перехода, рекомбинируют. Это приводит к образованию фотонов. Когда происходит прием света, все происходит наоборот. На диод подают обратное смещение и фотоны, поступающие генерируют пары электрон-дырка. Это приводит к электрическому току. Можно разработать специальный р-n-прибор, который будет использоваться и как источник, и как приемник излучения.