- •Введение
- •Лабораторная работа “Измерение ватт-амперных характеристик инжекционного лазера при различных температурах”
- •Относительная спектральная характеристика инжекционного лазера
- •Диаграмма направленности инжекционного лазера
- •Ватт-амперные характеристики инжекционного лазера при различных температурах
- •Зонная диаграмма инжекционного квантоворазмерного InGaAsP/InPлазера
- •Инжекционный лазер с резонатором Фабри-Перо
- •Инжекционный лазер с распределенной обратной связью
- •Внешний вид волоконно-оптического лазерного модуля
- •Конструкция волоконно-оптического лазерного модуля
- •Блок-схема лабораторной установки
- •Лабораторная работа “Измерение фотоэлектрических характеристик p-I-nфотодиода”
- •Вольт-амперные характеристики p-I-nфотодиода при различных уровнях мощности оптического излучения
- •Энергетическая характеристика p-I-nфотодиода
- •Относительная спектральная характеристика монохроматической чувствительности p-I-nфотодиода
- •CтруктураInGaAs/InPp-I-nфотодиода и его зонная диаграмма
- •Относительная спектральная характеристика InGaAs/ InP p-I-nфотодиода
- •Внешний вид волоконно-оптического фотодиодного модуля
- •Зависимость темнового тока InGaAs/InP p-I-nфотодиода от напряжения обратного смещения
- •Блок-схема лабораторной установки
- •Лабораторная работа “Измерение амплитудно-частотной характеристики p-I-nфотодиода”
- •Переходные характеристики p-I-nфотодиода
- •Частотная характеристика p-I-nфотодиода
- •Зависимость предельной частоты InGaAs/InPp-I-nфотодиода от толщины поглощающегоi-слоя при различных диаметрах фоточувствительной области
- •Эквивалентная электрическая схема p-I-nфотодиода
- •Блок-схема лабораторной установки
- •Лабораторная работа “Измерение фотоэлектрических характеристик лавинного фотодиода”
- •Вольт-амперные характеристики лавинного фотодиода в темновом режиме и при освещении, а также вольтовая характеристика коэффициента умножения
- •Структура InGaAs/InPлавинного фотодиода
- •Блок-схема лабораторной установки
- •Лабораторная работа “Измерение токовой характеристики силы излучения светодиода”
- •Энергетические и фотометрические величины оптического излучения
- •Относительная спектральная характеристика светодиода
- •Диаграмма направленности светодиода
- •Токовые характеристики силы излучения (силы света) в максимуме диаграммы направленности светодиода при различных температурах
- •Поперечное сечение светодиода
- •Внешний вид 5 мм светодиода
- •Относительная спектральная характеристика квантоворазмерного GaAlAs суперяркого красного светодиода
- •Диаграмма направленности квантоворазмерного GaAlAs суперяркого красного светодиода
- •Блок-схема лабораторной установки
- •Спектральная характеристика кремниевого p-I-nфотодиода
- •Относительная спектральная характеристика монохроматической чувствительности глаза человека
- •Оценка погрешностей результатов измерений
- •Значение коэффициента Стьюдента tдля случайной величиныX, имеющей распределение Стьюдента с (n-1) степенями свободы
- •Ряд экспериментальных значений
- •Ряд случайных отклонений результатов
- •Литература
Контрольные вопросы
Приведите основные характеристики фотодиодов, характеризующие его быстродействие.
Объясните эквивалентную электрическую схему p-i-nфотодиода.
Укажите, как влияет напряжение смещения на амплитудно-частотную характеристику p-i-nфотодиода.
Укажите факторы, влияющие на быстродействие p-i-nфотодиода.
Лабораторная работа “Измерение фотоэлектрических характеристик лавинного фотодиода”
Задачи лабораторной работы
Измерить вольт-амперную характеристику лавинного фотодиода в темновом режиме и при освещении, определить напряжение лавинного пробоя и построить вольтовую характеристику коэффициента умножения темнового тока и фототока.
Основные характеристики и параметры лавинных фотодиодов
В стационарном режиме лавинный фотодиод описывается спектральной и вольт-амперными характеристиками, а также вольтовой характеристикой коэффициента умножения темнового тока и фототока (Рис. 2.1.).
Вольт-амперные характеристики лавинного фотодиода в темновом режиме и при освещении, а также вольтовая характеристика коэффициента умножения
Напряжение лавинного пробоя Ubr– напряжения обратного смещения лавинного фотодиода, при котором возникает лавинный пробой. Типичные значения напряжения лавинного пробоя для современных лавинных фотодиодов на кремнии, германии или на соединенияхAIIIBVсоставляют десятки вольт. В общем случае, увеличение температуры приводит к уменьшению напряжения лавинного пробоя.
Коэффициент умножения темнового токаMdлавинного фотодиода определяется как отношение темнового тока в лавинном режиме к темновому току в нелавинном режиме:
. (1.1)
Коэффициент умножения фототокаM лавинного фотодиода определяется как отношение фототока в лавинном режиме к фототоку в нелавинном режиме:
. (1.2)
Современные лавинные фотодиоды на основе кремния или германия имеют коэффициент умножения порядка нескольких сотен, а лавинные фотодиоды на основе соединений AIIIBV– порядка несколько десятков.
Фотоэлектрические процессы в лавинном фотодиоде
Лавинные фотодиоды используются в тех случаях, когда необходимо увеличить чувствительность фотоприемной части оптоэлектронной системы. Особенно это важно для протяженных волоконно-оптических линий связи, где применение лавинного фотодиода позволяет увеличить расстояние между ретрансляторами и тем самым уменьшить стоимость всей системы связи. Увеличение чувствительности в лавинном фотодиоде достигается за счет лавинного размножения генерированных оптическим излучением носителей заряда, для возникновения которого необходимо выполнить два условия:
электрическое поле в области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега носитель заряда набрал энергию, большую ширины запрещенной зоны полупроводника;
ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега носителей заряда.
Процесс ударной ионизации характеризуется коэффициентом лавинного умножения, который можно рассчитать по эмпирической формуле Миллера в зависимости от напряжения обратного смещения Ubias:
(1.1)
где R – общее сопротивление электрической цепи (включая область умножения лавинного фотодиода и сопротивление нагрузки),n– показатель степени, значения которого лежат в широком диапазоне (обычно от 2 до 6) и зависят от коэффициентов ударной ионизации электроновnи дырокp. В приближении постоянного электрического поля внутри слоя умножения коэффициент умноженияМможет быть выражен через коэффициенты ударной ионизации электронов и дырок и толщину слоя умноженияdM:
. (1.2)
При небольших напряжениях смещения лавинный фотодиод работает как p-i-nфотодиод и его коэффициент умножения равен 1. Умножение появляется только при больших напряжениях смещения, когда напряженность электрического поля в слое умножения достаточна для развития процесса лавинного размножения (обычно больше 105В/см), поэтому для уменьшения темнового тока и увеличения надежности необходимо обеспечить условия, при которых ударная ионизация в активной области лавинного фотодиода будет доминирующим процессом лавинного пробоя. Для исключения краевой ударной ионизации в лавинном фотодиоде используют охранные кольца и/или создают сложный профиль легированияp+-области.
Для получения низкого уровня шумов, высокого быстродействия и коэффициента умножения лавинного фотодиода необходимо, чтобы коэффициенты ударной ионизации nиpкак можно больше отличались друг от друга, что верно, например, для кремния и германия. К сожалению, используемый в качестве поглощающего слоя в диапазоне длин волн от 1.0 до 1.6 мкмInGaAsимеет почти равные коэффициенты ударной ионизации, поэтому современные высокоскоростные лавинные фотодиоды имеют сложную гетероструктуру с разделенным слоем поглощения на основе InGaAs и слоем умножения на основе соединенийAIIIBVили их твердых растворов, имеющих отличающиеся коэффициенты ионизации для электронов и дырок, например InP. Рис. 3.2. показывает структуру современногоInGaAs/InPлавинного фотодиода, предназначенного для работы в волоконно-оптических линиях связи.
Быстродействие лавинного фотодиода определяется RCпостоянной времени цепи фотодиода, временем дрейфа фотоносителей и временем образования лавиныM, которое в приближении постоянного электрического поля внутри слоя умножения толщинойdMравно:
, (1.3)
где nиp– скорость электронов и дырок в слое умножения.