Методичка

Лабораторная установка включается в следующем порядке:

2.5.1.Заземлить стенд, вольтметр и персональный компьютер.

2.5.2.Подсоединить стенд к COM-порту компьютера с помощью ноль модемного кабеля.

2.5.3.Подключить блок питания к стенду при нахождении кнопки включения стенда в положении “Выкл.”.

2.5.4.Подключить блок питания стенда к электрической сети 100-240 В,

50/60 Гц.

2.5.5.Включить стенд (перевести кнопку включения стенда в положение “Вкл.”). Индикатор на кнопке включения стенда указывает на наличие напряжения питания на стенде.

2.5.6.Включить компьютер и запустить интерфейсную программу, управляющую стендом.

2.5.7.Выбрать в интерфейсной программе номер COM-порта, к которому подключен стенд, и произвести соединение интерфейсной программы со стендом нажатием кнопки “F9” на клавиатуре компьютера. Интерфейсная

программа произведет диагностику работы стенда и при успешном соединении выведет сообщение “Соединение с COMx установлено”, где “х” – номер COM-порта, к которому подключен стенд.

2.5.8. Если самодиагностика стенда не выявила ошибок, то включить вольтметр и подключить его к выходному электрическому разъему фотодиода на стенде.

2.5.9. Соединить выходной оптический разъем лазерного диода с входным оптическим разъемом фотодиода с помощью одномодового волоконнооптического кабеля.

2.6. Порядок выполнения работы

2.6.1.Ознакомиться с лабораторной установкой.

2.6.2.Включить приборы в указанном выше порядке.

2.6.3.Ознакомиться с работой интерфейсной программы.

2.6.4.Установить ток накачки лазерного диода 15 мА, при этом мощность излучения лазерного диода указывается в окне интерфейсной программы.

2.6.5.Установить максимальное напряжение питания p-i-n фотодиода, которое позволяет установить интерфейсная программа.

2.6.6.Измерить напряжение Uout на сопротивлении нагрузки RL фотодиода с помощью вольтметра. Записать результат измерения напряжения.

2.6.7.Повторить измерение по пп.2.6.5-2.6.6 для различных напряжений питания p-i-n фотодиода в диапазоне от максимального до минимального значения, установленного интерфейсной программой.

2.6.8.Повторить измерения по пп.2.6.5-2.6.7 для различных значений

мощности оптического излучения лазерного диода (ток накачки лазерного диода 30, 40, 50 и 60 мА).

2.6.9. Для уменьшения ошибок измерений повторить измерения не ме-

21

нее 5 раз.

2.6.10.Произвести обработку экспериментальных данных и оценить слу-

чайную погрешность измерения тока IPD через p-i-n фотодиод и напряжение смещения Ubias на p-i-n фотодиоде, рассчитываемых по формулам (2.3) и (2.4), для доверительной вероятности P = 0.95, при этом значение сопротивления нагрузки RL считать постоянной величиной.

2.6.11.Построить семейство вольт-амперных характеристик p-i-n фото-

диода.

2.6.12.Для каждой вольт-амперной характеристики, используя полученные значения мощности лазерного диода, определить величину монохроматической токовой чувствительности p-i-n фотодиода по формуле (2.5). Рас-

считать теоретическое значение токовой чувствительности по формуле (2.2) на длине волны излучения лазерного диода и сравнить это значение с полученным экспериментально.

2.6.13.Установить при помощи интерфейсной программы напряжение питания на p-i-n фотодиоде равное 0 В.

2.6.14.Установить при помощи интерфейсной программы ток накачки лазерного диода 0 мА.

2.6.15.Измерить напряжение Uout на сопротивлении нагрузки RL фотодиода с помощью вольтметра. Записать результат измерения напряжения.

2.6.16.Повторить измерение по пп.2.6.14-2.6.16 для значений оптиче-

ской мощности лазерного диода в диапазоне от нуля до максимального значения, установленного интерфейсной программой.

2.6.17.Для уменьшения ошибок измерений повторить измерения не ме-

нее 5 раз.

2.6.18.Произвести обработку экспериментальных данных и оценить слу-

чайную погрешность измерения тока IPD через p-i-n фотодиод, рассчитываемого по формуле (2.3), для доверительной вероятности P = 0.95, при этом значение сопротивления нагрузки RL считать постоянной величиной.

2.6.19.Повторить измерения по пп.2.6.14-2.6.18 для напряжения питания p-i-n фотодиода -5 В.

2.6.20.Построить энергетическую характеристику p-i-n фотодиода для напряжения питания 0 и -5 В.

2.6.21.Определить критическую мощность излучения для p-i-n фотодиода при нулевом напряжении питания.

2.7. Содержание отчета

Отчет о проделанной лабораторной работе должен содержать:

−название работы, ф.и.о. студента и номер группы;

−таблицы с экспериментальными данными;

−обработку экспериментальных данных;

−вольт-амперные характеристики p-i-n фотодиода при различных мощностях оптического излучения;

22

−значения чувствительности p-i-n фотодиода при различных напряжениях смещения и мощностях оптического излучения;

−энергетические характеристики p-i-n фотодиода при различных напряжениях питания;

−значение критической мощности излучения p-i-n фотодиода при нулевом напряжении смещения;

−выводы.

2.8. Контрольные вопросы

2.8.1.Объясните принцип работы p-i-n фотодиода.

2.8.2.Приведите основные характеристики и параметры p-i-n фотодиода

встационарном режиме.

2.8.3.Приведите вольт-амперную характеристику p-i-n фотодиода и объясните ее поведение на различных участках при различных мощностях оптического излучения.

2.8.4.Укажите возможные причины уменьшения чувствительности p-i-n фотодиода при больших мощностях оптического излучения.

23

3. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА “ИЗМЕРЕНИЕ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ P-I-N ФОТОДИОДА”

3.1. Задачи лабораторной работы

Измерить амплитудно-частотную характеристику p-i-n фотодиода, определить его предельную частоту, время нарастания и время спада.

3.2. Основные характеристики и параметры p-i-n фотодиодов в динамическом режиме

Быстродействие p-i-n фотодиода описывается переходными и частотными характеристиками.

3.2.1. Переходная характеристика отражает зависимость выходного фотосигнала (тока, напряжения, чувствительности) p-i-n фотодиода от времени при воздействии импульса оптического излучения в форме ступени

(Рис. 3.1).

Обратная переходная характеристика отражает зависимость выходно-

го фотосигнала (тока, напряжения, чувствительности) p-i-n фотодиода от времени при резком прекращении воздействия оптического излучения

(Рис. 3.1).

Время нарастания tr – минимальный интервал времени между точками переходной характеристики p-i-n фотодиода со значениями 10% и 90% от установившегося максимального значения фототока.

Popt

1.0

0.9

Фотосигнал, отн. ед.

0.1
0
tr	Время	td

Рис. 3.1. Переходные характеристики p-i-n фотодиода

24

Время спада td – минимальный интервал времени между точками обратной переходной характеристики p-i-n фотодиода со значениями 10% и 90% от начального значения фототока.

3.2.2. Амплитудно-частотная характеристика отражает зависимость выходного фотосигнала (тока, напряжения, чувствительности) p-i-n фотодиода от частоты модуляции падающего оптического излучения (Рис. 3.2).

Предельная частота fPD – частота синусоидальномодулированного оптического излучения, при которой выходной фотосигнал (ток, напряжение, чувствительность) p-i-n фотодиода падает до значения 0.707 от его значения при немодулированном оптическом излучении. Современные p-i-n фотодиоды на основе кремния имеют предельные частоты порядка сотен мегагерц, а p-i-n фотодиоды на основе соединений AIIIBV – порядка десятков гигагерц.

Фотосигнал, отн. ед.

1

0.707

0

fPD

Частота модуляции оптическогосигнала

Рис. 3.2. Частотная характеристика p-i-n фотодиода

3.3. Динамический режим работы p-i-n фотодиода

Быстродействие p-i-n фотодиода ограничено временем переноса генерированных оптическим излучением неосновных носителей заряда и RC постоянной времени цепи фотодиода (Рис. 3.3). Предельная частота p-i-n фотодиода fPD может быть определена по следующей формуле:

fPD =

1

=

1

,

(3.1)

+

fRC−2

(1.8d

ϑ )

ft

−2

2

εA(Rs + ZL )

2

+ 2πε0

d

где ft – предельная частота фотодиода, ограниченная временем переноса неосновных носителей заряда, fRC – предельная частота фотодиода, ограничен-

25

ная RC постоянной цепи, υ – средняя скорость неосновных носителей заряда, ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, ε – относительная диэлектрическая проницаемость поглощающего слоя, A – площадь фоточувствительной области фотодиода, d – ширина поглощающего i-слоя, Rs – последовательное сопротивление фотодиода, ZL – сопротивление нагрузки. Из приведенной формулы видно, что для уменьшения времени переноса неосновных носителей заряда необходимо уменьшать толщину поглощающего i-слоя, а для уменьшения RC постоянной цепи фотодиода (уменьшения барьерной емкости p-n перехода) и увеличения квантовой эффективности необходимо увеличивать толщину поглощающего слоя. Таким образом, при заданной площади фоточувствительной области существует оптимальная толщина поглощающего i-слоя, при которой предельная частота p-i-n фотодиода максимальна (Рис. 3.3):

			d =	3.5ϑε 0ε A(Rs + ZL )			A.		(3.2)
	100	ft						1.0
, ГГц
		10 мкм	1-e-2αd					0.8
Предельная частота p-i-n фотодиода	75								Квантовая эффективность
							ZL =50 Ом	0.6
					Rpn	Cpn
	50			Iph
								0.4
	25	20 мкм
								0.2
			40 мкм
	0					100 мкм		5 0
		0	1	2		3	4
			Толщина поглощающего i-слоя, мкм
Рис. 3.3. Зависимость предельной частоты InGaAs/InP p-i-n фотодиода от толщины
поглощающегоi-слоя при различных диаметрах фоточувствительной области

Рис. 3.3 показывает, что для увеличения предельной частоты InGaAs/InP p-i-n фотодиодов свыше нескольких десятков гигагерц необходимо существенно уменьшать площадь фоточувствительную области фотодиода. Однако это приводит к увеличению последовательного сопротивления Rs и уменьшению тока насыщения p-i-n фотодиода из-за уменьшения размеров поглощающей области. Из рисунка также видно, что наиболее быстродействующий InGaAs/InP p-i-n фотодиод, обладающий практически 100% квантовой эффективностью, должен иметь толщинупоглощающего i-слоя 2.5 мкм.

26

Рис. 3.4 показывает эквивалентную электрическую схему высокоскоростного InGaAs/InP p-i-n фотодиода, которая состоит из источника фототока Iph, дифференциального сопротивления Rpn и емкости Cpn p-n перехода фотодиода, паразитной емкости Сs, последовательного сопротивления контактов Rs, емкости корпуса Cp и индуктивности корпуса Lp. Элементы Iph, Rpn и Cpn электрической цепи фотодиода являются активными и зависят от частоты, напряжения смещения и мощности падающего на фотодиод оптического излучения. Элементы цепи Rs, Сs, Lp и Cp являются пассивными элементами и определяются только конструкцией p-i-n фотодиода. Паразитная емкость Cs является емкостью МДП-структуры кристалла фотодиода, которая состоит из металла контакта к p+-области, пассивирующего диэлектрика и полупроводниковой структуры фотодиода. Индуктивность корпуса складывается из индуктивности проволоки, соединяющей кристалл фотодиода с ножками корпуса и индуктивности ножек корпуса Lp. Емкость корпуса определяется как непосредственно геометрическими размерами корпуса и расположением ножек, так и расположением кристалла в корпусе. Для достижения максимальной предельной частоты при разработке p-i-n фотодиода необходимо минимизировать значения элементов Rs, Сs, Lp и Cp.

активные элементы

hν

Iph Rpn Cpn

Rs	Lp
Cs	Cp

элементы кристалла

элементы корпуса

Рис. 3.4. Эквивалентная электрическая схема p-i-n фотодиода

3.4. Объект исследования

В данной лабораторной работе исследуется волоконно-оптический фотодиодный модуль, который представляет собой кристалл планарного InGaAs/InP p-i-n фотодиода с диаметром фоточувствительной области 1000 мкм, соединенный с одномодовым оптическим волокном и помещенный в герметичный металлический корпус (Рис. 2.7). InGaAs/InP p-i-n фотодиод работает в спектральном диапазоне от 800 до 1700 нм (Рис. 2.6), имеет чувствительность 1.08 А/Вт на длине волны 1.55 мкм и темновой ток менее 1 нА при напряжении смещения -5 В. Исследуемый волоконно-оптический фотодиодный модуль предназначен для волоконно-оптических измерительных систем.

3.5. Описание лабораторной установки и методов измерения

Рис. 3.5 показывает блок-схему лабораторной установки, в состав которой входят:

27

−стенд для измерения амплитудно-частотной характеристики p-i-n фотодиода;

−осциллограф универсальный C1-157;

−генератор сигналов сложной формы Г6-45;

−персональный компьютер с COM-портом и с интерфейсной программой, управляющей работой стенда.

Лабораторная установка позволяет измерять амплитудно-частотную характеристику и время нарастания и спада p-i-n фотодиода в зависимости от напряжения питания, устанавливаемого интерфейсной программой. Выходной оптический сигнал лазерного диода формируется ВЧ генератором с помощью прямой модуляции тока накачки. Оптический сигнал лазерного диода по одномодовому волоконно-оптическому кабелю поступает на p-i-n фотодиод. Фотосигнал Uout на сопротивлении нагрузки p-i-n фотодиода отображается на экране осциллографа.

Компьютер

Блок

питания

(COM порт)

12В

интерфейс RS-232

1

2

3

Стенд

схема

схема управления с

регулировки и

микропроцессором

стабилизации

напряжения

питания

схема

регулировки и

стабилизации

ILD

лазерный

VPD

p-i-n

тока накачки

диод

Popt

фотодиод

IPD

RL

4

5

Uout

6

7

ВЧ

Осцилло-

генератор

граф

Волоконно-оптический кабель

1

– порт управления стендом

2

– клемма заземления

3

– разъем питания

4

– входной ВЧ разъем лазерного диода

5

– выходной ВЧ разъем фотодиода

6

– выходной оптический разъем лазерного диода

7

– входной оптический разъем фотодиода

Рис. 3.5. Блок-схема лабораторной установки

28

Лабораторная установка включается в следующем порядке:

3.5.1.Заземлить стенд, вольтметр и персональный компьютер.

3.5.2.Подсоединить стенд к COM-порту компьютера с помощью ноль модемного кабеля.

3.5.3.Подсоединить генератор к LPT-портукомпьютера.

3.5.4.Включить осциллограф и генератор для прогрева в течение не ме-

нее 30 минут.

3.5.5.Подключить блок питания к стенду при нахождении кнопки включения стенда в положении “Выкл.”.

3.5.6.Подключить блок питания стенда к электрической сети 100-240 В,

50/60 Гц.

3.5.7.Включить стенд (перевести кнопку включения стенда в положение “Вкл.”). Индикатор на кнопке включения стенда указывает на наличие напряжения питания на стенде.

3.5.8.Включить компьютер и запустить интерфейсную программу, управляющую стендом.

3.5.9.Выбрать в интерфейсной программе номер COM-порта, к которому подключен стенд, и произвести соединение интерфейсной программы со стендом нажатием кнопки “F9” на клавиатуре компьютера. Интерфейсная программа произведет диагностику работы стенда и при успешном соединении выведет сообщение “Соединение с COMx установлено”, где “х” – номер

COM-порта, к которому подключен стенд.

3.5.10.Если самодиагностика стенда не выявила ошибок, подключить осциллограф к выходному электрическому разъему фотодиода на стенде.

3.5.11.Соединить выходной оптический разъем лазерного диода с входным оптическим разъемом фотодиода с помощью одномодового волоконно-

оптического кабеля.

3.6. Порядок выполнения работы

3.6.1.Ознакомиться с лабораторной установкой.

3.6.2.Включить приборы в указанном выше порядке.

3.6.3.Ознакомиться с работой интерфейсной программы.

3.6.4.Запустить интерфейсную программу генератора сигналов сложной формы Г6-45. Ознакомиться с возможностями данной программы и с порядком установления электрических сигналов на выходе генератора.

3.6.5.Установить напряжение питания p-i-n фотодиода 0 В и ток накачки лазерного диода 20 мА.

3.6.6.Установить на выходе генератора синусоидальный сигнал с амплитудой 0.5 В и частотой 2 кГц.

3.6.7.Получить на экране осциллографа четкую картину фотосигнала. С помощью меток на экране осциллографа измерить амплитуду фотосигнала на

сопротивлении нагрузки p-i-n фотодиода.

3.6.8. Повторить измерение по п.3.6.7 для следующих частот выходного синусоидального сигнала генератора: 20 кГц, 200 кГц, 2 МГц, 3 МГц, 4 МГц,

29

5 МГц, 6 МГц, 7 МГц, 8 МГц, 9 МГц, 10 МГц (при изменении частоты выходного синусоидального сигнала его амплитуда должна оставаться постоянной и равной 0.5 В).

3.6.9.Произвести нормировку измеренных амплитуд фотосигнала на сопротивлении нагрузки p-i-n фотодиода путем деления их на амплитуду фотосигнала, измеренную на частоте 2 кГц.

3.6.10.Построить амплитудно-частотную характеристику p-i-n фотодиода и определить его предельную частоту.

3.6.11.Повторить измерения по пп.3.6.6-3.6.10 для напряжения питания p-i-n фотодиода -5 В.

3.6.12.Установить напряжение питания фотодиода 0 В и ток накачки ла-

зерного диода 20 мА.

3.6.13.Установить на выходе генератора прямоугольный сигнал с частотой 80 кГц. Установить на блоке “РАЗВЕРТКА” осциллографа время развертки 1 мкс и произвести ее 10-кратную растяжку нажатием кнопки “X10”,

вэтом случае 1 клетка на сетке экрана осциллографа соответствует 0.1 мкс.

3.6.14.Получить на экране осциллографа четкую картину фотосигнала на сопротивлении нагрузки p-i-n фотодиода. С помощью меток на экране осциллографа измерить время нарастания и спада p-i-n фотодиода.

3.6.15.Повторить измерения по пп.3.6.13-3.6.14 для напряжения смещения p-i-n фотодиода -5 В.

3.7. Содержание отчета

Отчет о проделанной лабораторной работе должен содержать:

−название работы, ф.и.о. студента и номер группы;

−таблицы с экспериментальными данными;

−амплитудно-частотные характеристики p-i-n фотодиода при различных напряжениях питания;

−значения предельных частот p-i-n фотодиода при различных напряжениях питания;

−значения времен нарастания и спада p-i-n фотодиода при различных напряжениях питания;

−выводы.

3.8. Контрольные вопросы

3.8.1.Приведите основные характеристики фотодиодов, характеризующие его быстродействие.

3.8.2.Объясните эквивалентную электрическую схему p-i-n фотодиода.

3.8.3.Укажите, как влияет напряжение смещения на амплитудно-

частотную характеристику p-i-n фотодиода.

3.8.4. Укажите факторы, влияющие на быстродействие p-i-n фотодиода.

30