Методичка

4. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА “ИЗМЕРЕНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАВИННОГО ФОТОДИОДА”

4.1. 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.

4.2. Основные характеристики и параметры лавинных фотодиодов

Встационарном режиме лавинный фотодиод описывается спектральной

ивольт-амперными характеристиками, а также вольтовой характеристикой коэффициента умножения темнового тока и фототока (Рис. 4.1).

Ток

IPD0

Id0

Popt > 0

Popt = 0

Коэффициент умножения

1

Ubr

Напряжение смещения

Рис. 4.1. 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 соединениях AIIIBV составляют десятки вольт. В общем случае, увеличение температуры приводит к уменьшению напряжения лавинного пробоя.

Коэффициент умножения темнового тока Md лавинного фотодиода оп-

ределяется как отношение темнового тока в лавинном режиме к темновому току в нелавинном режиме:

31

Md = Id Id 0 .

(4.1)

Коэффициент умножения фототока M лавинного фотодиода опреде-

ляется как отношение фототока в лавинном режиме к фототоку в нелавинном режиме:

M = (IPD − Id ) (IPD0 − Id 0 ).

(4.2)

Современные лавинные фотодиоды на основе кремния или германия имеют коэффициент умножения порядка нескольких сотен, а лавинные фотодиоды на основе соединений AIIIBV – порядка несколько десятков.

4.3. 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:

M =	I = 1				n		,	(4.3)
		1	− Ubias − IPD R
	I0			Ubr

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 электронов αn и дырок αp. В приближении постоянного электрического поля внутри слоя умножения коэффициент умножения М может быть выражен через коэффициенты ударной ионизации электронов и дырок и толщину слоя умножения dM:

M = (αn − α p ) (α n − α pe(α n −α p )dM ) .

(4.4)

При небольших напряжениях смещения лавинный фотодиод работает как p-i-n фотодиод 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 105 В/см), поэтому для уменьшения темнового тока и увеличения надежности необходимо обеспечить условия,

32

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 легирования p+-области.

Для получения низкого уровня шумов, высокого быстродействия и коэффициента умножения лавинного фотодиода необходимо, чтобы коэффициенты ударной ионизации αn и αp как 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 мкм InGaAs имеет 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 соединений AIIIBV или их твердых растворов, имеющих отличающиеся коэффициенты ионизации для электронов и дырок, например InP. Рис. 4.2 показывает структуру современного InGaAs/InP лавинного фотодиода, предназначенного для работы в волоконно-оптических линиях связи.

Быстродействие лавинного фотодиода определяется RC постоянной времени цепи фотодиода, временем дрейфа фотоносителей и временем образования лавины τM, которое в приближении постоянного электрического поля внутри слоя умножения толщиной dM равно:

				1 1 − e−(α n −α p )dM
τ M	=							,	(4.5)
		ϑn		+ ϑp αn
							− α p
где ϑn иϑp – скорость электронов и дырок в слое умножения.
фоточувствительная							p-контакт
область
зарядовый слой						hν			i-InGaAs
									поглощающий

n-InGaAsP	слой

диэлектрическое

покрытие

p+-область

		n+-InP
	охранные	i-InP умно-
		жительный	n-контакт
	кольца	слой
		Рис. 4.2. Структура InGaAs/InP лавинного фотодиода

33

Для увеличения предельной частоты лавинного фотодиода необходимо уменьшать как толщину поглощающего слоя, теряя при этом в эффективности, так и толщину слоя умножения. Однако, если минимальная толщина поглощающего слоя ограничена только малым значением квантовой эффективности, то толщина слоя умножения ограничена туннельными токами и минимальным расстоянием необходимым для того, чтобы носитель заряда приобрел энергию, необходимую для возникновения ударной ионизации. Поэтому предельная частота современных лавинных фотодиодов на основе соединений AIIIBV ограничена временем образования лавины и не превышает 30 ГГц. При увеличении коэффициента умножения предельная частота лавинного фотодиода уменьшается, так при этом увеличивается время образования лавины.

4.4. Объект исследования

В данной лабораторной работе исследуется волоконно-оптический фотодиодный модуль, который представляет собой кристалл планарного InGaAs/InP лавинного фотодиода с диаметром фоточувствительной области 50 мкм, соединенный с одномодовым оптическим волокном и помещенный в герметичный металлический корпус (Рис. 2.7). InGaAs/InP лавинный фотодиод работает в спектральном диапазоне от 950 до 1650 нм и имеет чувствительность 0.85 А/Вт на длине волны 1.55 мкм. Напряжение лавинного пробоя составляет величину порядка 60 В. Исследуемый волоконно-оптический фотодиодный модуль предназначен для волоконно-оптических линий связи.

4.5. Описание измерительной установки и методов измерения

Рис. 4.3 показывает блок-схему лабораторной установки, в состав которой входят:

−стенд для измерения фотоэлектрических характеристик лавинного фотодиода;

−вольтметр универсальный В7-73/2;

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

Лабораторная установка позволяет измерять ток IPD через лавинный фотодиод в зависимости от напряжения смещения Ubias и падающей на него мощности Popt излучения лазерного диода, которая устанавливается интерфейсной программой. Излучение лазерного диода по одномодовому воло- конно-оптическому кабелю поступает на лавинный фотодиод. Напряжение Uout на сопротивлении нагрузки RL лавинного фотодиода измеряется с помощью вольтметра. Ток IPD через лавинный фотодиод и напряжение обратного смещения Ubias на лавинном фотодиоде рассчитываются по следующим формулам:

IPD = Uout RL ,

(4.6)

34

Ubias = VPD − Uout ,

(4.7)

где VPD – напряжение питания лавинного фотодиода, которое задается интерфейсной программой. В стенде лабораторной установки сопротивление нагрузки RL лавинного фотодиода равняется 44.1 кОм.

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

лавинный

тока накачки

диод

фотодиод

Popt

IPD

RL

4

5

Uout

6

7

Вольтметр

1

Волоконно-оптический кабель

– порт управления стендом

2

– клемма заземления

3

– разъем питания

4

– входной ВЧ разъем лазерного диода

5

– выходной электрический разъем фотодиода

6

– выходной оптический разъем лазерного диода

7

– входной оптический разъем фотодиода

Рис. 4.3. Блок-схема лабораторной установки

Лабораторная установка включается в следующем порядке.

4.5.1.Заземлить стенд, вольтметр и персональный компьютер.

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

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

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

50/60 Гц.

4.5.5.Включить стенд (перевести кнопку включения стенда в положение

35

“Вкл.”). Индикатор на кнопке включения стенда указывает на наличие напряжения питания на стенде.

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

4.5.7.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.

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

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

4.6. Порядок выполнения работы

4.6.1.Ознакомиться с лабораторной установкой.

4.6.2.Включить приборы в указанном выше порядке.

4.6.3.Ознакомиться с работой интерфейсной программы.

4.6.4.Установить нулевое значение тока накачки лазерного диода.

4.6.5.Установить нулевое напряжения питания лавинного фотодиода.

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

4.6.7.Повторить измерение по пп.4.6.5-4.6.6 для различных напряжений питания лавинного фотодиода в диапазоне от максимального до минимального значения, установленного интерфейсной программой.

4.6.8.Повторить измерения по пп.4.6.5-4.6.7 для значения мощности излучения лазерного диода 10 мкВт.

4.6.9.Для уменьшения ошибок измерений повторить измерения не ме-

нее 5 раз.

4.6.10.Произвести обработку экспериментальных данных и оценить слу-

чайную погрешность измерения тока IPD через лавинный фотодиод и напряжение обратного смещения Ubias на лавинном фотодиоде, рассчитываемых по

формулам (4.6) и (4.7), для доверительной вероятности P = 0.95, при этом значение сопротивления нагрузки RL считать постоянной величиной.

4.6.11.Построить обратную ветвь вольт-амперной характеристики лавинного фотодиода в темновом режиме и при освещении. Определить напряжение лавинного пробоя.

4.6.12.С помощью формул (4.1) и (4.2) построить вольтовую характери-

стику коэффициента умножения темнового тока и фототока лавинного фотодиода.

36

4.7. 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 лавинного фотодиода в темновом режиме и при освещении;

−значение напряжение лавинного пробоя;

−вольтовую характеристику коэффициента умножения темнового тока и фототока лавинного фотодиода;

−выводы.

4.8. Контрольные вопросы

4.8.1.Поясните принцип работы лавинного фотодиода.

4.8.2.В чем состоит отличие лавинного фотодиода от p-i-n фотодиода?

4.8.3.Приведите вольт-амперную характеристику лавинного фотодиода

иобъясните ее поведение при различных напряжениях смещения.

4.8.4.Укажите факторы, влияющие на коэффициент умножения лавинного фотодиода.

37

5. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА “ИЗМЕРЕНИЕ ТОКОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИЛЫ ИЗЛУЧЕНИЯ СВЕТОДИОДА”

5.1. Задачи лабораторной работы

Измерить токовую характеристику силы излучения в максимуме диаграммы направленности светодиода, определить видность излучения светодиода и построить токовую характеристику силы света светодиода.

5.2. Основные характеристики и параметры светодиодов

Излучение светодиодов в режиме непрерывной генерации, также как и лазерных диодов, описывается спектральной характеристикой, диаграммой направленности и ватт-амперной характеристикой. Однако, если светодиод предназначен для индикации в измерительной технике и бытовой электронике или для применения в осветительной технике, то наряду с энергетическими величинами применяются фотометрические (Табл. 5.1).

Табл. 5.1. Энергетические и фотометрические величины оптическогоизлучения

	Энергетические параметры		Определение	Форму-			Световые параметры
	Название и	Единица из-					Название и обо-	Единица из-
				ла
	обозначение	мерения					значение	мерения
	Поток				dQ		Световой поток
	(мощность)		Скорость переноса
	излучения	Вт	энергии излучения	Ф = dt			Фυ	лм
	Фе
	Сила излу-	Вт/ср	Поток в единице те-	I =	dФ		Сила света	кд=лм/ср
	чения
			лесного угла		dΩ		Iυ
	Ie

5.2.1. Спектральная характеристика отражает зависимость спектральной плотности мощности излучения светодиода от длины волны (Рис. 5.1).

Центральная длина волны излучения λ0 – длина волны, соответствующая

максимальной спектральной плотности мощности излучения светодиода. Современные светодиоды на основе соединений AIIIBV, AIIBVI и AIVBVI и их

твердых растворов, перекрывают спектральный диапазон длин волн от

0.26 мкм до 4.5 мкм.

Доминирующая длина волны λс – длина волны монохроматического излучения, цвет которого воспринимается глазом человека также как и излучение светодиода.

Ширина спектра излучения Δλ1/2 – интервал длин волн, в котором спектральная плотность мощности излучения светодиода составляет не менее половины максимальной. Типичные значения ширины спектра излучения Δλ1/2 для современных светодиодов составляют несколько десятков нанометров.

38

Плотность мощности излучения, отн. ед.

1.0

Δλ1/2

0.5

0	λ0

Длина волны

Рис. 5.1. Относительная спектральная характеристика светодиода

5.2.2. Диаграмма направленности отражает зависимость силы излучения инжекционного лазера от направления излучения (Рис. 5.2).

Угол излучения θ – плоский угол, содержащий фотометрическую ось светодиода и образуемый направлениями, в которых сила излучения составляет не менее половины максимальной. Типичные значения углов излучения θ для современных светодиодов составляют от 10 до 60°.

θ	0°

1.0

90°	0.5
0

Рис. 5.2. Диаграмма направленности светодиода

39

5.2.3. Ватт-амперная характеристика отражает зависимость выходной мощности излучения светодиода от тока. Следует отметить, что измерить ватт-амперную характеристику светодиода достаточно сложно, так как светодиод имеет широкую диаграмму направленности, поэтому на практике вместо ватт-амперной характеристики часто пользуются токовой характеристикой силы излучения (силы света, если светодиод предназначен для индикации или для применения в осветительной технике) в максимуме диаграммы направленности светодиода (Рис. 5.3). Современные осветительные светодиоды на основе квантоворазмерных гетероструктур AIIIBV имеют силу света порядка единиц и десятков кандел. В общем случае увеличение температуры ведет к уменьшению мощности излучения светодиодов.

T1<T2

Сила излучения (сила света)

T1

T2

Ток

Рис. 5.3. Токовые характеристики силы излучения (силы света) в максимуме диаграммы направленности светодиода при различных температурах

5.3. Фотоэлектрические процессы в светодиоде

Принцип действия светодиодов основан на явлении электролюминесценции при протекании тока в структурах с прямо смещенным p-n переходом. Под действием напряжения прямого смещения уменьшается высота потенциального барьера p-n переход, и в область перехода инжектируются основные носители заряда, где они рекомбинируют, испуская фотоны. Цвет свечения, возникающего при инжекционной электролюминесценции, зависит от ширины запрещенной зоны полупроводникового материала и природы примесей, которые легированы в данный полупроводниковый материал. В настоящее время достигнут существенных прогресс в области физики и технологии изготовления эпитаксиальных светодиодных квантоворазмерных гетероструктур на основе твердых растворов AlGaInN и AlGaAsP, что позволи-

40