4 Приемники излучения восп
В ВОСП в качестве приемных устройств используются полупроводниковые фотодиоды. Фотодиод преобразует оптическую энергию в электрическую. ФД в наибольшей степени удовлетворяют предъявляемым требованиям к фотоприемным устройствам оптических систем.
Требования к фотоприемным устройствам ВОСП:
Для получения эффективного оптоэлектронного преобразования спектральные характеристики фотоприемника и источника должны быть согласованы.
При преобразовании фотоприемник должен вносить минимально возможные шумы и искажения, то есть иметь низкий уровень шумов, обладать требуемой чувствительностью, быстродействием и динамическим диапазоном.
Конструкция фотоприемника должна обеспечивать надежное соединение с оптическим волокном.
Длительный срок службы и возможность использования в интегральных схемах.
Наибольшее применение в ВОСП получили p-i-n фотодиоды (PIN), лавинные фотодиоды (ЛФД, APD).
4.1 Принцип действия фотодиодов
Принцип действия любого фотодиода основан на внутреннем фотоэффекте, который заключается в увеличении электропроводности вещества при его освещении. В фотопреобразовательном режиме последовательно с ФД включается внешний источник энергии, смещающий диод в обратном направлении.
Р-i-n фотодиод имеет трехслойную структуру: высоколегированные области p+, n+ с большой концентрацией свободных носителей (дырок и электронов) и сравнительно протяженный обедненный носителями (слабо легированный) i– слой. Легирование примесями по заданному профилю обеспечивает характерное распределение потенциалов, при котором все прикладываемое к ФД напряжение сосредоточено в i-слое. для повышения эффективности преобразования фотон-электрон необходимо, чтобы фотоны попадали в i-слой.
Если на фотодиод не воздействуют фотоны, то в его структуре протекает слабый темновой ток, обусловленный тепловыми движениями зарядов. Темновой ток ограничивает уровень минимально детектируемой мощности сигнала.
При падении фотонов на i-слой происходит генерация свободных носителей (электронов и дырок), так как кванты света выбивают электроны из валентных связей полупроводника. Время жизни носителей, образованных в i-слое, намного превышает их время жизни в p- и n- слоях (где они быстро рекомбинируют). Носители, под воздействием высокого напряжения обратного смещения, быстро смещаются к границам обедненной зоны, при этом замыкается цепь и начинает протекать фототок.
Рисунок 4.1 - Структура p-i-n фотодиода
Фототок
Iф0,
если ЕфЕg.
Оптический сигнал считается преобразованным
в электрический, если выполняется
соотношение ргр,
где р
- рабочий диапазон длин волн,
- определяет длинноволновую границу
чувствительности фотодиода.
гр
– длина волны, до которой оптический
сигнал может быть преобразован в
электрический, так как при превышении
пороговой длины волны энергии фотона
не достаточно для возникновения
фотоэффекта.
Структура ЛФД дополнительно содержит слаболегированный слой p-. К ЛФД подводится высоковольтное питающее напряжение, близкое к напряжению пробоя. Профиль примесей обеспечивает условия, при которых напряжение максимально сосредоточено в р- слое. При возникновении носителей в i-слое, электроны в р- слое с высоким ускоряющим напряжением, соударяются с узлами кристаллической решетки и в результате ударной ионизации выбивают дополнительные электроны. (Носители в сильном электрическом поле приобретают избыточную энергию, достаточную для создания новых пар носителей зарядов за счет ударной ионизации). В результате в переходе вблизи пика напряженности поля происходит умножение носителей. Поскольку вновь появившиеся носители в свою очередь способствуют ударной ионизации, то число носителей лавинообразно увеличивается, что вызывает усиление фототока.
Коэффициент умножения фототока определяется из соотношения:
(4.1)
где Uп – напряжение пробоя ЛФД;
Uд – напряжение смещения, подаваемое на ФД;
М – характеризует чистоту полупроводника.
Коэффициентом М трудно управлять, так как он зависит от температуры и напряжения . Поэтому эти параметры необходимо жестко стабилизировать.
Рисунок 4.2 - Структура ЛФД