Лекция_фотодиоды. Pinфотодиоды
 Скачать 68 Kb.
|
|
p-i-n-фотодиоды http://izmer-ls.ru/w/v69.html Принципы действия Фотодиоды преобразуют световые сигналы прямо в электрические, используя обратный по сравнению со светодиодами физический процесс. В p-i-n-фотодиоде есть широкий внутренний (i-) полупроводниковый слой, разделяющий зоны р- и n-типа, как показано на рис. 1. На диод подается обратное смещение (5-20 вольт), это помогает удерживать носители заряда от внутренней области.  Рис. 1. p-i-n-фотодиод Ширина внутреннего слоя гарантирует, что высока вероятность поглощения входящих фотонов именно этим слоем, а не областями р- или n-типа. Внутренний слой имеет высокое сопротивление, поскольку в нем нет свободных носителей заряда. Это приводит к падению большей части напряжения на этот слой, и результирующее электрическое поле повышает скорость ответа и снижает шум. Когда луч света с подходящей энергией попадает на внутренний слой, он создает пару электрон - дырка, поднимая электрон из валентной зоны в зону проводимости и оставляя на его месте дырку. Напряжение смещения заставляет эти носители заряда (электроны в зоне проводимости) быстро смещаться из переходной зоны, создавая ток, пропорциональный падающему свету, как показано на рис. 1. Рабочие параметры Длина волны отсечки У входящего фотона должно быть достаточно энергии для подъема электрона через запрещенную зону и создания пары электрон - дырка. У различных полупроводниковых материалов ширина запрещенной зоны различная, энергетический барьер в электрон-вольтах (эВ) может быть связан с длиной волны (λ) с помощью того же самого уравнения, как для светодиодов.  Для конкретного типа детектора энергетический барьер W есть величина постоянная, поэтому вышеприведенная формула дает максимальную длину волны, которая может быть зафиксирована, то есть длину волны отсечки. Чувствительность Чувствительность ρ есть отношение выходного тока (i) детектора к входной оптической -мощности (Р).  Для 800 нм чувствительность кремния около 0,5 А/Вт, а пиковая чувствительность InGaAs около 1,1 А/Вт для 1700 нм, снижаясь до 0,77 А/Вт для 1300 нм. Спектральная характеристика Спектральная характеристика показывает изменение чувствительности в зависимости от длины волны. Типичные кривые спектральной характеристики для кремниевых и InGaAs p-i-n-диодов показаны на рис. 2. Квантовая эффективность Квантовая эффективность излучателя определяется как отношение числа выделенных электронов к числу падающих фотонов. У кремния и InGaAs пиковая квантовая эффективность около 80%.   Рис. 2. Спектральные характеристики p-i-n-диодов Скорость ответа Скорость ответа детектора ограничена временем прохода, которое является временем преодоления свободными зарядами ширины внутреннего слоя. Это функция напряжения обратного смещения и физической ширины. Для быстрых p-i-n-диодов она колеблется от 1,5 до 10 нс. Емкость также влияет на ответ устройства, причем емкость перехода образует изолирующим внутренним слоем между электродами, образованными p- и n-областями. У высокоскоростных фотодиодов время ответа может достигать 10 пикосекунд при емкости в несколько пикофарад с очень маленькими площадями поверхностей. Вольтамперная характеристика Типичные вольтамперные (I-U) кривые для кремниевого p-i-n-фотодиода показаны, на рис. 3. Можно видеть, что даже когда нет оптической мощности, течет небольшой обратный ток, который называется темновым током (dark current). Он вызывается температурным образованием свободных носителей зарядов, обычно удваиваясь через каждые 10°С прироста температуры после 25°С. Динамический диапазон Линейная зависимость между напряжением и оптической мощностью, показанная на рис. 3 сохраняется обычно на протяжении около шести десятков, давая динамический диапазон около 50 дБ.  Рис. 3. Вольтамперные характеристики кремниевого p-i-n-фотодиода Конструкция p-i-n-фотодиодов Конструкция p-i-n-фотодиодов подобна использовавшейся для светодиодов и лазеров, но оптические требования менее критичны. Активная область детекторов обычно гораздо больше, чем сердечник волокна, поэтому поперечное выравнивание не создает проблем. Лавинные фотодиоды Принципы действия Лавинные фотодиоды используют детекторы с полупроводниковым переходом с внутренним усилением посредством лавинного умножения тока. К p-n-переходу прикладывается очень большое обратное смещение (50-300 вольт). В обедненной области поглощается фотон, создавая свободный электрон и свободную дырку. Эти заряды ускоряются в сильном электрическом поле. Когда они сталкиваются с нейтральными атомами в кристаллической решетке, их кинетическая энергия достаточна для перехода электронов через запрещенную зону и создания дополнительных пар электрон-дырка. Эти вторичные заряды также ускоряются, создавая дополнительные пары электронов и дырок. Таким способом ток, созданный одним фотоном, умножается. Строение лавинного фотодиода Одной из форм лавинного диода является пробойный (reach-through) диод, изображенный на рис. 4. р+- и n+-слои являются сильно легированными областями с очень незначительным падением напряжения. Обедненная область легирована очень слабо и близка к чистому материалу. Большинство фотонов поглощается в этой области, образуя пары электрон - дырка. Электроны движутся к р-области, которая была очищена от свободных зарядов большим обратным напряжением смещения. Обедненная область в р-n+ переходе фактически проходит прямо через р-область. Сильное электрическое поле в р-области вызывает лавинное умножение электронов. Дырки создают слабый ток через i-область по направлению к p+-электроду но не вызывают дальнейшего умножения. Поскольку такое строение ограничивает умножение носителей заряда лишь электронами, у нее меньший уровень шума.  Рис. 4. Лавинный фотодиод Рабочие параметры Длина волны отсечки Лавинные фотодиоды являются разновидностью p-i-n-диодов, поэтому спектральные характеристики и длина волн отсечки те же, что и для p-i-n-диодов. Вольтамперная характеристика Типичные кривые вольтамперной характеристики для лавинного фотодиода приведена рис. 5.  Рис. 5. Кривые вольтамперной характеристики лавинного фотодиода Скорость ответа Скорость ответа ограничивается временем прохождения носителя заряда и постоянной времени RC, как для p-i-n-диодов. Лавинные диоды с ограниченным временем прохода со временем реагирования порядка нескольких десятых наносекунды. Достижимо время реакции менее 100 пикосекунд. Динамический диапазон Подобно p-i-n-диодам, у лавинных диодов отличные линейные характеристики на большом диапазоне мощностей, обычно от долей нановатта до нескольких микроватт. Усиление Усиление лавинного фотодиода зависит от температуры, обычно уменьшаясь по мере роста температуры. Для устройств, работающих в расширенных температурных диапазонах, может потребоваться ее стабилизация. Типичны значения усиления от 20 до 150. Использование лавинных фотодиодов Лавинному фотодиоду требуется снабжение стабильным высоким напряжением и более сложная схема смещения. Это повышает стоимость и снижает надежность. Лавинные диоды обычно менее надежны, чем стандартные p-i-n-диоды. Из этого следует, что p-i-n-диоды обычно являются более предпочтительными устройствами для нормального использования. У лавинных диодов чувствительность повышена от 5 до 10 дБ, а время ответа снижено вдвое по сравнению со стандартными p-i-n-диодами. Такие лавинные диоды необходимы, когда у системы большие потери и она должна работать при низких отношениях уровня сигнал/шум, как в линиях связи на больших расстояниях. В таких системах экономия за счет дополнительных повторителей перевешивает недостатки. |