Фотоприёмники для оптических систем передачи

 

Фотодетектором (фотоприёмником) называют устройство, преобразующее оптическую энергию в электрическую.

В фотодетекторах используются два фотоэффекта: фотогальванический и фотопроводимости.

Приборы на основе фотогальванического эффекта: фотодиоды, фототранзисторы, солнечные элементы.

Эффект фотопроводимости используется в фоторезисторах.

К фотодетекторам оптических систем связи предъявляются следующие требования:

1) Высокая чувствительность;

2) Требуемые спектральные характеристики и широкополосность;

3) Низкий уровень шумов;

4) Требуемое быстродействие;

5) Длительный срок службы;

6) Использование в интегральных схемах.

В большой степени этим требованиям отвечают фотодиоды.

Фотодиод – прибор, электрические свойства которого изменяются под действием падающего на него излучения.

В технике оптической связи наибольшее применение получили p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД). Перспективными приборами для высокоскоростных систем являются фотодиоды бегущей волны TAP (Travelling-WavePhotodetectors), используемые на скорости от 10Гбит/с до 160Гбит/с и выше. В этих приборах, фотодетектирование сочетается с оптическим усилением в полупроводниковом оптическом усилителе.

Фотодиоды p-i-n отличаются простотой конструкции, высокой надежностью, низкой стоимостью.

В p-i-n фотодиоде между областями с проводимостями р⁺ (база) и n⁺ (коллектор) расположен слой i (слой поглощения фотонов) собственной проводимости полупроводника (i – intrinsic).

 

Рисунок 5 - конструкция диода p-i-n

 

Лавинные фотодиоды по своей структуре отличаются от p-i-n фотодиодов тем, что кроме легированной n и p областей содержит слаболегированные n и p области.

 

Рисунок 6 – конструкция лавинногофотодиода

Быстродействие фотодиода – это время нарастания фототока при воздействии на фотодиод светового импульса.

Основные характеристики фотодиода конструкции p-i-n:

1) Длина волны отсечки

2) Чувствительность

3) Спектральная характеристика

4) Квантовая эффективность

5) Скорость ответа

6) Вольтамперная характеристика

7) Динамический диапазон

Оптическое излучение охватывает диапазон волн примерно от 0,01 до 1000 мкм. Весь диапазон принято разбивать на ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную области. Такое деление носит несколько условный характер, поскольку строгих границ между областями не существует.

Граница диапазона оптических частот на длинных волнах(низкие частоты) объясняется резким уменьшениемфототока.

Граница диапазона оптических частот на коротких волнах объясняется шунтирующим действием (Разделение движения тока на основной и параллельный) ёмкостизапертого p-n перехода эквивалентной схемы фотодиода.

 

Длинноволновая граница чувствительности фотодетектора определяется соотношением:

 

(1)

 

где Еg - ширина запрещенной зоны полупроводникового материала, из которого сделан фотодиод.

Пусть фотодиод сделан из германия. Тогда Еg=0,661 эВ.

Следовательно:

 

(2)

 

Шумы фотодиодов подразделяются на шумы фототока и шумы темнового тока.

Шумы темнового тока обусловлены шумом движения свободных носителей, шумом тепловой генерации пар носителей зарядов, шумом рекомбинации пар, шумом движения пар, шумом исчезновения свободных носителей, температурными изменениями.

Шум фототока (дробовый шум) обусловлен квантовыми процессами случайного возникновения пар носителей зарядов, шумом фоновой засветки, шумом отражения и поглощения в окне, шумом генерации и рекомбинации пар и т. д.