16.4. ФОТОДЕТЕКТОРЫ

16.4.1. Общая характеристика фотодетекторов

Для передачи сигналов в диапазоне длин волн прямо детектирование с использованием p-i-n-фотодиодов или Лавинных фото диодов остается самым удобным методом восстановления электриче ского сигнала из оптического как в замкнутых, так и в открытых системах связи. Однако возможное использование более длинных или болел коротких волн заставляет рассмотреть другие методы и другие тишу устройств детектирования оптических сигналов. При длинах волн меньше 1 мкм становится целесообразным использовать фотоэлект ровный умножитель (ФЭУ). Достоинством ФЭУ является то, что имеют большую площадь фотокатода (до очень высокий внут ренннй коэффициент умножения (более , вносят относительно небольшой аддитивный шум и имеют полосу пропускания свыше Основными недостатками ФЭУ являются низкая квантовая эффективность (менее 0,1), большой размер, ограниченный срок службы, хрупкость и необходимость использования стабилизированных высоковольтных источников питания (обычно около На более длинных волнах, в частности на связанных с лазерными источниками излучения на становится целесообразным использование гетеродинного детектирования, обеспечивающего более высокую чувстви тельность и дающего возможность реализовать другие методы модуляции.

16.4.2. Использование ФЭУ на более коротких длинах волн

Основной процесс преобразования оптического сигнала в злектрический, используемый в ФЭУ, - это внешний фотоэффект, при котором энергия падающего на фотокатод излучения достаточна, чтобы выбить возбужденный электрон с его поверхности. Этот процесс показан на диаграмме энергетических зон электрона, приведенной на рис. 16.10. Здесь в качестве фотокатода используется полупроводник -типа, так как этот материал является предпочтительным по ряду причин. Пороговая длина волны для фотоэмиссии с поверхности полупроводника -типа определяется суммой ширины запрещенной зоны и электронного сродства, т. е.

Кроме того, для полупроводника -типа падающее излучение имеет более высокую вероятность взаимодействия с электроном валентной зоны, чем со свободным электроном, как в металле, так и в зоне проводимости полупроводника n-типа. Использование полупроводника -типа дает два дополнительных преимущества, во-первых, увеличивается работа выхода в результате чего уменьшается

Рис. 16.10. Зонная диаграмма, иллюстрирующая внешний фотоэффект в полупроводнике -типа

термоэлектронная эмиссия с фотокатода в отсутствие падающего излучения (темновая эмиссия) и, во-вторых, состояние поверхности полупроводника -типа имеет тенденцию создавать результирующий положительный поверхностный заряд и таким образом заставляет энергетические зоны изгибаться вниз, как показано на рис. 16.10. В полупроводнике -типа более вероятно, что зонная структура отклонится вверх, увеличивая таким образом электронное сродство. Это не только повышает пороговую энергию фотона, необходимую для фотоэмиссии, но также означает уменьшение вероятности вылета с поверхности фотокатода электрона, обладающего для этого достаточной энергией.

Зависимость квантовой эффективности ряда фотокатодов от длинны волны показана на рис. 16.11.

Параметры некоторых из них сведены в табл. 16.1. Необходимо отметить важность недавно разработанных материалов с отрицательным электронным сродством

В них энергия, соответствующая нижнему уровню зоны проводимости выше, чем вакуумный уровень.

Даже наилучшая интегральная квантовая эффективность значительно ниже той, которая получена в детекторах на фотодиоде.

Однако это компенсируется возможностью использовать вторичноэлектронный умножитель

Рис. 16.11. Спектральные характеристики чувствительности некоторых материалов, обычно используемых для фотокатодов. [Взято из

Рис. 16.12. Схема устройства фотоумножителя

с большим коэффициентом усиления, схематично изображенный на рис. 16.12. Диноды ВЭУ должны быть покрыты материалом, имеющим большой коэффициент вторичной электронной эмиссии Это опять может быть материал с ОЭС. Если ВЭУ имеет каскадов, каждый из которых обеспечивает коэффициент умножения общий коэффициент усиления ВЭУ

Если то

На фотокатоде так же, как и в лавинном фотодиоде (см. гл. 13), в ходе процесса квантового преобразования генерируется ток дробового шума который усиливается вместе с сигналом. Кроме того, до бавляется еще некоторый шум, возникающий в процессе умножения и это, как и ранее, можно учесть с помощью коэффициента шума В соответствии с теорией (см., например, § 13.1 в [14,3]), при коэффициент шума ВЭУ

Таким образом, в нашем примере при получаем Анализ выражения (14.4.10) показывает, что использование ФЭУ обычно

Таблица 16.1. (см. скан) Некоторые материалы фотокатодов

дает возможность полностью подавить шум приемника усиленным дробовым шумом, представленным членом с в этом уравнении. Полоса частот, в пределах которой может поддерживаться коэффициент зависит от времени пролета электрона через ФЭУ. Тщательная проработка конструкции электродов в электростатических ФЭУ, как это изображено на рис. 16.12, дает возможность увеличить полосу пропускания до Другие конструкции, использующие диоды с большими значениями и скрещенные электрические и магнитные обеспечивают большой коэффициент усиления при еще более высоких частотах модуляции.