12. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ р-i-n-ФОТОДИОДНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

12.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В гл. 12 и 13 рассмотрим процессы, лежащие в основе работы двух типов детекторов, применяемых в оптических волоконных системах связи и лавинных диодов. Особое внимание будет уделено причинам ограничения

таких параметров, как чувствительность и частотная характеристика. Таким детекторам посвящено довольно много обзорных статей, среди них наиболее удачны

В основе работы детекторов обоих типов лежит обратносмещенный -переход. Вольт-амперная характеристика -перехода описывается соотношением (9.1.8). Однако при освещении перехода светом, имеющим длину волны меньше пороговой Япор, характеристика сдвигается на величину как показано на рис. 12.1. Этот ток появляется в результате квантового взаимодействия между излучением и электронами валентной зоны, которое приводит к переходу электрона через запрещенную зону и рождению электрон-дырочной пары. Этот процесс иллюстрируется рис. 12.2, а. Пороговая длина волны связана с шириной запрещенной зоны

Детальное обсуждение процесса поглощения будет проведено в следующем разделе.

Фототок возрастает линейно с мощностью оптического излучения причем диапазон линейности составляет несколько порядков. Отношение называется чувствительностью 31 фотодиода. Она связана с квантовым выходом, представляющим собой отношение числа рождающихся в секунду электронов к потоку фотонов, т. е.

Заметим, что это определение не совпадает с определением внутренней квантовой эффективности, данным в § 8.3 для оптических источников. Там стремились получить максимальное число фотонов на один электрон, здесь же заинтересованы в получении максимального числа электронов на фотон. В любом случае предполагается, что не может превышать единицу.

Рис. 12.1. Вольт-амперные характеристики -перехода, на которых обозначен темновой ток и фототок появляющийся при освещении (фотодиода

Из рис. 12.! видно, что фотодиод может по-разному использоваться для детектирования оптического излучения. В простейшем случае диод непосредственно подключается ко входу усилителя напряжения с высоким входным сопротивлением, который измеряет изменение (см. рис. 12,1). В другом случае ток диода усиливается усилителем тока, имеющим инзкое входное сопротивление, т. е. напряжение на диоде поддерживается вблизи нуля. При этом оказываются весьма малыми шумы диодного тока. На практике, однако, фотодиоды в системах оптической связи почти всегда работают в режиме с обратным смещением. При этом квантовый выход и полоса значительно улучшаются. Причины этого будут обсуждены позже. Еслн обратное смещение увеличено до значения, близкого пробойному фототок резко возрастает в результате того же самого процесса лавинной ионизации, коюрый приводит к пробою. Область пробоя также показана на рис. 12.1. Этот процесс лежит в основе работы лавинных диодов, которые будут обсуждаться в гл. 13.

Эквивалентная схема отрицательно смещенного фотодиода при слабом сигнале представляет генератор токз (рис. 12.3). Небольшая шунтирующая

Рис. 12.2. (см. скан) Зонная структура, иллюстрирующая процессы поглощения: а — зона-зонного возбуждения; б - в результате возбуждения с участием донорных и акцепторных уровней: в — внутризонных переходов

Рис. 12.3. Эквивалентная схема обрагносмещенного фотодиода при приеме слабого сигнала

проводимость соответствует наклону характеристики при отрицательном смещении. Сопротивление резистора определяется сопротивлением полупроводника и контактов и обычно не превышает 10 Ом. Емкость конденсатора зависит от емкости -перехода, нагрузки и конструкции. Величину этой емкости удастся сделать менее что особенно важно при работе на высоких частотах