12.5. ИМПУЛЬСНЫЕ И ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ p-i-n-ФОТОДИОДОВ

12.5.1. Характеристики фотодиода

На рис. 12.9 показана схема включения фотодиода, когда его выходной сигнал поступает на усилитель. Элементы и образуют входной импеданс усилителя. Изменяющаяся во времени падающая оптическая мощность вызывает изменяющийся ток и напряжение на входе усилителя. Типичная переходная характеристика при длительности оптического импульса 10 ... 20 не показана на рис. 12.10. Ее вид зависит от трех факторов: постоянной времени диода и его нагрузки; переходного времени, которое определяется дрейфом носителей через обедненный слой; задержкой, которая определяется диффузией носителей, рождающихся снаружи обедненного слоя. Обсудим каждый из этих факторов.

Рис. 12.9. Схема включения фотодиода

Рис. 12.10. Типичная характеристика фотодиода

12.5.2. Постоянная времени схемы

Эквивалентная схема диода показана на рис. 12.3. Предполагаем, что ток диода поступает на нагрузку из и которая представляет собой входной импеданс усилителя. Кроме того, распределенная паразитная емкость и сопротивление смещения также шунтируют выход диода. Тогда фотодиод и его нагрузка могут быть представлены схемой, показанной на рис. 12.11, а, которая в упрощенном виде показана на рис. 12.11, б. Здесь учтено, что

и объединены параллельно соединенные элементы. Обычно в и много меньше, чем поэтому

и

При изменении фототока напряжение на нагрузке будет изменяться с запаздыванием, которое определяется постоянной времени Если фототок меняется синусоидально с угловой частотой то напряжение определяется формулой

Для получения хорошей частотной характеристики нужно по возможности снизить С. Емкостная составляющая фотодиода обычно не

Рис. 12.11. Эквивалентная схема смещенного фотодиода и усилителя для приема слабого сигнала: а полная схема; упрощенная схема, полученная в результате пренебрежения величиной и объединения параллельно соединенных элементов

превышает После этого необходимо либо уменьшить либо применить высокочастотную коррекцию. Сравнение этих двух методов будет роведено в гл. 14.

12.5.3. Переходное время

На высоких частотах изменения фототока не успевают за изменениями модулированного оптического излучения. Рассмотрим движение носителей в области дрейфа.

В электрическом поле родившиеся носители достигают средней дрейфовой скорости за очень короткое время — обычно доли пикосекунды. В низких полях дрейфовая скорость пропорциональна напряженности поля но по мере роста напряженности достигается насыщение скорости дрейфа. Поле насыщения обычно составляет около На рис. 12.32 представлена зависимость скорости дрейфа от напряженности для некоторых полупроводников. Будем считать, что поле смещения фотодиода достаточно велико, чтобы поддерживать насыщение скорости носителей в дрейфовой области (см. рис. 12.6). Смысл этого допущения при напряжении смещения и концентрации примесей в области дрейфа следующий. Ясно, что мы требуем

Так, для кремниевого диода с дрейфовой областью 50 мкм напряжение смещения должно превышать . В соответствии с (7.6.2) для -типа легирования области электрическое поле изменяется линейно:

и полное изменение определяется выражением

Имея в виду кремниевый диод, условимся, что изменение не должно выходить за пределы на -переходе и на

Рис. 12.12. Зависимость скорости дрейфа носителей от напряженности электрического поля, показывающая, что при высокой напряженности наблюдается насыщение.

Должно быть понятно, что скорость дрейфа снижается при увеличении степени легирования или при высокой концентрации дефектов, а также с ростом температуры

-переходе. При этом обеспечивается насыщение скорости носителей во всей области Тогда а при согласно формуле Необходимое напряжение составляет 62,5 В.

Чтобы обсудить действие переходного времени, предположим, что импульс оптической мощности создает N электрон-дырочных пар на -краю обедненной области. Дырки сразу же собираются -материалом, в то время как электроны дрейфуют через обедненный слой за время которое зависит от электронной скорости насыщения:

где размер обедненной области. Затем они собираются -слоем. Движение заряда вызывает ток. Общий переносимый заряд есть так что

Для как показано на рис. 12.13, а.

Если носители рождаются на -краю обедненного слоя, переходное время и ток определяются скоростью насыщения дырок, как показано на рис. Рассмотрим теперь, что произойдет, если электрон-дырочные пары будут рождаться в середине обедненного слоя. Электроны дают вклад в ток за время а дырки дают вклад в ток за время где скорость насыщения для дырок. Аналогичные соображения можно привести и для носителей, рождаемых в любом месте обедненного слоя. Когда рождение носителей однородно по всей области, ожидается треугольная характеристика, показанная на рис. 12.13, в. Расчет, учитывающий экспоненциальное затухание оптической мощности и, следовательно, скорости рождения носителей, дает импульсную характеристику, приведенную на

Рис. 12.13. Теоретические импульсные характеристики при различных условиях освещения: а — когда электрон-дырочные пары рождаются только в -области обеднеииого слоя; б - когда электрон-дырочиые пары рсждаются только в -областн обедненного слоя; в — однородное рождение носителей; г - рождение носителей экспоненциально меняется по обеднеииому слою

рис. 12.13, г. Ожидаемая полуширина импульса тока немного меньше времени пересечения электронами обедненного слоя. Для кремниевого диод при время нс. Диффузия носителей в обедненном слое расширяет импульсную характеристику до времени рекомбинации. Оно едва ли будет менее 10 не. Поэтому важно удерживать ток в пределах этого «диффузионного хвоста».

Рассмотрим, как переходное время влияет на характеристику диода при синусоидальной модуляции оптического излучения

где коэффициент модуляции. Проведем формальный анализ для простого случая, когда носители рождаются только у -края обедненного слоя, т. е. в начале координаты рис. 12.5. Положим, скорость рождения носителей Эти носители (электроны) дрейфуют через обедненный слой со скоростью насыщения для электронов Это означает, что в элементе на расстоянии х можно ожидать появления тех электронов, которые были рождены на секунд ранее за интервал времени Это будет

так что полное число будет определяться выражением

где I — размер обедненной области. Полный ток

и может быть записан

где сделали подстановку Ясно, что на высоких частотах характеристика падает

Рис. 12.14. Влияние времени переноса носителей на частотную характеристику p-i-n-фотодиода.

График представляет теоретическую характеристику. соответствующую случаю, когда все носители рождаются у одного края обедненного слоя, а задержка равна

как показано на рис. 12.14. Очевидно, что она является фурье-преобразоваиием от импульсной характеристики. В предыдущем примере, где 0,5 нс, модулированный ток падает в 2 раз на частоте

Когда носители рождаются в обедненном слое, действуют два конкурирующих эффекта. Дрейф дырок при их малой скорости насыщения стремится сузить полосу, но меньший путь носителей соответствует меньшему что ведет к расширению полосы. Если известны распределение носителей и их дрейфовые скорости, можно сделать подробный расчет.