12.6. ШУМ p-i-n-ФОТОДИОДОВ

Предельная чувствительность фотодиода определяется хаотическими флуктуациями напряжения и тока на выходе, которые имеются как в присутствии оптического сигнала, так и без него. Задача заключается в необходимости обнаружения сигнала среди хаотических флуктуаций. Этот вопрос будет подробно рассмотрен в гл. 14 и 15, а здесь уместно обсудить источники шумов, присущие собственно фотодиоду. В связи с этим существенна статистическая природа квантового процесса детектирования. В результате средний ток фотодетектора всегда испытывает флуктуации, известные как «тепловой шум». Средняя квадратическая величина пропорциональна и полосе фотодиода Таким образом,

Какой-то ток течет через диод даже в отсутствие оптического сигнала. С ним также связан тепловой шум. Хотя этот ток называется темновым его можно считать частью некоторого фототока обусловленного попадающим на диод фоновым излучением. Этот фоновый ток добавляется к току насыщения перехода Три составляющих

образуют Имеются носители, рожденные в обедненном слое в формуле (7.3.5)), носители, которые диффундируют в обедненный слой из в формуле (7.3.4)), и поверхностные токи, возникающие под действием поля смещения. Для уменьшения поверхностных токов необходима тщательная обработка и пассивирование поверхности с целью уменьшения концентрации примесных ионов. Выражение для диффузионного тока было получено в гл. 7 (формула (7.5.10, а)). В этом выражении и теперь относятся к -области, а по и к -области. Тот факт, что обе эти области сильно легированы, способствует снижению диффузионного тока. Рождение носителей внутри обедненного слоя, который на рис. 12.6 обозначен -областью, приводит к увеличению тока, где А — площадь, толщина, время жизни неосновных носителей в -области, а концентрация собственных носителей (см. формулу Для повышения необходимы высококачественные свободные от дефектов материалы.

Обычно качество фотодетектора оценивают по нескольким параметрам. В основном они разрабатывались для приема инфракрасного излучения очень слабых стационарных или медленно меняющихся источников. Поэтому такие диоды оказались плохо соответствующими требованиям, предъявляемым к детекторам в широкополосных системах оптической связи. Наиболее важны здесь три параметра: эквивалентная шумовая мощность чувствительность к обнаружению и удельная чувствительность к обнаружению Покажем, как эти параметры связаны с длиной волны детектируемого излучения, квантовым выходом и темновым током детектора. Будем предполагать, что шумы детектора определяются тепловым шумом, связанным с темновым током и током сигнала. Эквивалентная шумовая мощность определяется как оптическая мощность (на конкретной длине волны или на участке спектра), необходимая для получения тока, равного среднеквадратическому значению шумового тока в единичной полосе частот Гц). Чтобы оценить на конкретной длине волны, перепишем формулу (12.1.2) в виде

положтв в (12.6.1), получим

При

Подставляя это в (12.6.2) при Гц, получим

При это выражение представляет идеального квантового детектора. При

и

Чувствительность к обнаружению

При детектировании монохроматического излучения

Наконец, удельная чувствительность к обнаружению учитывает тот факт, что в таких фотодиодах пропорционален площади детектора. Это происходит, когда фоновое излучение и термическое рождение носителей преобладают в над поверхностной проводимостью. Тогда

где А — площадь дектекора.

В оптических системах связи широкополосные детекторы часто работают на низкоомную нагрузку, а минимальный сигнальный ток должен значительно превышать . В таком случае нагрузочное сопротивление, усилитель и сам сигнальный ток представляют собой дополнительные шумовые источники. К подробному рассмотрению шумовых ограничений детектирования вернемся в гл. 14 и 15.

ЗАДАЧИ

(см. скан)

(см. скан)

РЕЗЮМЕ

Необходимым условием для p-i-n и лавинных диодов является

Чувствительность где квантовый выход детектора.

Для получения высокой квантовой эффективности требуется малое отражение от поверхности, согласование по толщине и положению обедненного слоя и поглощающей области, незначительная рекомбинация носителей. На практике получаются значения от 0,5 до 0,95.

Кремниевые детекторы исиользуются в сочетании с GaAlAs/GaAs источниками. В более длинноволновом диапазоне используются гетероструктуры или -детекторы.

Переходное время определяется постоянной времени диода и его нагрузки, временем переноса носителей внутри диода и временем рекомбинации.

Частотная характеристика описывается формулой

В частном случае ограничения переходным временем выполняется соотношение

На практике полоса превышает

Предельная чувствительность ограничивается тепловым шумом, присущим процессу квантового детектирования Для идеального квантового детектора эквивалентная шумовая мощность