1.4.2 Фотодиоды конструкции p-i-n

Принцип действия, основные характеристики.

Для p-i-n фотодиода характерно наличие i-слоя (слаболегированного полупроводника n-типа) между слоями р⁺ (база) и n⁺ (коллектор) (+ означает сильное легирование).

Также i-слой называют обедненным слоем. Фотоны вводятся в детектор через окно, имеющее тонкий слой просветляющего покрытия (толщина около λ /4) с показателем преломления, согласующим разные среды – стекловолокно (n=1,46) и полупроводник (n=3,5).

На такой диод подается обратное смещение (-U см), т.е. напряжение плюсом к n-переходу, минусом к p-переходу.

Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, и максимальное значение электрического тока создается в i-слое. Но поскольку нет свободных носителей в i-слое, нет и электрического тока, так излучения на i-слой, в нем образуется свободные электронно-дырочные пары. Эти пары под действием электрического поля быстро разделяются и двигаются в противоположных направлениях к своим электродам.

Таким образом, создается фототок (ток дрейфа).

I_ф = N_e × Q

где Q- заряд электрона;

N_e– число электронов

Однако не все фотоны вызывают образование пар «электрон - дырка». По этой причине вводится понятие квантовой эффективности. Квантовая эффективность q (безразмерная величина) определяется как:

1.4.2.png

где N_ф - количество фотонов, падающих за единицу времени на приемник;

Ne - количество рожденных в результате этого свободных электронов (или электронно-дырочных пар).

Квантовая эффективность для p-i-n фотодиодов не может быть больше (100%).

Величина фототока определяется:

I_ф= N_ф∙η∙е

Учитывая, что число фотонов зависит от мощности излучения

f1.4.2n.png ,

где Е_ф = h∙v, а λ = C/v, то величина фототока может быть представлена:

где Р_и - полная оптическая мощность излучения на длине волны λ, падающего на фоточувствительную площадку (Вт);

е - заряд электрона (1.6∙Кл);

h - постоянная Планка, эВˑс (см. выше);

С - скорость света в пустоте (воздухе), (С = 3∙ м/с);

η- квантовая эффективность.

Эффективным является взаимодействие излучения только с i - слоем, так как при попадании фотонов в р+ - и n+ - слои возникает диффузионный ток, который имеет большую инерционность и ухудшает быстродействие. Поэтому при изготовлении фотодиодов стремятся делать р+ - и n+ - слои как можно тоньше, а обедненную область достаточно большой протяженности, чтобы она полностью поглощала весь падающий свет. На рисунке 1.21 показана структура, включение и распределение потенциала p-i-n фотодиода.

Существует несколько типов фотодетекторов, которые могут быть использованы в качестве приемников света в ВОСП. Однако только два из них наиболее привлекательны для широкополосных ВОСП. Это кремниевые p-i-n фотодиоды и InGaAs^* p-i-n фотодиоды. Кремниевые фотодиоды могут использоваться в приложениях, работающих в диапазоне коротких длин волн (850 нм), тогда как фотодиоды типа InGaAs - в приложениях, работающих в диапазонах длинных волн 1310 и 1550 нм.

1.21.png

Рисунок 1.21. Структура, включение и распределение потенциала p-i-n фотодиода

Характеристики p-i-n фотодиодов

При выборе фотодетектора для ВОЛС сравнение их производится по ряду характеристик:

Квантовая эффективность фотодиода η является мерой среднего числа электронов, освобожденных каждым падающим фотоном.

При работе в идеальных условиях отражения, кристаллической структуры и внутреннего сопротивления, оптимально спроектированные высококачественные кремниевые фотодиоды способны достичь квантовой эффективности порядка 80%. Квантовая эффективность в 100% - недостижима.

Кривые квантовой эффективности в зависимости от длины волны для различных материалов приведены на рисунке1.22.

Чувствительность отклика наиболее важный параметр при работе с фотодиодными детекторами. Чувствительность отклика выражается в A/Вт (токовая чувствительность) или в В/Вт (вольтовая чувствительность) и иногда называется просто чувствительностью или интегральной чувствительностью.

1.22.png

Рисунок 1.22. Зависимость квантовой эффективности от длины волны для различных материалов

Чувствительность отклика является отношением среднеквадратического (СКВ) значения выходного тока или напряжения фотодетектора к среднеквадратическому (СКВ) значению электрической мощности, т.е.:

1.4.2.for.png ,

где I_ф - фототок, а Р_и- полная оптическая мощность излучения на длине волны λ, падающего на фоточувствительную площадку.

Для фотодиода чувствительность отклика S связана с длиной волны светового потока А и квантовой эффективностью q, той частью падающих фотонов, которые производят пары электрон - дырка. Следовательно,

где λ - длина волны излучения, нм;

η - квантовая эффективность.

Чувствительность отклика может быть также связана с зарядом электрона следующим выражением:

где η - квантовая эффективность;

е - заряд электрона (1,6*1019 Кл);

h — постоянная Планка, эВ-с (см. выше);

ν — частота излучения в Гц.

Типичное значение токовой чувствительности для p-i-n фотодиодов в их рабочих диапазонах составляет 0,5...0,8 А/Вт.

Спектральная характеристика отражает зависимость чувствительности фотоприемника от длины волны воздействующего монохроматического излучения S = f(λ). Эта характеристика определяет спектральную область применения фотоприемника.

1.23r.png

Рисунок 1.23. Спектральные характеристики германиевого (1) и кремниевого (2)фотодиодов.

Область спектральной чувствительности зависит от того, из какого материала изготовлен фотодиод. Типичные спектральные характеристики фотодиодов показаны на рисунке 1.23.

Зависимость спектральной чувствительности от длины волны является сложной. Эта зависимость имеет максимум при некоторой длине волны (λ 0), причем спад в области длинных волн связан с зависимостью квантового выхода η (λ) от длины волны, а в области коротких длин волн - с зависимостью коэффициента межзонного поглощения а(λ) от длины волны. Коэффициент поглощения растет и большая часть излучения поглощается в приповерхностном слое базы и меньшая часть генерированных светом носителей доходит до р-n перехода. То есть, положение коротковолновой границы фоточувствительности зависит от ширины базы и скорости поверхностной рекомбинации. Обе зависимости имеют красную границу, поскольку при энергии квантов hv меньше ширины запрещенной зоны Eg межзонное поглощение света не происходит.

Темновой ток I_т (А) протекает при обратном смещении через нагрузку в отсутствии падающего на фотодиод излучения. Его величина зависит от материала полупроводника, температуры окружающей среды, конструкции фотоприемника. Максимальные значения этот ток имеет в фотодиодах, изготовленных из германия, и составляет от долей до единиц миллиампера.

Вольт - амперная характеристика фотодиода. Вольт - амперная характеристика отражает зависимость тока I, проходящего в цепи фотоприемника, от напряжения U на нем при заданном потоке излучения

I = f(U).

Световой (общий) ток представляет собой сумму токов:

I=IT+Iф ,

где I_Т—ток в отсутствие освещения; I_ф - фототок.

На рисунке 1.24 показаны схемы включения фотодиода с резистором R_н.

- +

R_н

U_см

Рисунок 1.24. Схемы включения фотодиода с резистором R_н:

а) схема включения ФД в фотодиодном режиме,

б) схема включения ФД в фотогальваническом режиме

На рисунке 1.25 представлено семейство вольт – амперных характеристик р-i-n фотодиода. Величина U_np– напряжение электрического пробоя фотодиода.

Вольт - амперные характеристики фотодиода в квадранте I соответствуют включению в прямом направлении.

Если открыть ФД, то через него потечет прямой ток (ток диффузии), значительно превышающий фототок. Фотоуправление током через диод становится невозможным (квадрант I - это нерабочая область для фотодиода).

Квадрант II отражает работу в фотогальваническом режиме. По оси напряжения можно определить фото - ЭДС (U_хх) при различной интенсивности принимаемого светового потока Ф и при R_н =∞. Точки пересечения вольт - амперных характеристик с осью токов соответствуют значениям фототоков короткого замыкания I_к.з.(R_н = 0). Промежуточные значения сопротивления нагрузки определяются линиями нагрузки, которые для разных значений R выходят из начат координат под разным углом. При заданном значении тока по вольт - амперной характеристике можно выбрать оптимальный режим работы фотодиода фотогальваническом режиме. Под оптимальным режимом в данном случае понимают выбор такого сопротивления нагрузки, при котором в R_н будет передаваться наибольшая электрическая мощность.

1.25.png

Рисунок 1.25. Семейство вольт - амперных характеристик p-i-n фотодиода

Квадрант III характеризует включение прибора в фотодиодном режиме (к р-n переходу прикладывается обратное напряжение). В рабочем диапазоне обратны напряжений фототок практически не зависит от обратного напряжения сопротивления нагрузки.

Вольт - амперная характеристика нагрузочного резистора R_Hпредставляет собой прямую линию.

Так как фотодиод и нагрузочный резистор соединены последовательно (см. рис 24а), то через них протекает один ток 1_н. Этот ток можно определить по точке пересечения вольт - амперной характеристики фотодиода и нагрузочной прямой резистора (квадрант III). Таким образом, в фотодиодном режиме при заданном потоке излучения фотодиод является источником тока по отношению к внешней цепи. Значение тока I_н от параметров внешней цепи (U_CM, R_H) практически не зависит.

Энергетическая (световая) характеристика отображает зависимость фотоотклика прибора от интенсивности возбуждающего потока излучения (ампер - ваттная I = f(Ф), вольт - ваттная U= f(Ф), люкс - амперная). Энергетической характеристикой называют также зависимость интегральной или спектральной чувствительности приемника от интенсивности потока излучения. Энергетическая характеристика ФД в фотодиодном режиме линейна в широких пределах.

Частотные характеристики описывают зависимость чувствительности от частоты модуляции излучения или длительности импульсов и характеризуют инерционность прибора. На рисунке 1.26 представлена частотная характеристика фотодиода.

1.26.png

Рисунок 1.26. Частотная характеристика фотодиода

Фотодиоды - малоинерционные фотоприемники. Инерционность их зависит от емкости р-п - перехода, условий разделения электронно-дырочных пар и сопротивления нагрузки. В оптических линиях связи требуются фотоприборы с высоким быстродействием (несколько наносекунд и менее). К фотоприборам, обладающим малой инерционностью, относятся p-i-nфотодиоды и лавинные фотодиоды.

Быстродействие фотодиода зависит от времени нарастания фототока при воздействии на фотодиод импульса оптической мощности (Рис.1.27).

Время нарастания t_rise (спада t_fall) — это самая важная динамическая характеристика фотоприемника. Она определяется как время, необходимое выходному сигналу, чтобы возрасти от уровня 0,1 до 0,9 (упасть от 0,9 до 0,1) от установившегося максимального значения при условии, что на вход подаются строго прямоугольные импульсы света большой длительности. Эти времена зависят от геометрии фотодиода, материала, напряженности электрического поля в слаболегированной области, температуры. Максимальная из двух величин (обычно t_rise) берется в качестве характеристики времени отклика фотоприемника. С увеличением частоты модуляции входных оптических импульсов максимальное значение фототека уменьшается. Предельная частота определяется как частота модуляции, при которой токовая чувствительность составляет 0,707 от значения токовой чувствительности при низких частотах модуляции (см. рис 1.26).

1.27.png

Рисунок 1.27. Характеристика быстродействия р-i-n ФД

Если внутренние задержки прямо не влияют на полосу пропускания или скорость передачи, то времена нарастания и слада главным образом определяют полосу пропускания. Различные фотоприемники могут очень сильно отличаться по быстродействию. Наиболее быстрыми являютсяp-i-nфотодиоды.

Величина быстродействия фотодиода определяется временем дрейфа носителей через i- область. Поэтому для увеличения быстродействия желательно уменьшить толщину i— слоя для электрического тока и сохранять толщину для светового потока. Это реализовано в конструкции фотодиода в форме «мезы» — горы, которая представлена на рисунке 1.28.

1.28.png

Рисунок 1.28 Конструкция p-i-n фотодиода, выполненного в форме «мезы»

- Максимально допустимое обратное напряжениеU_{обр.макс.доп}- это напряжение, превышение которого может привести к пробою фотоприемника и его разрушению, Наряду с этим значением или вместо него изготовители фотоприемников могут указывать просто обратное рабочее напряжение Если выбрать меньшее значение рабочего напряжения, то будет ограничена область линейной характеристики фотоприемника. Диапазон возможных рабочих напряжений типичных р-i-n фотодиодовU_раб = 1…30 В.

- Шумы p-i-n фотодиода. При анализе шумовых свойств ФД, т. е. при необходимости найти отношение сигнал-шум или определить чувствительность, ограниченную только фотоприемником, обычно требуется учитывать три вида шумовых токов: 1) шумовой ток, возникающий при детектировании светового потока (дробовый шум); 2) шумовой ток, обусловленный случайным тепловым движением электронов в нагрузочном сопротивлении и в последующих электронных цепях; 3) шумовой ток самого ФД, основная составляющая которого обусловлена темповым током. Т.е. ток фотодиода состоит из трех составляющих:

I_фд = I_ф+I_фон+I_т ,

где I_ф - ток, обусловленный детектированием сигнала,

I_фон – ток, обусловленный попаданием на фотодетектор постороннего (фонового) оптического излучения;

I_т - темповой ток.

Если уменьшить тепловой шум нагрузочного сопротивления изменением эффективной температуры сопротивления, а принципиально неустранимый дробовый шум считать малым, то пороговую чувствительность ФД будет определять тем новой ток. С этой точки зрения для реализации максимальной пороговой чувствительности необходимо выбирать ФД с минимальными темновыми токами. Величина темнового тока зависит от свойств материала ФД, температуры, площади р-п - перехода, конструктивных особенностей и т. д.

- Электрическая схема включения фотодиода приведена на рисунке 1.29.

1.29.png

Рисунок 1.29. Схема включения p-i-n фотодиода

В схеме включения разделительная емкость Ср позволяет устранить высокое напряжение смещения U_см (до 30 В) со входа малошумящего усилителя.

- Динамический диапазон линейности (в децибелах) характеризует область значений светового потока Ф (от Ф_min до Ф_max), в которой энергетическая (световая) характеристика является линейной:

∆ = 10lg∙(Ф_ma_х/Ф_min).

Динамический диапазон входных оптических мощностей для схемы фотодиода с усилителем может достигать∆ _p-i-n - 60 дБ.

Достоинства и недостатки p-i-n фотодиода

К достоинствам p-i-n фотодиодов относятся следующие:

·     высокая фоточувствительность (для λ = 0,9мкм, S_max = 0,7 A/Вт) и высокое быстродействие

·     высокая фоточувствительность в длинноволновой части спектра (обусловлена широкой i — областью);

·     малая барьерная емкость;

·     высокая эффективность при малых обратных напряжениях.

К недостаткам p-i-n фотодиодов относятся:

·          малая фото - ЭДС (≤ 0,35 - 0,45 В);

·          повышенные токи утечки;

·          p-i-n диоды не совместимы с ИС.

Электронный учебно-методический комплекс по ТМ и О ЦВОСП

1.4.2 Фотодиоды конструкции p-i-n

Оглавление