Электронный учебно-методический комплекс по ТМ и О ЦВОСП

Фотодиод типа APD (avalanche photo diode) представляет собой p-i-n диод с усилением. На рисунке 1.30 схематически представлено поперечное сечение типичной структуры APD.

Главным отличием ЛФД от обычного фотодиода является внутреннее усиление сигнала, базируемое на лавинном электронном умножении сигнала. Если структура слоев у обычного фотодиода имеет вид p⁺-i-n⁺, то у ЛФД добавляется р - слой (p⁺-i-p-n⁺) (Рис. 1.31).

В широкой i - области напряженность электрического поля почти постоянна и не очень велика, а в узкой р - области резко изменяется и в максимуме достигав значений, достаточных для возникновения и поддержания лавинного размножения.

Рисунок 1.30.  Устройство ЛФД

Причем, профиль распределения легирующих примесей выбирается так чтобы наибольшее сопротивление, а следовательно, и наибольшую напряженное^ электрического поля имел р - слой. При воздействии света на i - слой образуют^ электронно-дырочные пары. Благодаря небольшому полю, происходи* направленное движение носителей к соответствующим полюсам. При попадание свободных электронов из i - слоя в р - слой их ускорение становится более ощутимым из-за высокого электрического поля в р - слое.

Ускоряясь в зоне проводимости р - слоя, такие электроны накапливают энергию достаточную, чтобы выбить (возбудить) другие электроны из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс носит название лавинного усиления или умножения первичного фототока.

Лавинные фотодиоды характеризуются большим темновым током, чем p-i-n фотодиоды, а следовательно, и более низкой чувствительностью, даже если реализовано достаточно высокое усиление тока, позволяющее при низких уровнях сигнала превзойти тепловой шум. Кроме того, следует помнить, что процесс умножения вносит избыточный шум. Однако ЛФД имеет более высокую квантовую эффективность.

Рисунок 1.31. Структура, включение и распределение потенциала лавинного фотодиода.

Использование кремниевых или германиевых ЛФД позволяет существенно повысить общую чувствительность широкополосных приемных устройств. При выборе ЛФД для приемной системы необходимо, помимо квантового выхода и широкополосности, учитывать присущие только ЛФД специфические факторы, такие как усиление по току и связанные с ним ограничения, а также избыточные шумы.

Технология изготовления ЛФД сложна. Это обусловлено необходимостью обеспечения пространственной равномерности умножения носителей по всей светочувствительной площадке диода и минимизации утечки по краям перехода. Для уменьшения утечки используют защитные кольца, как показано на рисунке 1.30. Обычно разброс в усилении из-за пространственной неравномерности умножения носителей составляют 20...50% при среднем усилении 10³.

В ЛФД усиление максимально в режиме, когда смещение на диоде приближается к пробивному напряжению. При напряжениях, больших пробивного, протекает самоподдерживающийся лавинный ток, который все менее и менее зависит от концентрации носителей, появляющихся под действием светового потока. В ра­бочем режиме максимальное усиление ЛФД ограничивается либо эффектами насыщения, вызванными протекающим током, либо произведением коэффициента усиления на полосу пропускания. Эффект насыщения умножения носителей обусловлен тем, что носители, выходящие из области, в которой происходит умножение, уменьшают электрическое поле перехода и создают падение напряжения на последовательном резисторе и нагрузке диода. Ограничение же полосы пропускания объясняется перемещением вторичных электронов и дырок (образованных посредством ионизации) по области умножения в противоположных направлениях еще некоторое время после того, как первичные носители покинули переход. Избыточный шум в ЛФД обусловлен флуктуациями процесса умножения носителей.

Фотодиоды типа APD, изготавливаются для длин волн, лежащих в диапазоне от 300 до 1700 нм. Кремниевые APD могут быть использованы для длин волн в диапазоне от 300 до 1100 нм, германиевые APD покрывают область 800 - 1600 нм, а InGaAs APD - область 900 -1700 нм.

InGaAs APD существенно дороже, чем германиевые, и могут иметь значительно более низкий ток, демонстрировать расширенную до 1700 нм спектральную характеристику и обеспечивать расширенную в область высоких частот характеристику при той же активной области.

Внастоящее время ведутся интенсивные разработки ЛФД на основе GaAs,InAs и InSb, обладающих высоким усилением и ничтожным избыточным шумом.

По базе соединения GaAIAsSb созданы ЛФД на диапазон длин волн1,0...1.4 мкм, превосходящие по параметрам германиевые ЛФД. Для длин волн1…1,7 мкм применяют соединения типа InGaAsP. Значительного улучшения характеристик ЛФД ожидают при использовании гетероструктур па основе InGaAsP/InP.

Характеристики ЛФД

- Вольт-амперная характеристика фотодиода. Общий вид вольт амперных характеристик ЛФД и р-i-п фотодиодов совпадает, отличаются лишь режимы работы (Рис. 1.32). Рабочей областью ЛФД на вольт-амперной характеристике будет зона, близкая к электрическому пробою.

 

Рисунок 1.32. Семейство вольт-амперных характеристик ЛФД

 

- Коэффициент умножения (М) фототока определяется из соотношения:

,

где U_см — напряжение внешнего обратного смещения;

U_пp — напряжение обратного смещения, при котором наступает электрический пробой фотодиода — обычно это напряжение порядка 100 В, но может достигать в некоторых устройствах нескольких сот вольт;

m — показатель, определяемый материалом фотодиода (m = 1,5 4 для кремния и m = 2,5 9 для германия).

Фототок и чувствительность ЛФД увеличиваются в М раз по сравнению с р-i-n ФД:

I_Ф(ЛФД)=M*I_ф(p-i-n),

S_(ЛФД)= M*S_(p-і-n),

где М — коэффициентумножения фототока;

I_Ф(p-і-n) — фототок р-i-n фотодиода,

S_(p-i-n) — чувствительность р-i-n фотодиoда.

При этом темновой ток также будет испытывать умножение. В дальнейшем темновой ток будет представлен в виде суммы:

I_T=M*I_ТУ+I_НУ

Умножаемая составляющая, связанная с генерацией носителей в объеме, усиливается примерно во столько же раз, во сколько и первичный фототок. Не умножаемая составляющая в основном определяется поверхностной генерацией.

Коэффициент умножения М сложным образом зависит от приложенного напряжения (Рис. 1.33)

Рисунок 1.33. Зависимости коэффициента умножения ЛФД от напряжения при различных температурах

На участкеI область пространственного заряда локализуется только в p- слое, поэтому прибор ведет себя аналогично n-р — ЛФД. Граница этого участка определяется напряжением прокола p — слоя и обычно составляет 50 100 В. При увеличении напряжения можно выделить некоторую переходную область II (от начала прокола до полного истощения i - слоя) протяженностью 10...50 В. На этом участке (рабочий участок ЛФД) зависимость М(U) слабая, начинает сказываться буферная роль протяженной i - области. В этом режиме обеспечивается и полное собирание носителей, генерируемых в I - области, т. е. максимальный квантовый выход. На участке III начинается лавинное размножение носителей и в i - области (режим p-i-n - ЛФД), зависимость М(U) вновь становится резко выраженной, стабильность его параметров ухудшается.

Обычно значение М неодинаково по всей фоточувствительной площадке: оно максимально в центре и спадает к краям. Выправление этого дефекта, проявляющегося при восприятии узких лазерных лучей, представляет собой очень сложную технологическую проблему. Для типичных промышленных образцов кремниевых n-р-i-р - ЛФД в рабочем режиме М=10².

- Линейность детектирования света является одной из характеристик ЛФД, определяющих динамический диапазон оптических сигналов:

Чем больше исходный коэффициент умножения, тем больше падение напряжения I_ф*R_см, тем раньше появляется нелинейность характеристики детектирования. В нелинейной области, когда I_ТУ = 0, коэффициент умножения оказывается пропорциональным 1/√I_Ф.

Пространственный заряд экранирует электрическое поле, вызывая снижение лавинного усиления. Действие пространственного заряда тем существеннее, чем меньше площадь засветки. Эффект насыщения проявляется раньше в приборах, работающих с одномодовыми световодами.

Существование умножаемого темнового тока (в ВОСП отсутствует фоновая засветка) также может влиять на линейность детектирования, особенно в случае больших коэффициентов умножения. Увеличение напряжения смещения обычно сопровождается ростом вторичного фототока, а затем его падением. При больших значениях М ток диода перестает управляться светом. Увеличение температуры активной области вызывает уменьшение коэффициентов ионизации и, как следствие, уменьшение лавинного умножения.

В фотоприемных устройствах (ФПУ) ВОСП, как правило, используются небольшие коэффициенты умножения (несколько десятков). Тогда нелинейными явлениями можно пренебречь вплоть до входной мощности в несколько микроватт. Если на вход ФПУ поступает сигнал с большим уровнем, более целесообразным становится применение р-i-п фотодиода вместо ЛФД.

- Рабочее напряжение U_раб выбирается с учетом ряда факторов. Прежде всего надо перекрыть напряжение прокола р - области (реально не менее 60... 100 В, а также напряжение обеднения i - области (10...50 В). Для получения предельного быстродействия ЛФД требуется увеличить напряжение обеднения на 30...60 В. Чтобы обеспечить работоспособность в температурном диапазоне Т =50...100 С, необходимо добавить 30...250 В. Наконец, чтобы скомпенсировать возможный 2...3% - ный недобор дозы, требуется увеличить рабочее напряжение еще на 20... 100 В. Таким образом, диапазон возможных рабочих напряжений типичных n-p-i-p - ЛФД U_раб= 100...400 В.

- Динамический диапазон:Δ_лфд~ 20...30 дБ.

- Схема включения ЛФД. Особенностью схемы включения ЛФД является регулируемый через цепь обратной связи источник напряжения смещения (Рис. 1.34).

Рисунок 1.34. Схема включения ЛФД

- Шумы ЛФД. Лавинный фотодиод имеет те же шумовые компоненты, что и p-i-n фотодиод, при этом основным источником собственных шумов является дробовый шум, обусловленный темновым током и фототоком. Поскольку носители заряда обоих токов генерируются в i - слое (посредством термо - или фотогенерации), для них правомерно одно и то же значение коэффициента умножения. При постоянном значении М мощность шума должна возрастать в М²раз,однако случайный, статистический характер лавинного умножения приводит к появлению еще одного дополнительного множителя F(М), величина которого F(М)=6...10.

Шумы темнового тока обусловлены шумом движения свободных носителей, шумом тепловой генерации пар носителей зарядов, шумом рекомбинации пар, шумом движения пар, шумом исчезновения свободных носителей, температурными изменениями.

Шум фототока (дробовый шум) обусловлен квантовыми процессами случайного возникновения пар носителей зарядов, шумом фоновой засветки, шумом генерации и рекомбинации пар и т.д.

Дробовый шум оценивается дисперсией фототока, то есть отклонением его от среднего значения:

,

где I_ф - среднее значение фототока;

F(М) - функция, учитывающая шум из-за случайного характера умножения в ЛФД (шум-фактор ЛФД);

Δf - полоса частот информационного сигнала (для p-i-n ФД М = 1). Приближенное значение F(М) можно определить из соотношения:

где X зависит от материала ЛФД, например, для кремния X = 0,3...0,5; для германия X = 1:

Фоновый шум, возникающий при случайной засветке фотодиода, оценивается аналогично дробовому шуму:

где I_Фон - ток фоновой засветки.

Тепловой шум вызывается случайным тепловым движением электронов в нагрузке фотодетектора

где k - постоянная Больцмана (1,38-10²³ Дж/К);

Т - температура в градусах Кельвина;

Δf - полоса частот сигнала.

Шум темнового тока обусловлен дисперсией темнового тока:

Результирующее действие шумов можно определить, если объединить все источники шумовых токов в один. Тогда:

Рисунок 1.35. Шумовые схемы фотодиода

а)  источники шумовых токов;

б) эквивалентная схема объединения всех источников шумовых токов.

 

Другие характеристики ЛФД, такие как спектральная чувствительность, быстродействие аналогичны ранее рассмотренным характеристикам р-i-n фотодиода.

 Достоинства и недостатки ЛФД

Сопоставление ЛФД с p-i-n фотодиодом показывает, что для ЛФД характерен ряд существенных недостатков:

-   сложность, уникальность изготовления, высокая стоимость;

 - высокие рабочие напряжения (до 400 В), значительная бесполезно расходуемая мощность, работа лишь в режиме усиления малых сигналов и, как следствие, непригодность для встраивания в микросхемы;

         - необходимость жесткой стабилизации рабочего напряжения и температуры, затрудняющая широкое использование этих приборов;

      - отсутствие конструкций матричного типа на основе ЛФД, отсутствие перспективы создания таких конструкций, что делает ЛФД непригодными для использования в многоканальных устройствах обработки информации.

Вместе с тем уникальное сочетание большого усиления и высокого быстродействия с приемлемым уровнем шумов обусловливает вне конкурентность лавинных фотодиодов, в особенности при их использовании в волоконно-оптических линиях связи.

Для низкоскоростных систем (менее 622 Мбит/с) использование ЛФД не приносит значительного выигрыша по сравнению с p-i-n - диодными приемниками. Однако при более высоких скоростях, таких как 2,5 и 10 Гбит/с, улучшение чувствительности ЛФД приемников может оказаться значительным по сравнению с p-i-n - диодными приемниками.