а) I

Рис. 3.37. Структуры фотодиодов

V777777/,

Рис. 3.38. Принцип действия (а) и энергетические зоны (б) рт-фотодиода

тянутся» к положительному полюсу (п-слой), а дырки - к отрицательному полюсу (р-слой). Таким образом можно создать условия, при которых в 1-слое отсутствуют носители (обедненный слой). Благодаря обратному напряжению смещения возникает высокий электрический потенциал. При попадании в р-п-переход света внутри обедненного слоя возникают электроны и дырки, но благодаря высокому электрическому потенциалу электроны устремляются с большой скоростью к положительному полюсу, а дырки - к отрицательному, что проявляется в виде тока диффузии и может быть зафиксировано снаружи. В результате подобного ускорения носителей также достигается высокое быстродействие прибора.

Сила тока, получаемого от фотодиодов, т. е. фототока, выражается следующей формулой:

(3.21)

где е - элементарный электрический заряд; Ро -мощность падающего света; ftv -энергия фотона; ti - квантовый выход (соотнощение количества электронов и фотонов). Отношение сигнал - шум

SIN = -

2е {Ip + 1а)В + AkTFBlRi

(3.22)

где /d - темповой ток; В - частотная полоса измерений; к - постоянная Больцмана; Г -температура; -входное сопротивление первого каскада измерительного усилителя; f-коэффициент шума этого каскада.

Числитель в формуле (3.22) определяет мощность сигнала, первый член знаменателя-дробовой шум, обусловленный временными флюктуациями частоты возникновения электронов под воздействием света, а второй член знаменателя - мощность тепловых шумов в первом каскаде усилителя.

Чувствительность обнаружения, определяемая при условии SJN=l, приблизительно равна 0,5 мкВт. Скорость релаксации, определяемая временной постоянной (произведением емкости перехода и сопротивления нагрузки Ri), при /?(=50 Ом составляет несколько сотен мегагерц.

Для порышения чувствительности и быстродействия необходимо увеличить толщину обедненного слоя, повысив обратное напряжение смещения и тем самым уменьшив емкость перехода. Кроме того, коэффициент поглощения света уменьшается с ростом длины световой волны, поэтому необходимо увеличивать зону перехода.

В лавинных фотодиодах возможно усиление фототока, что и определяет их высокую чувствительность и быстродействие.

Обедненный слои

Лиффузия Зона Зона Диффузия электронов дрейфа щекучети дырок

Зона УЛ41

проводимости

Уровень Ферми ---

Зона Валентные 7W77, электронову".

Уровень/ подавляемого напряжения

Зона проводимости Уровень Ферми

T/s/ Зона Валентных электронов

Рис. 3.39. Лавинный фотодиод: а -структура; б - распределение электрического поля; 8 - энергетические зоны

Поэтому первоначально они были предназначены для оптической связи и для измерения сверхкоротких световых импульсов.

Структура лавиннного фотодиода представлена на рис. 3.39, а. При увеличении обратного напряжения смещения одновременно с утолщением обедненного слоя усиливается диффузия носителей и по соседству с р-п-переходом образуется зона с высоким электрическим потенциалом, примерно 100 кВ/см. Диффузионные электроны, достигшие зоны, сталкиваясь с нейтральными атомами, выбивают из них вторичные электроны. Благодаря высокому напряжению последние ускоряются, снова сталкиваются, возникают новые электроны и так далее, т. е. происходит лавинообразный процесс, в результате которого резко увеличивается число электронов. Например, от одного фотона может образоваться до 1000 электронов. Увеличением числа электронов определяется коэффициент усиления.

Типы лавинных фотодиодов представлены на рис. 3.40. Защитное кольцо на периферии прибора делается с целью ограничения усиления.

Как показано на рис. 3.41, коэффициент усиления зависит от напряжения обратного смещения. В кремниевых лавинных фотодиодах при напряжении обратного смещения 100... 150 В, а в германиевых при 30... 40 В коэффициент усиления М«=1000. В отличие от фототока 1р у рт-фотодиода [см. формулу (3.21)] фототок в лавинном получается в М раз большим.

К факторам, ограничивающим быстродействие лавинного фотодиода, можно отнести следующие: 1) постоянную времени

а) Р\

р (защитноет/щ))\ < 1 1

"0,9

Рис. 3.40. Структуры лавинных фотодиодов: а - основная; б - исследуемая

0,95 1,0 3.41. Зависи-

Рис.

мость коэффициента усиления от напряжения обратного

смещения £/(,-анодное напряжение

(произведение /?(С -сопротивления нагрузки и электрической емкости перехода и кристалла); при С=1,5 пФ, Ri = Ом постоянная времени равна 75 не; 2) время движения носителей в зоне диффузии; при длине зоиы 10 мкм, скорости носителей 10 см/с это время равно 100 не; 3) время нарастания лавинообразного усиления; при Л1=100 оио равно 100 не.

Суммирование всех этих составляющих и дает время отклика фотодиода. В данном случае частота среза характеристики отклика 1...2 ГГц.

Отношение сигнал -шум для лавинного фотодиода

SIN = -

--(3.23)

2е (/р + /) ММВ + 2eB/j -f ikTFBjRi

Первый член знаменателя описывает дробовой шум, обусловленный временными флюктуациями генерации фототока, темнового тока и лавинообразного усиления; Л1* - коэффициент избыточного шума, определяемый структурой лавинного фотодиода (в частности, для кремниевого лавинного фотодиода ;е=«0,35). Второй член знаменателя описывает дробовой шум, обусловленный током рассеянил /ь протекающим на периферии р-п-перехода. Поскольку этот ток не проходит через переход, то и не усиливается. Третий член знаменателя описывает тепловой шум.

На рис. 3.42 представлено изменение значения SIN относительно М при подсчете по формуле (3.23). Поскольку отношение SIN увеличивается с ростом М, желательно регулировать напряжение обратного смещения так, чтобы достичь оптимального значения М. <

Лавинные фотодиоды являются превосходными детекторами благодаря высокой чувствительности и скорости отклика, но для них требуется повышенное и стабильное напряжение обратного смещения, а стабилизация его представляет определенную проблему. В этом отношении интересны разработки приборов, в которых рш-фотодиод интегрируется с усилителем и которые работают при широко распространенном напряжении питания ТТЛ.

Рис. 3.42. Зависимость сигнала, дробового и теплового шума от коэффициента усиления

Коэсрсрициент усиления,о.е.

3.6.3. Методы обнаружения светового сигнала. Гетеродинное обнаружение. Формулы (3.22) и (3.23) позволяют получить значение 5/jV при прямом обнаружении светового сигнала. Если бы можно было полностью устранить темновой ток и диффузионные токи, сделав при этом Л1*=1, а тепловые шумы достаточно малыми, то исходя из условия SJN=l получили бы минимальную обнаруживаемую мощность сигнала

/omin = ftvB/Ti, (3.24)

называемую квантовым порогом обнаружения.

Однако в реальных условиях трудно уменьшить темновой ток, диффузионные токи и тепловые шумы так, чтобы полноправно применить формулу (3.24). Тем не менее при гетеродинном обнаружении (рис. 3.43) можно вплотную приблизиться к порогу, заданному формулой (3.24).

При этом способе обнаружения одновременно со световым сигналом (допустим, с частотой v) в световой обнаружитель подается сильное световое излучение гетеродина со сдвигом по частоте на величину VsCv. Напряженность электрического поля входного света, если обозначить амплитуды векторов электрических полей каждого светового луча Es и Ei, можно представить как

Е (t),= Е, cos 2n\t + El cos 2я (v + v,) t, (3.25)

причем

E[ » (3.26)

Фототок ip{t) пропорционален входной световой мощности, т. е. пропорционален E(t), а поскольку световой обнаружитель не реагирует на сверхвысокие частоты вроде 2v, 2(v-f Vs), 2v-f -f Vs и т. д., то

ip {t) ~ e! + + 2EiE, cos 2n\.

(3.27)

Учитывая формулу (3.26) и подставляя вместо Eg и Ei соответствующие световые мощности Ps и Pi, на основе формулы (3.21) получаем

ip (О = (1 + 2 \/Ps/Pi cos 2nvst).

(3.28)

Полупрозрачное Световой зеркало сигнал (ч))

Световой, детектс1р

Излучение гетеродина (v+Vs)

Фотозлентрическт ток (uj)

Рис. 3.43. Общая схема гетеродинного обнаружения

Понятно, что здесь мощность дробового шума подобно представлению ее в знаменателе формулы (3.23) выражается как 2er\Pil{hy)+ld]MM. Среднее значение мощности сигнала из формулы (3.28) получается равным 2{PslPi)[ex\Pil{h\)fM?. Следовательно,

S/iV = -

\ Av / Ri

AkTFB

(3.29)

Поскольку значение Pi здесь велико, то всеми членами знаменателя, за исключением первого, можно пренебречь. Иначе говоря, уровень дробового шума, обусловленного светом гетеродина, превышает уровень шумов, возникающих по другим причинам, поэтому

SIN =

(AvB/ti) М"

(3.30)

При М*=1 это отношение совпадает с порогом квантового обнаружения [см. формулу (3.24)], т. е. таким способом можно достичь высокой чувствительности обнаружения.

В фотоэлектронных умножителях и рт-ф,отодиодах Л1*=1, поэтому использование этих приборов при гетеродинном способе обнаружения позволяет создавать высокочувствительные оптические измерители.

Счет фотонов. При очень слабом свете частота попадания фотонов в обнаружитель мала, но если применять фотоумножитель, то число фотоэлектронов, возникающих от каждого фотона, увеличивается и на выходе с приходом каждого фотона появляются импульсы напряжения. Путем счета этих импульсов можно оценить число принятых фотонов.

Процесс умножения фотоэлектронов является в определенной степени случайным, отсюда разброс в коэффициенте усиления, а амплитуды выходных импульсов детектора распределяются, как показано на рис. 3.44. Кроме того, импульсы, подобные импульсам от фотоэлектронов, возникают также и в ре-

Темновои ток Суммарное распределение

Рис. 3.44. Распределение амплитуды импульсов фотоэлектронного и темнового тока

О 0,5 1.0

Амплитуда импульса