Фотодіод p-i-n типу та лавинний фотодіод

З ФП, що застосовуються у ВОЛЗ, знайшли поширення p-i-n ФД і лавинні ФД (ЛФД). Розглянемо принцип дії фотоприймачів (ФП) на прикладі p-i-n ФД, для якого характерна наявність i-шару (слаболегованого НП) між шарами p+ та n+ типу, де “+” означає сильне легування), як показано на рис.6.6.

Також i-шар називають збідненим шаром, оскільки в ньому немає вільних носіїв. На p-i-n структуру подається напруга зі зворотним зсувом (у порівнянні зі СД). Сильне легування крайніх шарів робить їх провідними і максимальне значення електричного поля (градієнт потенціалу) створюється в i-шарі. Але, оскільки немає вільних НЗ в i-шарі, немає й електричного струму. При наявності падаючого випромінювання на i- шар, у ньому утворюються вільні електронно-діркові пари. Вони під дією електричного поля швидко розділяються і рухаються в протилежних напрямках до своїх електродів, відтворюючи електричний струм. Ефективним є взаємодія випромінювання тільки з i-шаром, тому що при влученні фотонів в p+ та n+ шари виникає дифузійний струм, який має більшу інерційність і погіршує швидкодію. Тому при виготовленні ФД прагнуть робити p+ та n+ шари як можна тоншими, а збіднену і-область досить великої товщини, щоб вона повністю поглинала все падаюче світло. ФД p-i-n типу є найбільш поширенними у ВОСЗ. Такий діод має широку і- область із власного напівпровідника між р- та n – областями (рис.6.6). Шар власної провідності не має вільних НЗ, тому його опір великий і більша частина напруги зміщення ФД прикладена до цієї області і напруженість електричного поля в ній вeлика. Оскільки шар власної провідності дуже широкий, то є висока ймовірність для фотонів, що надходять, бути поглинутими саме в ньому, а не в тонких р- або n- областях. Це збільшує квантову ефективність і швидкість відгуку в порівнянні з р-n ФД. Схема вмикання р-і-n ФД і рух НЗ (електронів і дірок) наведена на рис.6.6.

6.2.4 Гранична довжина хвилі.Для створення пари носіїв електрон-дірка, фотон, що надходить, повинен мати енергію достатню, щоб електрон подолав ЗЗ НП. Це потребує виконання умови , що дає значення граничної довжини хвилі:

, мкм , (6.1)

де – енергія, яка потрібна для подолання забороненої зони, еВ.

Рисунок 6.6 – Структура розподілу потенціалу електричного поля р-і-n ФД

6.2.5 НП матеріали.Кремній (Si) найчастіше використовується для волоконно-оптичних приймачів (ВОП) випромінювання, що працюють у першому вікні прозорості, але він не може працювати в другому вікні (довжина хвилі близько 1,3мкм). ФД з германію (Ge) і InGaAs вносять більшу кількість шуму, ніж кремній, але вони можуть функціонувати в другому вікні прозорості. У табл.6.1 наведені параметри р-i-n ФД із найбільш пoширених НП матеріалів.

Таблиця 6.1 – Типові параметри р-i-n ФД

Матеріал	Область спектральної чутливості, мкм	Довжина хвилі мак-симального відгуку, мкм	Максимальний струмовий відгук, А/Вт
Кремній (Si)	0,3.. .1,1	0,8	0,5
Германій (Ge)	0,5. ..1,8	1,55	0,7
InGaAs	1,0..1,7	1,7	1,1

6.2.6 Вольт-Амперна характеристика (ВАХ).Сім'ю ВАХ кремнієвого ФД, що має струмовий відгук 0,5 А/Вт, наведено на рис.6.7. Якщо на ФД подано напругу зворотнього зміщення,то він працює у ФД (фотовентильному) режимі - ліва частина рис.6.7. У цьому випадку сила фотоструму є пропорційною оптичній потужності (Р). Коли зворотнє зміщення відсутнє, тоді (прийнята ФД оптична потужність призводить до виникнення на його електродах напруги прямого зміщення права частина рис.6.7). Це фотогальванічний режим, що є основним для сонячних елементів, які виробляють електричну напругу при опроміненні світлом.

Рисунок 6.7 – ВАХ кремнієвого ФД

Навіть при відсутності оптичної потужності і наявності зворотнього зміщення через зворотньо-зміщений ФД тече малий зворотній струм, що зветься темновим струмом (ТС). Він позначений символом на рис.6.7. ТС викликано тепловою генерацією вільних носіїв заряду в ФД, має теплову природу і швидко збільшується з температурою, подвоюючись при збільшенні температури на кожні 10^°С. Значення ТС становлять від частки наноампера до кількох сотень наноампер. Кремнієві ФД мають найнижчі значення ТС (~ 1нА). У ФД із InGaAs він трохи більший, а германієві ФД мають найбільші значення ТС. У цьому одна з основних причин, чому кремнієвим ФД віддають перевагу. Очевидно, що слабкий оптичний сигнал не можна виявити за допомогою ФД, тому що він генерує малий фотострум, який маскується великим ТС. Великий ТС впливає на відношення сигнал/шум і ймовірність помилки приймального пристрою (ПП). Схему найпростішого ПП на основі р-i-n ФД наведено на рис.6.8 разом з ідеалізованим сімейством ВАХ, а його графічне рішення наведено на рис.6.8б.

Рисунок 6.8 – Схема ввімкнення р-i-n ФД (а) і її графічний аналіз (б)

Користуючись законом Кірхгофа алгебраїчна сума падінь напруги в замкнутому колі дорівнює ЕРС джерела напруги для схеми на рис.6.8, то можна отримати рівняння: (6.2)

де U_зм – напруга зміщення;

U_д– падіння напруги на ФД;

і – струм у ланцюгу;

R_H – опір навантаження.

Оскільки рівняння (6.2) має одночасно задовольняти перетини з ВАХ, то його графічне рішення наведено на рис.6.8 (пряма лінія).

Приклад1. Нехай використана напруга зміщення 20 В і резистор навантаження з номіналом 1МОм. Вона перетинає вісь напруги у точці (у цьому прикладі – 20В) і вісь струмів у точці = 20 / 10⁶ = 20 мкА. Передатну характеристику (ПХ), що показує залежність вихідної напруги U від вхідної оптичної потужності Р, можна здобути з рис.6.8б. Результати обчислень ПХ р-і-n ФД зведено до табл.6.2.

Пояснимо, як отримано дані у табл.6.2. Наприклад, якщо оптична потужність Р дорівнює 10 мкВт, то навантажувальна пряма перетинає ВАХ при напрузі на діоді U_g = – 15 В. Залишок напруги джерела зміщення величиною 5В падає на резисторі навантаження R_н

,

тобто на верхньому полюсі резистора існує потенціал 5В відносно заземленого позитивного полюса батареї (рис.6.8а)

Таблиця 6.2-Результати розрахунку ПХ р-i-n ФД

Оптична потужність, Р, мкВт	Напруга на ФД, В	Напруга на навантаженні, В
	-20
	-15
	-10
	-5
	0,3	20,3
	0,4	20,4

Інші числа в табл.6.2 розраховуються аналогічно. Графік ПХ подано на рис.6.9. Якщо оптична потужність Р стає достатньо великою (у цьому прикладі більшою 40мкВт), ФД починає функціонувати у фотогальванічному режимі і передатна характеристика стає нелінійною завдяки явищу насичення. Звичайно проблемою є недостатня оптична потужність Р, але при проектуванні локальних ліній передачі повиненно подбати, щоб пристрій не потрапив у некерований режим насичення.

Рисунок 6.9 – Передатна (Вольт-Ваттна) характеристика p-i-n ФД з при МОм.

Термін насичення відноситься до стану, коли вхідна оптична потужність настільки велика, що існує нелінійна залежність фотоструму (фотонапруги) від вхідної оптичної потужності. Якщо приймач насичений, його відгук на зміни вхідної оптичної потужності не змінюється. Насичення не тільки спотворює форму сигналу, але й знижує швидкодію приймача та обмежує його динамічний діапазон. Графік рис.6.9 пояснює явище насичення за високих рівней потужності і обмеження динамічного діапазону (ДД) ФП. Можна використовувати ФД при більш високих потужностях, тобто збільшити динамічний діапазон приймального пристрою. Для цього треба зменшити опір навантаження. Наприклад, зменшення номіналу опору навантаження до 10 кОм в схемі на рис.6.8а (тобто в 100 разів) збільшило б в стільки ж разів значення максимального фотоструму до мА. Лінійна залежність між фотонапругою і оптичною потужністю (між фотострумом і оптичною потужністю для великих значень фотонапруги), зберігається протягом більш ніж 6-ти декад зміни оптичної потужності для більшості p-i-n ФД (якщо потужність не обмежується навантаженням великого номіналу).

6.2.7 Швидкодія р-i-n ФД.Швидкодія р-i-n ФДобмежена часом прольоту вільних НЗ через збіднений носіями шар. У р-i-n ФД довжина збідненої області практично дорівнює ширині шару власної провідності (і-шару). Швидкість вільних НЗ пропорційна величині напруги зворотнього зміщення, тому більш висока напруга зменшує час прольоту. Наприклад, при ширині збідненої області 50мкм і типовій швидкості руху носіїв м/с час прольоту становить нс. Це значення приблизно можна вважати часом наростання ФД. Ємність ФД також обмежує швидкість відгуку. Це можна пояснити за допомогою еквівалентної схеми ФД (рис.6.10).

Рисунок 6.10 – Еквівалентна схема p-i-n ФД

У цій схемі ємність конденсатора С_д дорівнює в основному ємності переходу, утвореного НП р- і n -шарами (що є обкладинками), розділеними ізольовальною і-областю з власною провідністю. У цю ємність також входить ємність корпусу, в якому змонтований ФД. Аналіз схеми показує, що час наростання кола за рівнями 0...63 % (так звана стала часу) і час наростання за рівнями 10...90% пов'язані співвідношенням: (6.3)

ФД, що розроблені для швидкодіючих систем передачі, мають ємності близько 1пФ або менше. Щоб забезпечити низьку ємність С_д, площа світлочутливої поверхні ФД має бути малою. Проте, для ефективної передачі світла, діаметр цієї площадки не може бути меншим, ніж діаметр серцевини оптичного волокна (ОВ), що приєднується до ФД. Залежно від обставин, швидкодія ФД обмежується або часом прольоту, або часом наростання схеми. Зазвичай наростання обмежується меншим за нього часом прольоту. Він звичайно лежить в інтервалі 0,1...10 нс для швидкодіючих p-i-n ФД. Пізніше були виготовлені ФД з часом наростання меншим 100 пс.

6.2.8 Лавинний ФД (ЛФД).Головною відмінністю лавинного ФД від p-i-n ФД є внутрішнє підсилення сигналу, що базується на лавинному електронному помноженні. На відміну від структури p-i-n ФД у ЛФД додається р-шар, як показано на рис.6.11.Підсилення збільшує значення струмового відгуку порівняно з р-п або p-i-n приладами. Наявність підсилення у ЛФД робить його схожим на вакуумний фотоелектронний підсилювач (ФЕП), проте коефіцієнт лавинного підсилення є набагато меншим, ніж у ФЕП. Він обмежений значеннями в кілька сотень разів, або і менше. Проте, наявність внутрішнього підсилення робить ЛФД значно чутливішим приймачем, ніж p-i-n ФД. Внутрішнє підсилення забезпечує набагато більше відношення сигнал/шум на виході приймального пристрою, ніж зовнішнє підсилення.

Рисунок 6.11 – Переріз НП структури і принцип дії ЛФД з проникненням поля

Лавинне множення відбувається в такий спосіб. Поглинений в збідненій області фотон створює вільну електронно-діркову пару (ЕДП). Профіль розподілу легуючих домішок вибирається так, щоб найбільший опір, а отже і найбільшу напруженость електричного поля (рис.6.12) мав p – шар. При впливі світла на i-шар утворюються електронно-діркові пари. Завдяки невеликому за напруженістю електричному полю відбувається спрямований рух носіїв до відповідних полюсів. Після попадання вільних електронів з і-шару в p – шар їхнє прискорення стає більше відчутним через високе електричне поле в p - шарі. Прискорюючись у зоні провідності p – шару, такі електрони накопичують енергію, якої вже достатньо для вибивання інших електронів з ВЗ у ЗП. Коли заряди, що швидко рухаються, зіштовхуються з нейтральними атомами, вони створюють додаткові електронно-діркові пари (ЕДП), тобто частина їх кінетичної енергії використовується, щоб передати зв'язаним (з атомами) електронам енергію, якої достатньо для подолання забороненої зони. Один прискорений заряд може створити декілька вторинних. Вторинні заряди також можуть прискорюватися і створювати ще більшу кількість ЕДП- явище називається лавинним множенням НЗ.

Електричне поле, що прискорює носії, має бути сильним, щоб надати зарядам значну кінетичну енергію. Це забезпечується за допомогою великої напруги зворотнього зміщення (кілька сотень Вольт для деяких приладів).

Рисунок 6.12 – Структура включення і розподіл потенціалу електричного поля ЛФД

Коефіцієнт множення (підсилення) збільшується зі зростанням напруги зміщення на ЛФД відповідно до апроксимуючого виразу Міллера:

(6.4)

де та – число вторинних та первинних носіїв заряду, відповідно, – зворотня пробійна напруга діода; n - експериментальний параметр, значення якого більше одиниці. Значення = 20...500 В для різних матеріалів.

ЛФД звичайно є модифікаціями р-i-n ФД. Матеріали, які використовуються при виготовленні таких ФД, а також області їх спектральної чутливості є однаковими. Як і у ФД без множення, швидкість відгуку ЛФД обмежена часом прольоту НЗ і RC сталою часу. Час прольоту в ЛФД, що відповідає часу наростання, становить кілька десятих часток нc. Час наростання менший, ніж 100 пс досягнуто для кремнієвих і для германієвих ЛФД. Вони мають високу швидкодію, однак випадкова природа лавинного струму призводить до виникнення шуму. На відміну від корисного сигналу, що підсилюється пропорційно до М, шум підсилюється більше (приблизно як 2,1 М). У результаті цього вибирається оптимальне значення коефіцієнта множення в межах від 30 до 100. Особливістю роботи ЛФД є більш висока напруга (кілька сотень Вольт) у порівнянні з p-i-n ФД.

ЛФД мають добру лінійність відносно оптичної потужності в iнтервалі від часток нВт до кількох мкВт. Якщо потужність, що надходить на приймальний пристрій, може перевищувати 1 мкВт, то ЛФД звичайно не використовують. При такій потужності р-i-n ФД забезпечують потрібний відгук і достатньо велике відношення сигнал/шум у більшості випадків. Коефіцієнт підсилення ЛФД залежить від температури. Він зменшується при її підвищенні тому, що середня довжина вільного пробігу носіїв між зіткненнями знижується зі зростанням температури, в результаті багато носіїв заряду втрачають можливість досягнути високих швидкостей, які потрібні для створення вторинних НЗ. У ПП з ЛФД, що працює в широкому інтервалі температур, може знадобитися стабілізація температури або компенсація зміни коефіцієнта лавинного підсилення за рахунок автоматичного регулювання напруги зворотного зміщення.