Главная  Оптические магистрали 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [ 106 ] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]


Рис. 12.14. Влияние времени переноса носителей иа частотную характеристику p-i-n-фотодиода.

График представляет теоретическую характеристику, соответствующую случаю, когда все носители рождаются у одного края обедненного слоя, а задержка равна /др

как показано на рис. 12.14. Очевидно, что она является фурье-пребб-разованием от импульсной характеристики. В предыдущем примере, где <др 0,5 НС, модулированный ток падает в У2 раз (-3 дБ) на частоте

/л<«0,44Ддр = 880МГц.

(12.5.14)

Когда носители рождаются в обедненном слое, действуют два конкурирующих эффекта. Дрейф дырок при их малой скорости насыщения стремится сузить полосу, но меньший путь носителей соответствует меньшему (др, что ведет к расширению полосы. Если известны распределение носителей и их дрейфовые скорости, можно сделать подробный расчет.

12.6. ШУМ р-1-7г-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 флуктуации. 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 7 всегда испытывает флуктуации, известные как «тепловой шум». Средняя квадратическая величина /тепл пропорциональна / и полосе фотодиода А/. Таким образом.

= (2 e/A/)/

(12.6.1)

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



зуют /q. Имеются носители, рожденные в обедненном слое (/02 в формуле (7.3.5)), носители, которые диффундируют в обедненный слой из Р+-И п+-областей (/о, - 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 /ц, было получено в гл. 7 (формула (7.5.10, а)). В этом выражении Пл и Тр теперь относятся к /?+-области, а Ло и т„ к л+-области. Тот факт, что обе эти области сильно легированы, способствует снижению диффузионного тока. Рождение носителей внутри обедненного слоя, который на рис. 12.6 обозначен v-об-ластью, приводит к увеличению тока, If, щеАхюХх,, где А - площадь, - толщина, Tv - время жизни неосновных носителей в v-области, а концентрация собственных носителей (см. формулу (7.2.1)). Для повышения Tv 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 (МЕР), чувствительность к обнаружению (D) и удельная чувствительность к обнаружению (D*). Покажем, как эти параметры связаны с длиной волны детектируемого излучения, квантовым выходом и темповым током детектора. Будем предполагать, что шумы детектора определяются тепловым шумом, связанным с темповым током и током сигнала. Эквивалентная шумовая мощность определяется как оптическая мощность (на конкретной длине волны или иа участке спектра), необходимая для получения тока, равного среднеквадратическому значению шумового тока в единичной полосе частот (А/ " 1 Гц). Чтобы оценить МЕР на конкретной длине волны, перепишем формулу (12.1.2) в виде

Ф - (/ф/п) (hcfeX); (12.6.2)

положив /ф = /фон в (12.6.1), получим

Ф " фон "~ 12е(/ф-/,е„„)АЛ"- (12.6.3)

При /емн « ф

/ф»2М/. (12.6.4)

Подставляя это в (12.6.2) при А/ 1 Гц, получим

Ф = МЕР « 2 Нс/цХ. (12.6.5)



При Tl = 1 это выражение представляет МЕР идеального квантового детектора. Прн > /ф

/ф « (2е/,,„нА/)/. (12.6.6)

Ф - МЕР hc{2eI„X/r\eX. (12.6.7) Чувствительность к обнаружению

D - \/МЕР. (12.6.8) Прн детектировании монохроматического излучения

Наконец, удельная чувствительность к обнаружению D* учитывает тот факт, что в таких фотодиодах /т.р„„ пропорционален площади детектора. Это происходит, когда фоновое излучение н термическое рождение носителей преобладают в /теми поверхностной проводимостью. Тогда

D* - DA/ = • (12.6.10)

где А - площадь дектекора.

В оптических системах связи широкополосные детекторы часто работают на низкоомную нагрузку, а минимальный сигнальный ток должен значительно превышать /уемн- 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 н 15.

ЗАДАЧИ

12.1. а) Кремниевый p-i-n-фотодиод имеет квантовую эффективность 0,7 на длине волны 0,85 мкм. Рассчитать его чувствительность.

б) Рассчитать чувствительность германиевого /7+-п-диода на длине волны 1,6 мкм, где его квантовая эффективность равна 0,4.

в) фотодетектор имеет чувствительность 0,6 А/Вт на длине воли*1 1,3 мкм. , Рассчитать его квантовую эффективность.

12.2. В кремниевом />-(-п-фотодиоде /7+-контактный слой имеет толщину 1 мкм. Пользуясь рис. 12.4 и предполагая, что результирующий ток определяется поглощением излучения в слаболегированной v-области;

а) оценить максимальную квантовую эффективность,которую можно ожидать на длине волны 0,9 мкм;

б) оценить минимальную толщину v-слоя, необходимую для получения квантовой эффективности, равной 0,8, на этой длине волны. Потери на отражение можно не учитывать.

12.3. Кремниевый /7+-у-п-(--фотодиод имеет площадь 0,1 мм. Его v-слой имеет концентрацию примесей 10» м-* и толщину 30 мкм.

а) Рассчитать максимальную квантовую эЛфективность и чувствительность на длине волиы 0,82 мкм, считая, что а = 7х 10* м-*, и пренебрегая потерями на отражение и поглощение в контактном слое.



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [ 106 ] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

0.0036