Тема 11. Приемные оптические модули Обобщенная структурная схема оптического приемника, реализуемого в виде единого приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ)

Лекция 16

Приемные оптические модули Обобщенная структурная схема оптического приемника, реализуемого в виде единого приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ), представлена на рис. 16.1, где приняты следующие обозначения:

ОК — оптический кабель; ОС — оптический соединитель; ФД — фотодиод или фотодетектор; ПМШУ — предварительный малошумящий усилитель; МУ с АРУ — мощный усилитель с автоматической регулировкой усиления; ФК — фильтр-корректор.

Рис. 16.1. Обобщенная структурная схема оптического приемника

Оптический сигнал с выхода оптического кабеля (ОК) через оптический соединитель (ОС) поступает на фотодетектор (ФД), где происходит его преобразование в электрический сигнал. На выходе ФД электрический сигнал весьма мал и сопровождается различного вида шумами. Для его усиления без существенной потери в шумозащищенности используется предварительный малошумящий усилитель (ПМШУ). Усиленный электрический сигнал далее усиливается мощным усилителем с автоматической регулировкой усиления (МУ с АРУ) и затем с помощью фильтра-корректора (ФК) осуществляется отфильтровывание помех и коррекция формы электрического сигнала, который и подается на оборудование сопряжения тракта приема ВОСП.

Базовым элементом оптического приемника ВОСП является фотодетектор — оптоэлектронный прибор, преобразующий оптический сигнал в электрический сигнал соответствующей формы.

Фотодетектор реализуется на основе полупроводниковых фотодиодов (ФД) с р-n обратносмещенными переходами, работающих на принципах внутреннего фотоэффекта.

В технике ВОСП широкое применение находят два типа фотодиодов: р-i-n и лавинный ФД.

Сущность внутреннего фотоэффекта в полупроводниковом материале заключается в поглощении фототока, энергия которого hf = hс/l более ширины запрещенной зоны материала Е_g полупроводникового материала, а длина волны оптического излучения не превышает критического значения l_кр=1,24/E_g, и сопровождается переходом электрона из валентной зоны в зону проводимости, а дырок — из зоны проводимости в валентную зону (генерация пар «электрон-дырка»). Фотоны с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны, или длиной волны больше критической, не поглощаются и, следовательно, не происходит генерации пары «электрон-дырка».

Эффективное поглощение падающего излучения, как правило, связано с эффектом примесного поглощения.

Примесное поглощение имеет место в примесных полупроводниковых материалах, электрические свойства которых получаются путем добавки небольшого количества примесей в структуру собственных полупроводников, например, германия — Ge, кремния — Si, а также соединений элементов третьей и пятой групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева (ПСЭМ): алюминия — Al, галлия — Ga, индия — In из третьей группы и фосфора — P, мышьяка — As и сурьмы — Sb из пятой группы, например, арсенид галлия — GaAs и фосфид индия — InP. Возможно образование тройных и четверных соединений типа арсенида галлия с добавкой алюминия— GaAIAs или галлий –индий - арсенид фосфора — GalnAsP.

Примеси могут создать избыток электронов (полупроводник n+-типа) или дырок (полупроводник р+ - типа). Процесс добавки примесей называется легированием. В легированном полупроводниковом материале имеются основные носители (свободные электроны в материале n+ - типа и дырки в материале р+ - типа). Такие материалы известны как примесные полупроводники. В этих материалах концентрация примесей настолько велика, что она (не температура) является основным фактором, определяющим число свободных носителей и, следовательно, электрическую проводимость и быстродействие прибора.

Собственные полупроводники четвертой группы ПСЭМ кремний и гepманий могут быть полупроводниками n-типа после введения небольших концентраций донорных примесей элементов пятой группы ПСЭМ — мышьяка или фосфора. Они же могут стать полупроводниками р-типа в результате введения акцепторных примесей из группы элементов третьей группы ПСЭМ — галлия или индия.

Во многих полупроводниковых материалах одновременно присутствуют как донорные, так и акцепторные примеси и такие материалы становятся полупроводниками соответствующего вида проводимости.

Р-i-n- фотодиоды. Структурная схема обратносмещенного р-i-n-ФД представлена на рис. 22.2. Сконструированный таким образом полупроводниковый прибор, получил название р-i-n- фотодиода, происходящего из сокращенных названий составляющих его слоев: р — positive (положительный), i — intrinsic (внутренний), n — negative (отрицательный). Обедненный i слой такого ФД сделан максимально широким из полупроводникового материала, легированного в такой степени, чтобы не относиться ни к полупроводникам n-типа с электронным видом проводимости, ни к полупроводникам р-типа с дырочкой проводимостью.

Как следует из рис. 16.2 структура такого диода состоит из сильно легированного n+-слоя (подложки), слаболегированного I-слоя и тонкого сильнолегированного р-и-слоя. Толщина i-слоя должна быть во много раз больше, чем длина поглощения оптического излучения соответствующих длин волн. Так, если толщина тонкого р+ -слоя не превышает 0,3 мкм, то ширина i слоя составляет несколько десятков мкм.

Так как сильное легирование р- и n-слоев увеличивает их проводимость, то обратное смещение напряжением E_см, приложенное к этим слоям, создает в I-слое сильное внутренне электрическое поле напряженностью Е_в. При этом образуется обедненная зона, толщина которой сравнима с размером диода.

Рис. 16.2. Структурная схема p-i-n-фотодиода

Широкий i- cлой приводит к увеличению интенсивности поглощения фотонов в обедненном слое. В результате чего падающие фотоны возбуждают ток во внешней цепи более эффективно и с меньшим запаздыванием. Носители, возникающие внутри обедненной зоны, мгновенно сдвигаются в сильном электрическом поле к р+ и n+ областям диода.

В результате поглощения кванта света с энергией hf в нагрузке диода R_н протекает импульс тока. Если каждый поглощенный квант рождает электронно-дырочную пару, то число носителей тока N, равное отношению мощности оптического излучения W к энергии кванта, умноженное на величину носителя q, определит средний ток I_ф, протекающий через нагрузку R_н:

.

Как правило, не все поглощенные кванты света приводят к появлению импульсов тока. Этот факт необходимо учитывать коэффициентом, характеризующим эффективность преобразования фотонов в электрический сигнал. Этот коэффициент h_ф называется квантовой эффективностью (выходом) фотодетектора. Следовательно, средний фототок, протекающий через нагрузку фотодетектора, будет равен:

.

Коэффициент полезного действия фотодетектора, определяемый как отношение среднего значения фототока I_ф к среднему значению оптической мощности (А/Вт), называется токовой чувствительностью:

.

Отсюда следует, что чувствительность оптического приемника тем выше, чем больше квантовый выход h_ф, т.е. чем больше доля светового потока, поглощаемая в активной зоне фотодиода.

Токовая чувствительность зависит от длины волны падающего излучения. Характер этой зависимости определяется спектральной характеристикой квантового выхода, которая обычно имеет вид плавной кривой с более или менее выраженным максимумом и определяется материалом полупроводника (рис.16.3).

Рис. 16.3. Спектральная характеристика квантового выхода – квантовой эффективности

Квантовый выход фотодиода однозначно связан с токовой чувствительностью следующей зависимостью: h= 1,24S /l, где l — длина волны, мкм.

Конструктивно р-i-n — ФД выполняется так, чтобы максимально уменьшить долю поглощения излучения вне i-слоя. С этой целью переход формируется у самой поверхности кристалла. Следовательно, постоянная времени такого ФД определяется временем перехода носителей заряда через обедненный слой в сильном электрическом поле.

При отсутствии внешнего оптического излучения и наличии обратного смещающего напряжения в р-i-n — фотодиодах обедненный слой поляризуется и через нагрузку протекает постоянный ток Im малой величины, который называется темновым током. Значение этого тока определяется свойствами полупроводникового материала, толщиной р-i-n- структуры и температурой окружающей среды.

В настоящее время р-i-n-фотодиоды являются довольно распространенным типом фотодетектора. Это объясняется простотой их изготовления, достаточно высокой временной и температурной стабильностью и относительно широкой полосой рабочих частот, они обладают хорошей линейностью в широком динамическом диапазоне (от нескольких пиковатт до нескольких милливатт), обеспечивают детектирование оптических сигналов, модулируемых частотами гигагерцевого диапазона.

Для изготовления таких ФД обычно используют кремний (Si), германий (Ge), арсенид галлия (GaAs), соединения вида InAs, InGaAs, AIGaSb и InGaAsP. Кремниевые ФД считаются идеальными для применения в ВОСП, работающих на длине волны от 0,6 до 1 мкм с максимальной чувствительностью около 0,9 мкм и квантовой эффективностью до 0,9. Для длин волн 1 мкм и выше (вплоть до 1,8 мкм) часто используют ФД на основе Ge. При использовании соединения вида AixGa1-xAsSb получены ФД для работы на длинах волн от 0,9 до 1,3 мкм с квантовой эффективностью не хуже 0,8.

В фотодиодах р-i-n — типа каждый поглощенный фотон в идеале приводит к образованию одной пары «электрон-дырка», которая приводит к генерации тока во внешней цепи. Квантовую эффективность ФД можно повысить путем использования лавинного усиления (умножения), реализуемого в структуре, называемой лавинным фотодиодом (ЛФД), где один фотон порождает М электронов.

Лавинные фотодиоды (ЛФД). В основе работы ЛФД лежит процесс ударной ионизации в сильном электрическом поле, т.е. образования положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных молекул и атомов полу- проводника. При этом электроны в зоне проводимости могут приобрести кинетическую энергию, большую, чем ширина запрещенной зоны, и «выбивать» электроны из валентной зоны. В валентной зоне образуются дырки, в зоне проводимости вместо каждого «быстрого» электрона появляются два «медленных», которые, ускоряясь в сильном электрическом поле, становятся «быстрыми» и вызывают повторную ударную ионизацию. Вероятность ударной ионизации возрастает с напряженностью электрического поля (или ростом обратного смещающего напряжения) Отметим, что при некоторой напряженности поля ударная ионизация приводит к резкому увеличению плотности тока, т.е. к электрическому пробою полупроводника. Следовательно, для создания условий ударной ионизации в структуре фотодиода необходимо создать сильное электрическое поле. Такое поле создается добавлением в структуру р-i- фотодиода дополнительного n-р — перехода, усиленное обратным смещением, рис. 16.4.

Рис. 16.4. Структура ЛФД и распределение его электрического поля

При воздействии оптического излучения мощностью W на i-слой образуются пары «электрон-дырка», называемые первоначальными носителями. Благодаря относительно небольшому полю i- cлоя, происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам батареи смещения.

При попадании свободных электронов из i- cлоя в р- слой их ускорение становится более ощутимым из-за высокой напряженности электрического поля n+-р — перехода. Ускоряясь в зоне проводимости р- слоя, такие «быстрые» электроны накапливают кинетическую энергию достаточную, чтобы «выбить» (возбудить) два «медленных» электрона из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляются свободные носители, называемые вторичными. В зоне проводимости р- cлоя происходит их повторное ускорение до получения кинетической энергии, соответствующей «быстрому» электрону, который снова порождает ударной ионизацией пару «медленных» электронов из валентной зоны. Этот процесс называется лавинным усилением или лавинным умножением.

Условия лавинного умножения достигаются увеличением напряжения обратного смещения до значения, чуть меньше напряжения пробоя полупроводника, так чтобы на n+-р — переходе установилось очень сильное поле (с напряженностью не менее 10 В/см). Электроны и дырки, двигаясь в таком поле, приобретают значительную кинетическую энергию, необходимую для образования вторичных носителей путем ударной ионизации. Энергия получаемых при этом электронов, обеспечивает их перенос из валентной зоны в зону проводимости.

Процесс лавинного умножения (усиления) ЛФД оценивается коэффициентом умножения М, который приближенно может быть представлен эмпирической формулой:

,

где U_см — напряжение обратного смещения; U_пр — напряжения пробоя; величина n = 2...6 и определяется материалом проводника и конструкцией фотодиода.

Величина фототока через нагрузку R_н для ЛФД определяется по формуле:

.

Лавинный эффект приводит к увеличению темнового тока ЛФД в М раз по сравнению с темновым током р-i-n — фотодиода. Коэффициент умножения принимает различные значения в зависимости от напряжения смещения. При U_см = U_пр происходит резкое увеличение коэффициента М, которое может принимать высокие значения. При низком напряжении U_см ЛФД работает как р-i-n-фотодиод без усиления (умножения). Существует пороговое напряжение U_Д, для получения лавинного процесса ударной ионизации. Выше этого порога ЛФД будет генерировать ток без наличия возбуждающего оптического излучения. Отметим, что коэффициент умножения сильно зависит от температуры, что является серьезным недостатком ЛФД. Поэтому в схемах смещения ФЛД необходимо предусмотреть меры, которые устраняли бы влияние изменений напряжения и температуры. Типовой компромисс между величиной умножения и стабильностью работы ЛФД достигается при напряжении смещения, равном 0,95 U_пр.

Лавинный фотодиод с коэффициентом М=100 может породить как 95, так и 105 вторичных носителей. Такого рода вариации являются причиной возникновения шумов, ограничивающих предел чувствительности ЛФД. Отметим, что темновой ток ЛФД растет при увеличении приложенного смещающего напряжения и, следовательно, зависит от коэффициента умножения М.

Квантовая эффективность ФД зависит от коэффициента отражения R на границе «полупроводник-воздух». Для уменьшения френелевского отражения обычно покрывают поверхность прозрачной диэлектрической пленкой толщиной в четверть длины волны принимаемого оптического излучения и показателем преломления, в идеальном случае равным , где n₁ и n₂ — показатели преломления полупроводникового материала и воздуха.

На практике более удобна тонкая кварцевая пленка, заметно увеличивающая пропускание оптического излучения; иногда используют нитрид кремния Si3N4. Такая пленка играет роль линзы, повышающей квантовую эффективность на 20%

Выводы.

1. Приемники оптического излучения выполняются в виде единого приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ). Основным элементом ПРОМ являются фотодиоды: p-i-n и лавинные ФД.

2. Фотодетектор реализуется на основе полупроводниковых фотодиодов (ФД) с р-n обратносмещенными переходами, работающих на принципах внутреннего фотоэффекта.

3. В основе работы ЛФД лежит процесс ударной ионизации в сильном электрическом поле, т.е. образования положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных молекул и атомов полу - проводника.

Контрольные вопросы.

1 Нарисуйте схему оптического приемного модуля и поясните принцип ее работы.

2 Нарисуйте схему p-i-n фотодиода и поясните принцип работы.

3 Нарисуйте схему лавинного фотодиода и поясните принцип работы.

4 Поясните что такое внутренний фотоэффект.

5 Какие переходы называются обратносмещенными?

Дата добавления: 2014-01-07