Фотодетекторы
На выходе оптической линии передачи должно быть приёмное устройство, которое обрабатывает информацию, содержавшуюся в оптическом сигнале. Первый элемент этого приемника - фотодатчик. Фотодатчик принимает мощность излучения, падающую на него и преобразовывает изменение этой оптической мощности в соответственно изменяющийся электрический ток; Так как оптический сигнал заметно ослабляется и искажается, когда появляется на конце волокна, фотодатчик должен выполнить очень высокие требования работы. Среди основных из этих требований - высокий отклик или чувствительность в диапазоне длины волны эмиссии оптического используемого источника, минимальное дополнение шума к системе, и быстрой скорости отклика или достаточной полосе пропускания, чтобы обращаться с желательным разрядом данных. Фотодатчик должен также быть нечувствителен к изменениям температуры, быть совместим с физическими параметрами оптического волокна, иметь разумную стоимость относительно других компонентов системы, и иметь долгий срок службы.
ко различных типов фотодатчиков уже существуют. Среди них - фотомножители, пироэлектрических датчика и фототранзистор на основе полупроводника, фототранзисторы, и фотодиоды. Однако, многие из этих датчиков не удовлетворяют всем перечисленным требованиям. Фотомножители, состоящие из фотокатода и электронного умножителя, упакованного в вакуумной трубе способны к очень высокому усилению и очень низкому шуму. К сожалению, их высокие напряжения, требуют большого размера и делают их неподходящими для оптических систем волокна. Пироэлектрические фотодатчики поглощают фотоны, и нагреваются. Поглощение фотона кончается температурным изменением материала датчика. Это приводит к изменению в диэлектрике постоянной, которая обычно измеряется как изменение емкости. Отклик этого датчика является весьма плоским по ширине спектральной полосы, но его скорость ограничена датчиком, охлаждающим разряд после того, как он был возбужден. Его основное использование - для того, чтобы обнаружить быстродействующий лазерный импульс, и это не удовлетворяет для оптические системы волокна.
Из фотодатчиков на основе полупроводников, фотодиод используется почти только для волокна оптических систем из-за его, подходящей материальной, высокой чувствительности небольшого размера, и быстрого времени отклика. Два типа используемых фотодиодов – pin-фотодиоды и лавиные фотодиоды (APD). Детальные обзоры этих фотодиодов были представлены в литературе, мы исследуем фундаментальные характеристики этих двух типов устройства в следующих гавах. В описании этих компонентов мы используем элементарные принципы физики устройства полупроводника, данной в главе. 4.1.
6.1 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ФОТОДИОДОВ
6.1.1 Pin отодатчик
Самый общий{обычный} фотодатчик полупроводника - фотодиод булавки, показанный схематично в рис. 6-1. Структура устройства состоит из p и n областей{регионов}, отделенных очень слегка n-doped свойственный (<) область{регион}. В нормальном действии достаточно большое напряжение обратного уклона{предубеждения} применено поперек устройства так, чтобы свойственная область{регион} была полностью исчерпана из курьеров{транспортов}. То есть свойственный n и p концентрации курьера{транспорта} negligibly маленькие по сравнению с концентрацией примеси{загрязнения} в этой области{регионе}.
ФИГУРА{ЧИСЛО} 6-1
Схематическое представление кругооборота фотодиода булавки с прикладным обратным уклоном{предубеждением}.
•
Когда фотон инцидента имеет энергию больше чем или равный энергии запрещенной зоны материала полупроводника, фотон может бросить его энергию и возбудить электрон от полосы{оркестра} валентности к полосе{оркестру} проводимости. Этот процесс производит свободные пары электронного отверстия, которые известны как photocarri-ers, так как они произведены фотоном курьеры{транспорты} обвинения{нагрузки}, как показывается в рис. 6-2. Фотодатчик обычно разрабатывается так, чтобы эти курьеры{транспорты} были произведены главным образом в области{регионе} истощения (исчерпанная свойственная область{регион}) где большинство
236 ФОТОДАТЧИКОВ
 |
6-2
Простая диаграмма полосы{оркестра} энергии для фотодиода булавки. Фотоны с энергией больше чем или равный энергии запрещенной зоны Eg могут произвести свободные пары электронного отверстия, которые действуют как фототекущие курьеры{транспорты}.
 |
свет инцидента поглощен. Высокий электрический полевой подарок{настоящее} в области{регионе} истощения заставляет курьеров{транспорты} отделяться и собранный поперек смещенного переменой соединения{перехода}. Это вызывает к текущему потоку во внешнем кругообороте, с одним электроном, текущим для каждой пары курьера{транспорта} произвел. Этот текущий поток известен как фотопоток.
Как поток курьеров{транспортов} обвинения{нагрузки} через материал, некоторые пары электронного отверстия повторно объединятся и следовательно исчезнут. В среднем, курьеры{транспорты} обвинения{нагрузки} перемещают расстояние Ln или Lp для электронов и отверстий, соответственно. Это расстояние известно как длина распространения. Время, которое требуется для электрона или отверстия, чтобы повторно объединиться, известно как целая жизнь курьера{транспорта} и представлено rn и армированным пластиком, соответственно. Сроки службы{жизни} и длины распространения связаны по выражениям
где Dn и Разность потенциалов - электрон и коэффициенты распространения отверстия (или константы), соответственно, которые выражены в единицах сантиметров squared в секунду.
Оптическая радиация поглощена материалом полупроводника согласно показательному закону
P (x) =/> „ (!-e-a * » *) (6-1)
Здесь a/A) - коэффициент поглощения в длине волны A, f0 - инцидент, оптический уровень власти{мощи}, и P (x) являются оптической властью{мощью}, поглощенной расстоянием x.
Зависимость оптического коэффициента поглощения на длине волны показывают в рис. 6-3 для нескольких фотодиодов materials.13, поскольку кривые ясно показывают, как зависит настоятельно от длины волны.
Таким образом специфический материал полупроводника может только использоваться по ограниченному диапазону длины волны. Верхнее сокращение длины волны Ac определено энергией запрещенной зоны Eg материала. Если Eg выражен в единицах электронных вт (eV), то Ac дается в единицах микрометров (^m)
1 1A (6 " 2)
 |
Рисунок6-3
Оптический коэффициент поглощения как функция длины волны для кремния, германия, и арсенида галлия. (Воспроизведенный с разрешением от Мельника, Маркатили, и Литий, 13 © 1973, IEEE)
Длина волны сокращения - приблизительно 1.06/j.m для Сицзяна и 1.6/im для Германия. Для более длинных длин волны энергия фотона не достаточна, чтобы возбудить электрон от валентности до полосы{оркестра} проводимости.
Пример 6-1. Фотодиод построен из GaAs, который имеет энергию запрещенной зоны 1.43 eV в 300 K. От Eq. (6-2) сокращение длинной длины волны
он (6.625 xHT34J-s) (3xl08m/s)
A = - = -------------------- ; ----------- РТС -- x - = 869 нитрометанов
* Eg (1.43eV) (l.6xlO-"J/eV)
Этот GaAs фотодиод не будет работать для фотонов длины волны больше чем 869 нитрометанов.
В конце более низкой длины волны, фотоответ отключает{отрезает} в результате очень больших ценностей как в более коротких длинах волны. В этом случае фотоны поглощены очень близко к поверхности фотодатчика, где время перекомбинации произведенных пар электронного отверстия очень коротко. Произведенные курьеры{транспорты} таким образом повторно объединяются прежде, чем они могут быть собраны схемой фотодатчика.
Если область{регион} истощения имеет ширину w, то, от Eq. (6-1), полная власть{мощь}
поглощен расстоянием w
.
P (w) =P0 (l-e-a> w) (6-3)
Если мы принимаем во внимание reflectivity Rf во входном лице фотодиода, то первичный фотопоток Ip следующий из поглощения власти{мощи} Eq.
238 ФОТОДАТЧИКОВ
(6-3) дается
где P () - оптический инцидент власти{мощи} на фотодатчике, q - электронное обвинение{нагрузка}, и hv - энергия фотона.
Две важных характеристики фотодатчика - его квантовая эффективность и его скорость ответа. Эти параметры зависят от материального промежутка полосы{оркестра}, операционной длины волны, и doping и толщины p, меня, и n областей{регионов} устройства. Квантовая эффективность 77 - число{номер} пар курьера{транспорта} электронного отверстия, произведенных в фотон инцидента энергии hv и дается
число{номер} пар электронного отверстия произвело Ip/q
число{номер} фотонов инцидента Pn/hv
o/
Здесь Ip - средний фотопоток, произведенный установившейся средней оптической властью{мощью} P0 инцидент на фотодатчике.
Пример 6-2. В 100 - не уточнено пульс, 6 x 106 фотонов в длине волны 1300 нитрометанов падают на InGaAs фотодатчик. В среднем 3.9 X 106 электронных отверстий (e-h) пары произведены. Квантовая эффективность найдена от Eq. (6-5) как •
число{номер} e-h пар произвело 3.9 x 106
число{номер} фотонов инцидента 6 x 10
Таким образом квантовая эффективность в 1300 нитрометанах - 65 процентов.
'
В практическом фотодиоде, 100 фотонов создадут между 30 и 95 парами электронного отверстия, таким образом давая эффективность кванта датчика в пределах от 30 - 95 процентов. Чтобы достигать высокой квантовой эффективности, слой истощения должен быть достаточно толст, чтобы разрешить большой фракции{доле} света инцидента быть поглощенным. Однако, чем более толстый слой истощения, тем дольше требуется для фотопроизведенных курьеров{транспортов}, чтобы дрейфовать поперек смещенного переменой соединения{перехода}. Так как время дрейфа курьера{транспорта} определяет скорость ответа фотодиода, компромисс должен быть сделан между скоростью ответа и квантовой эффективностью. Мы обсудим это далее в Секунде. 6.3.
Работа{Выполнение} фотодиода часто характеризуется responsiuity Сицзяном. Это связано с квантовой эффективностью
Этот параметр весьма полезен, так как это определяет фотопоток, произведенный в единицу оптическая власть{мощь}. Типичный фотодиод булавки responsivities как функция длины волны показывают в рис. 6-4. Представительные ценности - 0.65/uA / ^ W для кремния в с 900 нитрометанами, 0.45/iA // iW для германия в 1.3 джу, м., и 0.6 ju.a // ай для InGaAs в 1.3 ^im.
Рисунок 6-4
Сравнение responsivity и квантовой эффективности как функция длины волны для фотодиодов булавки, построенных из различных материалов.
Пример 6-3. Фотоны энергии, 1.53 x 10 " 19 J являются инцидентом на фотодиоде, который имеет responsivity 0.65 A/W. Если оптический уровень власти{мощи} - 10/*W, то от Eq. (6-6) произведенный фотопоток
Ip = 3? Папа = (0.65 A/W) (10 МВТ) = 6.5/xA
В большинстве фотодиодов квантовая эффективность независима от уровня власти{мощи}, падающего на датчик в данной энергии фотона. Таким образом responsivity - линейная функция оптической власти{мощи}. То есть фотопоток Ip непосредственно пропорционален оптической власти{мощи} P0 инцидент на фотодатчик, так, чтобы responsivity Сицзян был постоянен в данной длине волны (данная ценность hv). Обратите внимание, однако, что квантовая эффективность - не постоянна во всех длинах волны, так как это изменяется согласно энергии фотона. Следовательно, responsivity - функция длины волны и материала фотодиода (так как различные материалы имеют различные энергии запрещенной зоны). Для данного материала, поскольку длина волны фотона инцидента становится более длинной, энергия фотона становится меньше чем требуемое возбудить электрон от полосы{оркестра} валентности к полосе{оркестру} проводимости. responsivity таким образом уменьшается быстро вне длины волны сокращения, как может быть замечен в рис. 6-4.
Пример 6-4. Как показано в рис. 6-4, для диапазона длины волны 1100 нитрометанов <<1600 нитрометанов квантовая эффективность для InGaAs - приблизительно 60 процентов. Таким образом в этой длине волны
расположитесь responsivity
пример, в 1300 нитрометанах мы имеем
В длинах волны выше чем 1600 нитрометанов, энергия фотона не достаточна, чтобы возбудить электрон от полосы{оркестра} валентности к полосе{оркестру} проводимости. Например, Inn53Ga047As имеет энергетический кризис Eg = 0.73 eV, так, чтобы от Eq. (6-2) длина волны сокращения
1.24 1.24
В длинах волны меньше чем 1100 нитрометанов, фотоны поглощены очень близко к поверхности фотодатчика, где норма{разряд} перекомбинации произведенных пар электронного отверстия очень коротка. responsivity таким образом уменьшается быстро для меньших длин волны, так как многие из произведенных курьеров{транспортов} не вносят вклад в фотопоток.
6.1.2 Фотодиоды Лавины
Фотодиоды лавины (APDs) внутренне умножают первичный фотопоток сигнала прежде, чем это входит во входную схему следующего усилителя. Это увеличивает чувствительность приемника, так как фотопоток умножен перед столкновением с тепловым шумом, связанным с кругооборотом приемника. Для умножения курьера{транспорта}, чтобы иметь место, фотопроизведенные курьеры{транспорты} должны пересечь область{регион}, где очень высокая электрическая область{поле} присутствует. В этой высоко-полевой области{регионе} фотопроизведенный электрон или отверстие могут получить достаточно энергии так, чтобы это ионизировало связанные электроны в полосе{оркестре} валентности после сталкивания с ними. Этот механизм умножения курьера{транспорта} известен как ионизация воздействия. Недавно созданные курьеры{транспорты} также ускорены высокой электрической областью{полем}, таким образом получая достаточно энергии причинить далее ионизацию воздействия. Это явление - эффект лавины. Ниже диодного напряжения пробоя конечное общее количество курьеров{транспортов} создано, тогда как выше поломки число{номер} может быть бесконечно.
Обычно используемая структура для того, чтобы достигать умножения курьера{транспорта} с очень небольшим дополнительным шумом - досягаемость - через construction7-13 " 16 показанная в рис. 6-5.
Досягаемость - через фотодиод лавины (RAPD) составлена из материала p- типа высокого удельного сопротивления, депонированного как эпитаксиальный слой на p + (тяжело doped p-тип) основание{подложка}. Распространение p-типа или внедрение иона тогда сделаны в материале высокого удельного сопротивления, сопровождаемом строительством n + (тяжело doped n-тип) слой. Для кремния допанты имели обыкновение формироваться, эти слои - обычно бор и фосфор, соответственно. Эта конфигурация упоминается как p+trpn + досягаемость - через структуру. 77 слоев - в основном свойственный материал, который неосторожно имеет некоторый p doping из-за несовершенной очистки.
Срок{Термин} "досягаемость - через" является результатом действия фотодиода. Когда низкое напряжение обратного уклона{предубеждения} применено, большинство потенциального снижения{капли} - поперек pn +
Рисунок 6-5
Досягаемость - через фотодиод лавины структурирует и электрические области{поля} в областях{регионах} умножения и истощении.
•
соединение{переход}. Слой истощения расширяется с увеличивающимся уклоном{предубеждением}, пока некоторое напряжение не достигнуто, в какой пиковой электрической области{поле} в pn + соединение{переход} является на приблизительно 5 - 10 процентов ниже этого, должный был причинить поломку лавины. В этом пункте{точке} слой истощения только "достигает через" к почти свойственной области{региону} технических условий{технического испытания}.
В нормальном использовании RAPD используется в полностью исчерпанном способе. Свет входит в устройство через p + область{регион} и поглощен материалом технических условий{технического испытания}, который действует как область{регион} собрания для фотопроизведенных курьеров{транспортов}. Будучи поглощенным фотон бросает его энергию, таким образом создавая пары электронного отверстия, которые тогда отделены электрической областью{полем} в области{регионе} технических условий{технического испытания}. Фотопроизведенные электроны дрейфуют через область{регион} технических условий{технического испытания} к pn + соединение{переход}, где высокая электрическая область{поле} существует.
Именно в этой высоко-полевой области{регионе} умножение курьера{транспорта} имеет место.
Среднее число{номер} пар электронного отверстия, созданных курьером{транспортом} в расстояние единицы путешествовало, называется нормой{разрядом} ионизации. Большинство материалов показывает различные электронные нормы{разряды} ионизации a и нормы{разряды} ионизации отверстия/3. Экспериментально полученные ценности a и футов для пяти различных материалов полупроводника показывают в рис. 6-6. Отношение k = ft/a двух норм{разрядов} ионизации - мера работы{выполнения} фотодатчика. Поскольку мы будем видеть в Секунде. 6.4, фотодиоды лавины построили из материалов, в которых тип курьера{транспорта} в значительной степени доминирует, ионизация воздействия показывает низкие шумовые и большие изделия полосы пропускания выгоды. Как показано в рис. 6-6, всех материалов, исследованных пока, 16 ' 34 только кремний имеет существенное различие между электроном и нормами{разрядами} ионизации отверстия.
Умножение М. для всех курьеров{транспортов}, произведенных в фотодиоде определено
М. М. =--
p, где IM - средняя ценность общего количества умножила поток продукции{выпуска}, и Ip
Рисунок 6-6
Нормы{Разряды} ионизации курьера{транспорта}, полученные экспериментально для кремния, германия, арсенида галлия, арсенид галлия antimonide, и арсенид галлия индия. (Воспроизведенный с разрешением от Melchior.2)первичный неумноженный фотопоток, определенный в Eq. (6-4). Практически, механизм лавины - статистический процесс, с тех пор не, каждая пара курьера{транспорта}, произведенная в диоде испытывает то же самое умножение. Таким образом взвешенная ценность М. выражена как среднее количество.
Пример 6-5. Данный кремниевый фотодиод лавины имеет квантовую эффективность 65 процентов в длине волны 900 нитрометанов. Предположим, что 0.50 ^ .W оптической власти{мощи} производят умноженный фотопоток 10/iA. Позвольте нам находить умножение М. От Eq.
6.1 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ФОТОДИОДОВ 243
(6-6) первичный фотопоток
От Eq. (6-7) умножение
первичный фотопоток умножен на фактор 43.ипичную текущую прибыль{достижения} для различных длин волны ' 5 как функция напряжения уклона{предубеждения} для кремниевой досягаемости - через фотодиод лавины показывают в рис. 6-7. Зависимость выгоды{увеличения} на длине волны возбуждения является относящейся к смешанному инициированию процесса лавины электронами и отверстиями, когда большинство света поглощено n+p областью{регионом} близко к поверхности датчика. Это особенно примечательно в коротких длинах волны, где большая часть оптической власти{мощи} поглощена близко к поверхности чем в более длинных длинах волны. Так как коэффициент ионизации для отверстий является меньшим чем это для электронов в кремнии, полная текущая выгода{увеличение} уменьшена в коротких длинах волны.
 |
Типичная температурная комнатой{местом} текущая прибыль{достижения} кремниевой досягаемости - через фотодиод лавины для различных длин волны как функция напряжения уклона{предубеждения}. (Воспроизведенный с разрешением от Мелчайора, Hartman, Schinke, и Seidel, " © 1978, AT&T.)
244 ФОТОДАТЧИКА
Аналогичный фотодиоду булавки, работа{выполнение} APD характеризована его responsivity ^APD, которым дают
где &0 - единство, получают responsivity.
6.2 ШУМ ФОТОДАТЧИКА
В волокне оптические системы связи фотодиод вообще обязан обнаруживать очень слабые оптические сигналы. Обнаружение самых слабых оптических сигналов требует, чтобы фотодатчик и после схемы увеличения были оптимизированы так, чтобы данное отношение сигнала-к-шуму было обслужено{поддержано}. Отношение сигнала-к-шуму власти{мощи} S/N в продукции{выпуске} оптического приемника определено
5 власть{мощь} сигнала от фотопотока
власть{мощь} шума фотодатчика-I-власть{мощь} шума усилителя
Шумовые источники в приемнике являются результатом шумов фотодатчика, следующих из статистического характера{природы} процесса преобразования фотона-к-электрону и тепловых шумов, связанных со схемой усилителя.
Чтобы достигать высокого отношения сигнала-к-шуму, следующие условия{состояния} должны быть выполнены{встречены}:
1. Фотодатчик должен иметь высокую квантовую эффективность, чтобы произвести большой
2. власть{мощь} сигнала.
3. Фотодатчик и шумы усилителя должны быть сохранены настолько низко насколько возможно.
Для большинства заявлений{применений} это - шумовые потоки, которые определяют минимальный оптический уровень власти{мощи}, который может быть обнаружен, так как эффективность кванта фотодиода - обычно близко к ее максимальной возможной ценности.
Чувствительность фотодатчика в оптической системе связи волокна является поддающейся описанию в терминах минимальной обнаружимой оптической власти{мощи}. Это - оптическая власть{мощь}, необходимая произвести фотопоток той же самой величины, поскольку корень означает квадрат{площадь} полного шумового потока или, эквивалентно, отношение сигнала-к-шуму один. Полное понимание источника, характеристик, и взаимосвязей различных шумов в фотодатчике поэтому необходимо делать надежный проект и оценивать оптические приемники.
6.2.1 Шумовые Источники
Чтобы видеть взаимосвязь различных типов шумов, затрагивающих отношение сигнала-к-шуму, позвольте нам исследовать простую модель приемника и ее эквивалентный кругооборот, показанный в рис. 6-8. Фотодиод имеет маленькое сопротивление ряда РТС, полная емкость Cd, состоящий из соединения{перехода} и упаковочных емкостей, и уклона{предубеждения} (или груз) резистор RL. Усилитель после фотодиода имеет вход{вклад}
 |
Рисунок 6-8
(fl) Простая модель приемника фотодатчика, и (b) его эквивалентный кругооборот.
емкость Приблизительно и Ра сопротивления. Для практических целей, РТС является намного меньшей чем сопротивление груза RL и можно пренебречься.
Если модулируемый сигнал оптической власти{мощи} P (t) падения на датчике, первичный фотопоток iph (t) произведенный
Этот первичный поток состоит из постоянного тока, оценивают Ip, который является средним числом фототекущий из-за власти{мощи} сигнала, и компонента сигнала ip (t). Для фотодиодов булавки средний{скупой} квадратный поток сигнала </j)
тогда как для фотодатчиков лавины,
где М. - среднее число статистически изменяющейся выгоды{увеличения} лавины, поскольку зимовал в берлоге в Eq. (6-7). Для синусоидально изменяющегося входного сигнала индекса модуляции м., компонент сигнала (i2p) имеет форму (см. Prob. 6-5)
где м. определен в Eq. (4-54).
Основные шумы, связанные с фотодатчиками не, имеющими никакую внутреннюю выгоду{увеличение} - квантовый шум, темно-текущий шум, произведенный в оптовом материале фотодиода, и поверхностного шума потока утечки. Квантовый или шум выстрела является результатом статистического характера{природы} производства и собрания photoelec-рынков, когда оптический сигнал - инцидент на фотодатчике. Это был demonstrated35, что эти статистические данные следуют за процессом Пуассона. Так как колебания в числе{номере} фотокурьеров{фототранспортов}, созданных от фотоэлектрического эффекта - фундаментальная собственность процесса фотообнаружения, они устанавливают более низкий предел на чувствительности приемника, когда все другие условия{состояния} оптимизированы. Квантовый шумовой поток имеет среднюю{скупую} квадратную ценность в полосе пропускания B, который является пропорциональным
246 ФОТОДАТЧИКОВ
к средней ценности фотопотока Ip:
где F (M) - шумовая фигура{число}, связанная со случайным характером{природой} процесса лавины. От экспериментальных результатов находилось, что к разумному приближению F (M) = М. *, где x (с 0 <x <1.0) зависит от материала. Это обсуждено более подробно в Секунде. 6.4.
Для фотодиодов булавки М. и F (M) - единство.
Фотодиод темный поток является потоком, который продолжает течь через кругооборот уклона{предубеждения} устройства когда никакой свет - инцидент на фотодиоде. Это - комбинация оптовых и поверхностных потоков. Оптовый темный поток iDB является результатом электронов и/или отверстий, которые тепло произведены в pn соединении{переходе} фотодиода. В APD эти освобожденные курьеры{транспорты} также ускорены высоким электрическим полевым подарком{настоящим} в pn соединении{переходе}, и поэтому умножены на механизм выгоды{увеличения} лавины. Средней{скупой} квадратной ценностью этого потока дают
где ID - первичная (неумноженная) большая часть датчика темный поток.
Поверхностный темный поток упоминается также как поверхностный поток утечки или просто поток утечки. Это зависит от поверхностных дефектов, чистоты, напряжения уклона{предубеждения}, и поверхностной области. Эффективный способ сокращать поверхностный темный поток - с помощью структуры кольца охраны, которая шунтирует поверхностные потоки утечки далеко от резистора груза. Средней{скупой} квадратной ценностью поверхностного темного потока дают
где IL - поверхностный поток утечки. Обратите внимание, что, так как умножение лавины - оптовый эффект, поверхностный темный поток не затрагивает выгода{увеличение} лавины.
comparison30 типичных темных потоков для Сицзяна, Германия, GaAs, и In^Ga, _x Как фотодиоды дается в рис. 6-9 как функция прикладного напряжения, нормализованного к напряжению пробоя VB. Обратите внимание, что для In^Ga ^^ Как фотодиоды темный поток увеличивается с составом x. Под обратным уклоном{предубеждением}, оба темных потока также увеличиваются с областью. Поверхностные темные текущие увеличения в пропорции к квадратному корню активной области, и оптового темного потока непосредственно пропорциональны области.
Так как темные потоки и поток сигнала являются некоррелироваными, общее количество подразумевает, что квадратный поток шума фотодатчика (i2N) может быть написан как
Чтобы упростить анализ схемы приемника, мы предположим здесь, что импеданс входа{вклада} усилителя намного больше чем сопротивление груза так, чтобы
247
6.2 ШУМ ФОТОДАТЧИКА
 |
Рисунок 6-9
Сравнение типичных темных потоков для Сицзяна, Германия, GaAs, и InGaAs фотодиодов как функция нормализованного напряжения уклона{предубеждения}. (Воспроизведенный с разрешением из Суз, Yamauchi, и Kanbe, 30 © 1980, IEEE)
«
его тепловой шум является намного меньшим чем это RL. Резистор груза фотодатчика вносит средний{скупой} квадратный тепловой (Johnson) шумовой поток
4kRT
<i'r> = - B (6-17)
RL
где КБ - Больтзманн, постоянный, и T - абсолютная температура. Этот шум может быть уменьшен, используя резистор груза, который является большим, но все еще совместимым с требованиями полосы пропускания приемника. Дальнейшие детали относительно этого даются в Парне. 7 наряду с детальным обсуждением потока шума усилителя / электрогитара{ампер}.
Пример 6-6. Фотодиод булавки InGaAs имеет следующие параметры в длине волны 1300 нитрометанов: ID = 4 nA, 17 = 0.65, RL = 1000 футов, и поверхностный поток утечки незначительны. Инцидент оптическая власть{мощь} является 300 nW (-35 dBm), и полоса пропускания приемника - 20 МГЦ. Позвольте нам находить различные шумовые сроки{термины;условия} приемника.
Сначала мы должны найти первичный фотопоток. От Eq. (6-6)
248 ФОТОДАТЧИКОВ
От Eq. (6-13) средний{скупой} квадратный квантовый шумовой поток для фотодиода булавки - (I2}, = 2qlpB = 2 (1.6 X 1 (T19C) (0.204 X 1 (T6 A) (20 X 106 гц)
= 1.3 X 1CT18 A2 или
</^> 1/2 = 1.1 nA От Eq. (6-14) средний{скупой} квадратный темный поток
</jfl> = 2qlDB = 2 (1.6 X 1 (T19 C) (4 X 10~9 A) (20 X 106 гц)
= 2.56X10-20A2 или
</£B) 1/2 = 0.16nA средний{скупой} квадратный тепловой шумовой поток для приемника найден от Eq. (6-17) как
4kBT 4 (1.38 X KT23 J/K) (293 K)
</') =-JL.fi = ^ - 7 ---------- ^20X10" Гц
rl ikn
= 323 X 1 (T18 A2 или
</2> 1/2 = 18 nA
Таким образом для этого приемника среднеквадратический тепловой шумовой поток приблизительно в 16 раз больше, чем среднеквадратичное значение стреляло шумовой поток и приблизительно в 100 раз больше чем среднеквадратический темный поток.
6.2.2 Отношение Сигнала-к-шуму
Замена Eqs. (6-11), (6-16), и (6-17) в Eq. (6-9) для отношения сигнала-к-шуму во входе{вкладе} усилителя, мы имеем
S <i2p} M2
JV = 2q (lp + ID) M2F (M) B + 2qlLB + 4kBTB/RL
Вообще, когда фотодиоды булавки используются, доминирующие потоки шума - таковые из резистора груза датчика (тепловой поток это) и активные элементы схемы усилителя Gamp). Для фотодиодов лавины тепловой шум имеет меньшее значение, и шумы фотодатчика обычно доминируют 36
От Eq. (6-18) может быть замечено, что власть{мощь} сигнала умножена на M2, и квантовый шум плюс оптовый темный поток умножен на M2F (M). Поверхностный поток утечки не изменен механизмом выгоды{увеличения} лавины. Так как шумовая фигура{число} F (M) увеличения с М., там всегда существует оптимальная ценность М., который максимизирует отношение сигнала-к-шуму. Оптимальная выгода{увеличение} в максимальном отношении сигнала-к-шуму может быть найдена, дифференцируя Eq. (6-18) - относительно/, урегулировав результат равняются нолю, и решая для М. Выполнение так для синусоидально модулируемого сигнала, с м. = 1 и F (M) приближенный М. ",
6.3 ВРЕМЯ ОТВЕТА ДАТЧИКА 249
 |
Рисунок 6-10
Схематическое представление смещенного переменой фотодиода булавки.
плоды{урожаи}
6.3 ВРЕМЯ ОТВЕТА ДАТЧИКА
6.3.1 Фотопоток Слоя Истощения
Чтобы понимать ответ частоты фотодиодов, позвольте нам сначала рассматривать{считать} схематическое представление смещенного переменой фотодиода булавки, показанного в рис. 6-10. Свет входит в устройство через p слой и производит пары электронного отверстия, поскольку это поглощено материалом полупроводника. Те пары электронного отверстия, которые произведены в области{регионе} истощения или в пределах длины распространения этого, будут отделены " обратным напряжением уклона{предубеждения}, вызвал " электрическую область{поле}, таким образом ведя к текущему потоку во внешнем кругообороте как дрейф курьеров{транспортов} поперек слоя истощения.
При установившихся условиях{состояниях} полная текущая плотность 7tot текущий через смещенный переменой слой истощения is37
Aot = Воздух + ^diff (6-20)
Здесь 7dr - плотность потока дрейфа, следующая из курьеров{транспортов}, произведенных в области{регионе} истощения, и 7diff - плотность потока распространения, являющаяся результатом курьеров{транспортов}, которые произведены вне слоя истощения в большой части полупроводника (то есть в n и p областях{регионах}) и разбросанный в смещенное переменой соединение{переход}. Плотность потока дрейфа может быть найдена от Eq. (6-4),
j
Jdr = - = <? 4> 00 - e~a'w) (6-21)
*
где - область фотодиода и 4> 0 is'the потоков фотона инцидента в область единицы, данную
P (l - R)
<t> 0 = - $-pU4 (6-22)
Ahv
250 ФОТОДАТЧИКОВ
Поверхность p слой фотодиода булавки обычно очень тонка. Поток распространения таким образом преимущественно определен распространением отверстия от большой части n область{регион}. Распространение отверстия в этом материале может быть определено одномерным распространением equation12
где Разность потенциалов - коэффициент распространения отверстия, pn - концентрация отверстия в материале n-типа, армированный пластик - дополнительная целая жизнь отверстия, Премьер-министр - плотность отверстия равновесия, и Г (x) - норма{разряд} поколения электронного отверстия, данная
От Eq. (6-23) плотность потока распространения найдена, чтобы быть (см. Prob. 6-9)
• / разность = gfrn, a*L " 1 e~a'w + VPn0^ (6-25)
1 + asLp Lp
Замена Eqs. (6-21) и (6-25) в Eq. (6-20) мы имеем это, полная текущая плотность через смещенный переменой слой истощения
ytot = <, <i> 0 (я _ e " ' | + qpn^ (6.26)
\ 1 + asLp я . Lp
Срок{Термин}, вовлекающий pn0 является обычно маленьким, так, чтобы общее количество фотопроизвело
поток пропорционален потоку фотона 4>.
t-t- f a
6.3.2 Время Ответа
Время ответа фотодиода вместе с его кругооборотом продукции{выпуска} (см. рис. 6-8)
зависит главным образом от следующих трех факторов:
J
1. Время транзита фотокурьеров{фототранспортов} в области{регионе} истощения
2. Время распространения фотокурьеров{фототранспортов} произвело вне истощения
3. область{регион}
4. ёМКОСТНО-РЕЗИСТИВНОЕ время, постоянное из фотодиода и его связанного кругооборота
Параметры фотодиода, ответственные за эти три фактора - коэффициент поглощения a;, ширина области{региона} истощения w, соединение{переход} фотодиода и емкости пакета, емкость усилителя, датчик загружает сопротивление, сопротивление входа{вклада} усилителя, и сопротивление ряда фотодиода. Сопротивление ряда фотодиода - вообще только несколько омов и можно пренебречься по сравнению с большим сопротивлением груза и сопротивлением входа{вклада} усилителя.
Позвольте нам сначала смотреть на время транзита фотокурьеров{фототранспортов} в области{регионе} истощения. Скорость ответа фотодиода существенно ограничена временем, требуется фотопроизведенные курьеры{транспорты}, чтобы путешествовать поперек области{региона} истощения. Это
6.3 ОТВЕТ ДАТЧИКА TIMt 251
время транзита td зависит от скорости дрейфа курьера{транспорта} vd и ширины слоя истощения w, и дается
Вообще, электрическая область{поле} в области{регионе} истощения является достаточно большой так, чтобы курьеры{транспорты} достигли их ограниченной рассеиванием скорости. Для кремния максимальные скорости для электронов и отверстий - 8.4 X 106 и 4.4 X 106 cm/s, соответственно, когда полевая сила находится на заказе{порядке} 2 X 104 V/cm. Типичный быстродействующий кремниевый фотодиод с 10-/um ширина слоя истощения таким образом имеет срок ответа приблизительно 0.1 не уточнено.
 |
Рисунок 6-11
Ответ фотодиода на оптический входной пульс, показывая 10-к 90 процентным разам повышения и 10-к
90 процентных раз падения. •
Процессы распространения медленны по сравнению с дрейфом курьеров{транспортов} в высоко-полевой области{регионе}. Поэтому, чтобы иметь быстродействующий фотодиод, фотокурьеры{фототранспорты} должны быть произведены в области{регионе} истощения или так близко к этому, что времена распространения являются меньше чем или равными временам дрейфа курьера{транспорта}. Эффект долгих времен распространения может быть замечен, рассматривая{считая} время ответа фотодиода. Это время ответа описано временем повышения и временем падения продукции{выпуска} датчика, когда датчик освещен входом{вкладом} шага оптической радиации. Реакция на облучение времени повышения типично измеряется от 10-до 90 процентных пунктов{точек} ведущего края пульса продукции{выпуска}, как показывается в рис. 6-11. Для полностью исчерпанных фотодиодов реакция на облучение времени повышения и время падения iy вообще те же самые. Однако, они могут быть отличны на низких уровнях уклона{предубеждения}, где фотодиод полностью не исчерпан, так как время собрания фотона тогда начинает становиться существенным вкладчиком ко времени повышения. В этом случае, обвините, что курьеры{транспорты} произвели в области{регионе} истощения, отделены и собраны быстро. С другой стороны, пары электронного отверстия произвели в n, и p области{регионы} должны медленно распространяться к области{региону} истощения прежде, чем они могут быть отделены и собраны. Типичный ответ
Рисунок 6-12
Типичное время ответа фотодиода, который полностью не исчерпан.
время частично исчерпанного фотодиода показывают в рис. 6-12. Быстрые курьеры{транспорты} позволяют продукции{выпуску} устройства повышаться к 50 процентам ее максимальной ценности в приблизительно 1 не уточнено, но медленные курьеры{транспорты} причиняют относительно длинную задержку прежде, чем продукция{выпуск} достигает ее максимальной ценности.
Чтобы достигать высокой квантовой эффективности, ширина слоя истощения должна быть намного большей чем \/as (инверсия коэффициента поглощения), так, чтобы большинство света было поглощено.
Ответ на прямоугольный входной пульс фотодиода низкой емкости, имеющего w> \/as показывают в рис. 6-136. Повышение и времена падения фотодиода следуют за входным пульсом весьма хорошо. Если емкость фотодиода является большей, время ответа становится ограниченным ёМКОСТНО-РЕЗИСТИВНЫМ временем, постоянным из резистора груза RL и емкости фотодиода. Ответ фотодатчика тогда начинает казаться как тот показанным в 6-13c рис..
Если бы слой истощения является слишком узким, любые курьеры{транспорты} создавали в неисчерпанном материале, должен был бы распространиться назад в область{регион} истощения прежде, чем они могли быть собраны. Устройства с очень тонкими областями{регионами} истощения таким образом имеют тенденцию показывать отличный медленный - и компоненты быстрого ответа, как показано в рис. 613-ьем. Быстрый компонент во время повышения происходит из-за курьеров{транспортов}, произведенных в области{регионе} истощения, тогда как медленный компонент является результатом распространения курьеров{транспортов}, которые
Рисунок 6-13
Ответы пульса фотодиода под различными параметрами датчика.
6.4 ШУМ УМНОЖЕНИЯ ЛАВИНЫ 253
созданный в пределах расстояния Ln от края области{региона} истощения. В конце оптического пульса, курьеры{транспорты} в области{регионе} истощения собраны быстро, который кончается fast-de.t.ector-response компонентом во время падения. Распространение курьеров{транспортов}, которые являются в пределах расстояния Ln края области{региона} истощения, появляется как медленно распадающийся хвост в конце пульса. Также, если w слишком тонок, емкость соединения{перехода} станет чрезмерной. Емкость соединения{перехода} C;
esA
C, = - (6-28)
w
где es = диэлектрическая постоянная{удельная ёмкость} материала полупроводника = e0Ks Ks = диэлектрик полупроводника постоянный e0 = 8.8542 X 10 ~n F/m - свободно-космическая диэлектрическая постоянная{удельная ёмкость} = область слоя распространения
Эта чрезмерность тогда вызовет к большому ёМКОСТНО- РЕЗИСТИВНОМУ времени постоянный, который ограничивает время ответа датчика. Разумный компромисс между высокочастотным ответом и высокой квантовой эффективностью найден для поглотительных толщин области{региона} между l/at и 2/поскольку.
Если РЕАЛЬНЫЙ МАСШТАБ ВРЕМЕНИ - комбинация груза и сопротивлений входа{вклада} усилителя, и ЦЕМЕНТ - сумма фотодиода и емкостей усилителя, как показано в рис. 6-8, датчик ведет себя приблизительно подобно простому ёМКОСТНО-РЕЗИСТИВНОМУ фильтру низкого прохода с полосой пропускания, данной
• • ^hrT (M9)
Пример 6-7. Если емкость фотодиода - 3 pF, емкость усилителя - 4 pF, резистор груза - 1 kfl, и сопротивление входа{вклада} усилителя - 1 Мил, то ЦЕМЕНТ = 1 pF и РЕАЛЬНЫЙ МАСШТАБ ВРЕМЕНИ = 1 kft, так, чтобы полоса пропускания кругооборота была
B = - = 23 МГЦ (6-30)
2TrRTCT
Если мы уменьшаем сопротивление груза фотодатчика 50 II, то полоса пропускания кругооборота становится B = 455 МГЦ.
6.4 ШУМ УМНОЖЕНИЯ ЛАВИНЫ
Поскольку мы отметили ранее, процесс лавины является статистическим в характере{природе}, с тех пор не, каждая фотопроизведенная пара курьера{транспорта} подвергается тому же самому умножению 38 ' распределение вероятности возможной прибыли{достижений}, которую любая специфическая пара электронного отверстия могла бы испытать, достаточно широк так, чтобы средняя{скупая} квадратная выгода{увеличение} больше чем средняя выгода{увеличение} squared. То есть если м. обозначает статистически изменяющуюся выгоду{увеличение} тогда
254 ФОТОДАТЧИКА
где символы <> обозначают среднее число ансамбля и (m) =, м. - средняя выгода{увеличение} курьера{транспорта}, зимовал в берлоге в Eq. (6-7). Так как шум, созданный процессом лавины зависит от средней{скупой} квадратной выгоды{увеличения} {m2}, шум в фотодиоде лавины может быть относительно высок. От экспериментальных наблюдений находилось, что, вообще, (m2) может быть приближен
<m2> = M2 +* (6-32)
где образец x изменяется между 0 и 1.0 в зависимости от материала фотодиода и структуры.
Отношение фактического шума произвело в фотодиоде лавины к шуму, который существовал бы, если все пары курьера{транспорта} были умножены на точно М., называется дополнительным шумовым фактором F и определяется
<m2) <m2)
f = <^ = ^ («3)
Этот дополнительный шумовой фактор - мера увеличения в шуме датчика, следующем из хаотичности процесса умножения. Это зависит от отношения электрона и норм{разрядов} ионизации отверстия и на умножении курьера{транспорта}.
Происхождение выражения для F сложно, так как электрическая область{поле} в области{регионе} лавины (ширины WM, как показано в рис. 6-5) не однородна, и и отверстия, и электроны производят ионизацию воздействия. Mclntyre40 показал, что, для введенных электронов и отверстий, дополнительные шумовые факторы
где приписки e и h обращаются{относятся} к электронам и отверстиям, соответственно. Взвешенные отношения нормы{разряда} ионизации fc, и k2 принимают во внимание неоднородность выгоды{увеличения} и норм{разрядов} ионизации курьера{транспорта} в области{регионе} лавины. Ими дают
где (x) и p (x) - электрон и нормы{разряды} ионизации отверстия, соответственно.
6.4 ШУМ УМНОЖЕНИЯ ЛАВИНЫ 255
Обычно в первом приближении k\ и k2 не изменяются очень с изменениями{разновидностями} в выгоде{увеличении} и можно счесть как постоянными и равными. Таким образом Eqs. (6-34) и (6-35) может быть упрощен as7
электронная инъекция, и
J
или инъекция отверстия, где эффективные отношения нормы{разряда} ионизации
Фигура{Число} 6-14 показывает Fe, поскольку функция среднего электрона получает Меня за различные ценности эффективного отношения нормы{разряда} ионизации keff. Если нормы{разряды} ионизации равны, дополнительный шум - в его максимуме так, чтобы Fe был в его верхнем пределе Меня. Как отношение/3/a уменьшения от единства, электронная норма{разряд} ионизации начинает быть доминирующим вкладчиком, чтобы воздействовать на ионизацию, и дополнительный шумовой фактор становится меньшим.
Если только ионизация причины электронов, футы = 0 и Fe достигает его более низкого предела 2.
Это показывает, что, чтобы держать дополнительный шумовой фактор как минимум, желательно иметь маленькие ценности ke (f. Обращаясь{относясь} назад к рис. 6-6, мы таким образом видим превосходство кремния по другим материалам для того, чтобы делать фотодиоды лавины. Эффективное отношение нормы{разряда} ионизации kefi изменяется между 0.015 и 0.035 для кремния, между 0.3 и 0.5 для InGaAs, и между 0.6 и 1.0 для германия.
От эмпирических отношений для средней{скупой} квадратной выгоды{увеличения}, данной Eq. (6-32), дополнительный шумовой фактор может быть приближен
F = Mx (6-41)
Параметр x берет ценности 0.3 для кремния, 0.7 для InGaAs, и 1.0 для фотодиодов лавины германия.
Рисунок 6-14
Изменение{Разновидность} электронного дополнительного шумового фактора Fe как функция электронной выгоды{увеличения} за различные ценности эффективного отношения нормы{разряда} ионизации fcc (r. (Воспроизведенный с разрешением от Вебба, Mclntyre, и Conradi.7)
6.5 ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ЭФФЕКТ НА ВЫГОДУ{УВЕЛИЧЕНИЕ} ЛАВИНЫ
Механизм выгоды{увеличения} фотодиода лавины очень чувствителен к температуре из-за температурной зависимости электрона, и ионизация отверстия rates.42 ' 44 Этих температурных зависимости является особенно критической в высоких напряжениях уклона{предубеждения}, где маленькие изменения{замены} в температуре могут причинить большие изменения{разновидности} в выгоде{увеличении}. Пример этого показывают в рис. 6-15 для кремниевого фотодиода лавины. Например, если операционные температурные уменьшения и прикладное напряжение уклона{предубеждения} сохранены постоянными, нормы{разряды} ионизации для электронов, и отверстия увеличатся, и так будет выгода{увеличение} лавины.
Чтобы поддерживать{обслуживать} постоянную выгоду{увеличение} как температурные изменения{замены}, электрическая область{поле} в умножающейся области{регионе} pn соединения{перехода} должна также быть изменена{заменена}.
Это требует, чтобы приемник включил кругооборот компенсации, который регулирует{приспосабливает} прикладное напряжение уклона{предубеждения} на фотодатчике, когда температура изменяется.
Зависимость выгоды{увеличения} на температуре была изучена подробно Conradi.44 В той работе, кривые выгоды{увеличения} были описаны, используя явную температурную зависимость норм{разрядов} ионизации a и/3 вместе с детальным знанием структуры устройства. Хотя превосходное соглашение было найдено между теоретически вычисленным и экспериментально взвешенная прибыль{достижения}, вычисления скорее вовлечены.. Однако, простое температурное-зависимое выражение может быть получено от эмпирического relationship45
Рисунок 6-15
Пример того, как выгода{увеличение} mecha-lism кремниевой лавины pho-odiode зависит от температуры. Fhe размеры{измерения} для этого устройства vere сделанный в 825 нитрометанах (Воспроизведенный с разрешением от Mel-:hior, Hartman, Schinke, и Seidel, 15 €> 1978, AT&T.)
где VB - напряжение пробоя, в котором М. идет в бесконечность, параметр n изменяется между 2.5 и 7, в зависимости от материала, и V = Va -/m^m> w'lh Va быть напряжением обратного уклона{предубеждения}, прикладным на датчик, 1M - умноженный фотопоток, и КОМНАТА составляет{объясняет} сопротивление ряда фотодиода и сопротивление груза датчика. Так как напряжение пробоя, как известно, изменяется с температурой as46 ' 47
VB (T) = VB (T0) [\ + (T-T0)] (6-43)
температурная зависимость выгоды{увеличения} лавины может быть приближена, заменяя Eq. (6-43) в Eq. (6-42) вместе с выражением
n (T) = n (T0) [l + b (T - T0)] (6-44)
Константы a и b уверенны для досягаемости - через фотодиоды лавины и могут быть определены от экспериментальных кривых выгоды{увеличения} против температуры.
6.6 МАТЕРИАЛЫ ФОТОДИОДА
responsivity фотодатчика преимущественно определен строительством датчика и типа используемого материала. Коэффициент поглощения с материалов полупроводника изменяется очень с длиной волны, как показывается в рис. 6-3. Для практического фотодиода, лучший responsivity и самая высокая квантовая эффективность получены в материале, имеющем энергию запрещенной зоны немного меньше чем энергия фотонов в самой длинной длине волны интереса{процента}. В дополнение к
258
ФОТОДАТЧИКИ
гарантируя хорошую эффективность кванта датчика и скорость ответа, это условие{состояние} одновременно держит темный поток низко.
Любой множество различных материалов, включая Сицзян, Германий, GaAs, InGaAs, и InGaAsP, мог использоваться для действия фотодиода в 800-к спектральной области{региону} с 900 нитрометанами. Однако, кремний используется почти исключительно, потому что, в дополнение к его высоко развитой технологии, это показывает самый низкий шум умножения курьера{транспорта} лавины, таким образом разрешая высокую чувствительность приемника.
Для действия в длинах волны более чем 1.0 ^m responsivity Сицзяна слишком низок для этого, чтобы использоваться как фотодиод, так как фотоны в этих длинах волны не имеют достаточного количества энергии возбудить электрон поперек 1.17-eV кремниевого промежутка полосы{оркестра}. Различные фотодатчики высокой чувствительности были развиты для 1.0-к 1.65 - пополудни располагаются. Исследованные материалы включили Германий, 17 InP, 18 InGaAsP, 19-22 GaSb, 23 ' 24 GaAJSb, 25 HgCdTe, 26 и InGaAs.27 " 33 Из них, наиболее широко используемый состав и для булавки и для фотодиодов лавины - InGaAs. Этот материал может поглотить свет с длинами волны целых 1650 нитрометанов, и использовался в быстродействующих экспериментальных системах с более чем 200 км между ретрансляторами. Германий - альтернативный материал датчика длинной длины волны. Это имеет большой коэффициент поглощения приблизительно 104 см " 1 по диапазону длины волны 1.0 к 1.55 ^m, которые должны делать это идеальным фотодатчиком для заявлений{применений} длинной длины волны.
Множество фотодатчиков Германия с разумной чувствительностью и быстрыми временами ответа было изготовлено, но материал показывает множество недостатков. Например, Германий имеет высокий дополнительный шумовой фактор для умножения лавины вследствие отношения нормы{разряда} ионизации курьера{транспорта} только 2. Кроме того, так как промежуток полосы{оркестра} Германия является более узким чем это Сицзяна, оптовый темный поток намного выше, таким образом ограничивает выгоду{увеличение} лавины годную к употреблению. Несмотря на эти ограничения, фотодиоды лавины Германия успешно использовались в экспериментах высокой передачи данных, один пример, являющийся 800-Mb/s связь, работающая в 1.3 ju.m более чем 11-километровое расстояние.
В дополнение к Германию разнообразие III-V сплавов полупроводника типа InGaAsP, GaAlSb, InGaAs, GaSb, и GaAsSb было исследовано для длинной длины волны applications.34 есть несколько причин для того, чтобы исследовать эти материалы. Сначала, так как промежутки полосы{оркестра} этих сплавов зависят от их молекулярного состава, поглотительный край может быть отобран, чтобы быть только выше самой длинной длины волны действия, изменяя молекулярные концентрации учредительных элементов сплавов. Это кончается датчиками с высокой квантовой эффективностью, быстрой скоростью ответа, и низко темный поток. Другая причина{разум} для того, чтобы изучать эти сплавы состоит в том, чтобы искать материал, имеющий большое различие в электроне и нормах{разрядах} ионизации отверстия. К сожалению, отношения нормы{разряда} ионизации во всех III-V материалах, взвешенных до настоящего времени являются низшими к кремнию. Это имеет тенденцию ограничивать действие этих устройств, чтобы уменьшить прибыль{достижения} лавины между 10 и 30.
6.7 РЕЗЮМЕ
Булавка полупроводника и фотодиоды лавины - основные устройства, используемые как датчики фотона в оптических связях волокна из-за их совместимости размера с волокнами, их высокий sensitivities в желательных оптических длинах волны, и их быстрые
6.7 РЕЗЮМЕ
259
времена ответа. В дополнение к этим двум структурам фотодиода, значительное внимание дается heterojunction фототранзистору, 48 " 51, который является способным к удовлетворению многих из - требования датчика системы связи волокна.
Когда свет, имеющий энергии фотона больше чем или равный энергии запрещенной зоны материала полупроводника - инцидент на фотодатчике, фотоны могут бросить их энергию и возбудить электроны от полосы{оркестра} валентности к полосе{оркестру} проводимости. Этот процесс производит свободные пары электронного отверстия, которые известны как фотокурьеры{фототранспорты}. Когда напряжение обратного уклона{предубеждения} применено поперек фотодатчика, проистекающая электрическая область{поле} в устройстве заставляет курьеров{транспорты} отделяться. Это вызывает к текущему потоку во внешнем кругообороте, который известен как фотопоток.
Квантовая эффективность r\ - важный параметр работы{выполнения} фотодатчика. Это определено как число{номер} пар курьера{транспорта} электронного отверстия, произведенных в фотон инцидента энергии hv. Практически, квантовые полезные действия располагаются от 30 до 95 процентов. Другой важный фактор - responsivity. Это
связанный с квантовой эффективностью
J J
r) q
T hv
Этот параметр весьма полезен в этом, это определяет фотопоток, произведенный в единицу оптическая власть{мощь}. Представительные responsivities для фотодиодов булавки - 0.65/iA // iW для Сицзяна в 800 нитрометанах, 0.45/iA // xW для Германия в 1300 нитрометанах, и 0.6/iA/jiiW для InGaAs в 1300 нитрометанах.
Фотодиоды лавины (APDs) внутренне умножают первичный фотопоток сигнала. Это увеличивает чувствительность приемника, так как фотопоток умножен перед столкновением с тепловым шумом, связанным со схемой приемника. Умножение курьера{транспорта} М. - результат ионизации воздействия. Так как механизм лавины - статистический процесс, не, каждая пара курьера{транспорта}, произведенная в фотодиоде испытывает то же самое умножение.
Таким образом взвешенная ценность М. выражена как среднее количество. Аналогичный фотодиоду булавки, работа{выполнение} APD характеризована его responsivity
характеризованный его responsivity
i) q
^apd =-r-M = и (} М. неголосующего
где &0 - единство, получают responsivity.
Чувствительность фотодатчика и его связанного приемника по существу определена шумами фотодатчика, следующими из статистического характера{природы} процесса преобразования фотона-к-электрону и тепловых шумов в схеме усилителя. Главные шумовые потоки фотодатчиков:
'
1. Квантовый или поток шума выстрела, являющийся результатом статистического характера{природы}
2. производство и собрание фотоэлектронов
3. Оптовый темный поток, являющийся результатом электронов и/или отверстий, которые являются тепло
4. произведенный в pn соединении{переходе} фотодиода
1. ФОТОДАТЧИКИ
3. Поверхностный темный поток (или поток утечки), который зависит от поверхностных дефектов,
чистота, напряжение уклона{предубеждения}, и поверхностная область
.
Вообще, для фотодиодов булавки тепловые шумовые потоки резистора груза датчика и активных элементов схемы усилителя - доминирующие шумовые источники. Для фотодиодов лавины тепловой шум имеет меньшее значение, и шумы фотодатчика обычно доминируют.
Полноценность данного фотодиода в специфическом заявлении{применении} зависит от требуемого времени ответа. Чтобы воспроизводить искренне поступающий{наступающий} сигнал, фотодиод должен быть способен отследить точно изменения{разновидности} в этом сигнале. Поскольку мы показали в Секунде. 6.3, это зависит от коэффициента поглощения материала в желательной операционной длине волны, ширине слоя истощения фотодиода, и различных емкостях и сопротивлениях фотодиода и его связанной схемы приемника.
Так как процесс умножения в фотодиоде лавины является статистическим в характере{природе}, дополнительный шумовой фактор введен{представлен}, который не присутствует в фотодиоде булавки.
Мера этого шумового увеличения дается дополнительным шумовым фактором, который мы описали в Секунде. 6.4. Этот шумовой фактор зависит от электрона и норм{разрядов} ионизации отверстия и от умножения курьера{транспорта}. Нормы{разряды} ионизации также зависят от температуры, так, чтобы было сильное изменение{разновидность} в выгоде{увеличении} лавины с изменениями{заменами} в температуре, как показывается в Секунде. 6.5.
Мы заключили главу, смотря на различные материалы полупроводника, используемые для того, чтобы передать фотодиоды и длины волны, которые они являются подходящими. Кремний - главный материал, используемый для 800-к области{региону} с 900 нитрометанами. Для длин волны более чем 1000 нитрометанов responsivity Сицзяна слишком низок для этого, чтобы использоваться как фотодатчик. Фотодатчики, показывающие высокую квантовую эффективность и быстрые времена ответа для 1.0-к 1.65-ju.m области{региону} были сделаны от различных материалов, в специфическом Германии и InGaAs. Хотя эти материалы показывают превосходную работу{выполнение} как фотодиоды булавки, большие отношения нормы{разряда} ионизации этой прибыли{достижений} лавины предела материалов к ценностям, которые намного ниже чем достижимые в кремнии.
ПРОБЛЕМЫ
6-1. Рассмотреть{Счесть} коэффициент поглощения кремния как функция длины волны, как показано в рис. P6-1. Игнорируя отражения в поверхности фотодиода, готовьте квантовую эффективность для слоя истощения widths 1, 5, 10, 20, и 50/xm по диапазону длины волны 0.6 к 1.0 нитрометанам.
6-2. Если оптическая власть{мощь} выравнивается, P0 - инцидент на фотодиоде, норма{разряд} поколения электронного отверстия, которой г (x) в фотодатчике дается
Г (x) = <J> 0 « se-<-<*
Здесь <t> 0 - поток фотона инцидента в область единицы, данную
P0 (l-Rf) Ahv
^
