Фотоприемники для оптических систем передачи. Назначение. Классификация P-I-N фотодиоды, лавинные фотодиоды. Принцип действия.

Основным элементом ПРОМ является фотоприемник, изготовляемый обычно из полупроводникового материала. В основе работы фотоприемника лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энергию ЗЗ, происходит переход электронов из ВЗ в ЗП (генерация электронно- дырочных пар). Если к полупроводнику приложить напряжение, то появится электрический ток, обусловленный движением электронов в ЗП и дырок в ВЗ.

Эффективная регистрация генерируемых в полупроводнике электронно- дырочных пар обеспечивается путем разделения носителей заряда. Для этого используется полупроводниковая конструкция с p-n переходом, которая называется фотодиодом.

Из фотоприемников, используемых в ВОЛС, наибольшее распространение получили:

- P-I-N фотодиоды

- Лавинные фотодиоды

Отличительной особенностью P-I-N фотодиода является наличие I- слоя (слаболигированного полупроводника n- типа между слоями p+- и n+- типа (+ означает сильное лигирование)). Такой I- слой называется обедненным слоем, т.к. в нем нет свободных носителей. На PIN структуру подается напряжение обратного смещения. Сильное лигирование крайних слоев делает их проводящими, поэтому все напряжение падает на I- слое и в нем создается максимальное значение электрического поля. Но т.к. в I- слое нет свободных носителей, то в нем нет и электрического тока. При наличии падающего на I- слой излучения, в нем образуются свободные эл- дырочные пары, которые под воздействием эл поля быстро разделяются и двигаются в противоположных направлениях к своим электродам, образуя эл ток. Эл ток идет до тех пор, пока образуются эл- дырочные пары, т.е. пока на ФД падает свет. Эффективным является взаимодействие излучения только с I- слоем, поэтому его делают протяженным, а крайние слои узкими.

ФД могут изготавливаться из разных материалов. Рабочие диапазоны длин волн, в которых достигается максимальная эффективность ФД для разных полупроводниковых материалов, например, GaAs – λ = (800 – 1000)нм, InGaAs – λ = (1000 – 1700) нм. Квантовая эффективность обедненной области в рабочем диапазоне длин волн достигает 80 – 100%. Однако часть падающего излучения испытывает френелевское отражение от фоточувствительной поверхности из-за скачка показателя преломления на границе между поверхностью и средой. Для уменьшения отражения приемную поверхность обедненного слоя покрывают антиотражающим слоем, толщиной кратной λ /4 и показателем преломления равным , где n1 и n2 – показатели преломления I- слоя и воздуха, соответственно.

Лавинный ФД.

Главное отличие ЛФД от обычного ФД имеет вид p⁺ - I – n⁺, то в ЛФД добавляют p- слой. Причем профиль распределения лигирующих примесей выбирается так, чтобы наибольшее сопротивление, а следовательно, и наибольшую напряженность эл поля имел p-слой.

При воздействии света на I-слой образуются эл- дырочные пары и благодаря небольшому полю происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам.

При попадании свободных электронов из I- слоя в p- слой их ускорение увеличивается из- за высокой напряженности эл поля в p- слое и, ускоряясь в ЗП p-слоя, такие электроны накапливают достаточную энергию для выбивания других электронов из ВЗ в ЗП. Этот процесс носит название лавинного усиления или умножения первичного фототока.

Коэффициент умножения обычно составляет несколько десятков и поэтому токовая чувствительность ЛФД значительно выше токовой чувствительности PIN ФД (токовая чувствительность – отношение величины фототока к суммарной мощности оптического сигнала).

ЛФД имеют высокое быстродействие, но случайная природа лавинного тока создает значительный шум. При выборе фотоприемника для ВОЛС необходимо руководствоваться задачей минимизации мощности принимаемого излучения, требуемого для получения заданного коэфициента ошибок. ЛФД в этом смысле имеют преимущества перед PIN ФД. Но они обладают рядом недостатков по сравнению с PIN ФД. Основным недостатком ЛФД являются более высокое рабочее напряжение питания по сравнению с PIN ФД и довольно сильная зависимость коэфициента умножения от температуры. Это требует использования отдельных специальных эл цепей питания, а текже системы термостабилизации. Другими недостатками являются меньшая надежность и относительно высокая стоимость. Поэтому в ВОЛС более широко используются PIN ФД.