Москва, 2007 г.

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Лабораторная работа

Исследование импульсного оптического приемника на лавинном фотодиоде

Утверждено

На заседании кафедры

______________________

Москва, 2007 г.

Цель работы: теоретическое изучение и экспериментальное исследование основных характеристик импульсного оптического приемника на лавинном фотодиоде (ЛФД).

Основные понятия из теории

ЛФД так же, как и обычный фотодиод (ФД), представляет собой ФчП на обратно смещенном p-n – переходе, в котором при поглощении излучения с энергией фотона , где h – постоянная Планка, , f – оптическая частота (Гц), - ширина запрещенной зону полупроводника, происходит генерация электродырочных пар. Неосновные носители диффундируют к p-n – переходу, увлекаются полем области пространственного заряда (ОПЗ) в противоположную область перехода: дырки – в p – область, электроны в n – область. Основные носители в соответствии с принципом нейтральности уходят через контакт во внешнюю цепь.

В отличие от ФД, лавинные фотодиоды работают при напряжениях смещения, близких к пробивным. Усилие фототока в ЛФД достигается благодаря ударно ионизации. В сильных электрических полях () носители заряда, проходя пусть от одного соударения до другого, приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов кристалла и рождения новых электронно-дырочных пар. Лавинный процесс размножения носителей показан на рис. 1, где неосновной носитель-электрон, входящий в область сильного поля, имеет вероятность (на единицу пути) того, что он произведет ионизирующее соударение.

Рис. 1.

После соударения первичны и вторичные электроны продолжают двигаться к n – области, а вторичные дырки – к p – области, создавая другие электронно-дырочные пары с вероятностью . Коэффициенты ударной ионизации и быстро возрастают с увеличением напряженности электрического поля E.

Таким образом, ток Неосновных носителей (фотоносителей и темновых), входящих в область умножения, усиливается и из области умножения вытекает суммарных ток , усиленный в М раз. Величину М называют коэффициентом умножения и определяют как .

Поскольку величина носителей состоит из двух противоположно направленных потоков частиц, соотношение между коэффициентами ударной ионизации которых лежит в пределах , то это уподобляет ее системе с положительной обратной связью со всеми вытекающими отсюда усилительными, частотными и шумовыми свойствами.

На практике величина коэффициента умножения М в ЛФД определяется его эмпирической зависимостью от величины напряжения на области пространственного заряда (ОПЗ) p-n – перехода:

, (1)

где - напряжение пробоя, при котором , обычно ; n – параметр, зависящий от материала полупроводника, геометрии p-n – перехода и типа носителей, вызывающих ударную ионизацию, обычно .

Характерной особенностью ЛФД является, как правило, их малая светочувствительная площадка (диаметр ), что связано с необходимостью обеспечения высокой равномерности умножения при использовании материалов подложки с определенной плотностью дислокаций и малой емкости прибора.

Исходными материалами для изготовления ЛФД могут быть различные полупроводники. Наибольшее распространение получили ЛФД на основе кремния и германия, ширина запрещенной зоны которых составляет соответственно 1, 09 и 0, 65 эВ при комнатной температуре. Поскольку ЛФД работают в области собственного поглощения, то длинноволновая (красная) граница их, определяемая выражением будет составлять: для кремния 1, 1 мкм, для германия 1, 7 мкм, т.е. они являются фотодетекторами видимого и ближнего ИК – диапазона.

Эквивалентная схема лавинного фотодиода на умеренно высоких частотах (рис. 2) содержит источник тока , отображающий как преобразование энергии фотонов Рис. 2

в фототок , так и последующее умножение тока. Величина связана с мощностью падающего излучения Р соотношением

(2)

где q – заряд электрона ; - квантовый выход фотодетектора.

Источник тока включен параллельно внутреннему сопротивлению p-n – перехода (). Последовательное сопротивление представляет собой объемное сопротивление полупроводника и сопротивление подводящих контактов. Емкость С есть барьерная емкость (в условиях, когда инерционностью процесса умножения можно пренебречь) обратно смещенного p-n – перехода. Остальные элементы обусловлены конструкцией корпуса ЛФД: - индуктивность подводящих контактов и - емкость патрона ЛФД. Поскольку величины (Ом) и (нГн) малы, а выходное сопротивление (МОм) велико, то в инженерных расчетах часто пользуются упрощенной эквивалентной схемой ЛФД, представленной на рис. 3.

Апериодическая схема включения лавинного фотодиода (рис. 4) содержит сам диод, источник питания и резистивную нагрузку. Напряжение сигнала на сопротивление нагрузки

(3)

и будет тем больше, чем выше значение нагрузочного сопротивления.

Из-за реакции нагрузки коэффициент умножения фототока меньше, чем коэффициент умножения темнового тока , причем его максимальное значение достигается при и для слабых сигналов будет

, (4)

где .

При дальнейшем увеличении напряжения смещения на ЛФД коэффициент умножения убывает. Таким образом, для достижения больших значений необходимо использовать ЛФД с относительно высокими значениями и малыми значениями , что можно получить выбором соответствующих структур и материалов для ЛФД.

Типовые зависимости фототока от напряжения смещении для различных интенсивностей оптического излучения приведены на рис. 5. максимальные значения коэффициентов умножения для кремниевых ЛФД лежат в пределах , а для германиевых ЛФД из-за больших темновых токов составляют .

Основным источником шума в лавинных фотодиодах являются флуктуации тока, обусловленные процессом лавинного умножения носителей в p-n – переходе. В инженерной практике интенсивность шумов ЛФД характеризуют обычно приближенным выражением

, (5)

где - шумовая полоса пропускания; - ток инжекции в активной области; m – шумовой индекс, величина которого лежит в пределах

.

Поскольку в режиме однородного пробоя мощность сигнала возрастает пропорционально , то величина является мерой «шумливости» процесса умножения. Таким образом, усиление сигнала в ЛФД сопровождается внесением избыточных шумов, уровень которых пропорционален коэффициенту умножения M в степени X. Степень определяется соотношением коэффициентов ударной ионизации электронов и дырок .

Рассмотрим шумовые характеристики импульсного оптического приемника на ЛФД, работающего в режиме однородного пробоя. Будем считать, что за время наблюдения, соответствующее длительности принимаемых импульсов, число термогенерированных носителей, проходящих через слой умножения ЛФД, относительно велико, так что интенсивность шумов тока насыщения можно определять по известной формуле Шоттки

(6)

В этом случае основные соотношения для расчета чувствительности импульсного оптического приемника с ЛФД можно получить из анализа эквивалентной схемы входной части приемника (рис. 6).

Отношения сигнал/шум на выходе приемника

(7)

где - амплитуда импульса сигнального тока, входящего в слой умножения; - темновой ток, входящий в слой умножения; - коэффициент шума усилителя.

Присутствие в (7) членов, растущих с увеличением М и уменьшающихся при росте М, свидетельствует о наличие экстремума функции Q(M). Дифференцируя (7) по М и приравнивая производную к нулю, получаем оптимальное значение коэффициента умножения M_ОПТ, при котором обеспечивается максимальное отношение сигнал/шум:

. (8)

Максимальное отношение сигнал/шум в оптическом приемнике с ЛФД зависит, таким образом, не только от шумовых свойств и режима работы ЛФД, но и от принимаемой мощности излучения, с ростом которой падает. При приеме слабых потоков излучения, когда , оптимальных режим работы ЛФД () определяется только собственными шумами приемного устройства и не зависит от величины принимаемого сигнала. Интенсивность собственных (избыточных) шумов приемного устройства из (7) удобно характеризовать величиной

. (9)

Таким образом, интенсивность собственных шумов приемного устройства на ЛФД, при прочих равных условиях, будет тем меньше, чем больше сопротивление нагрузки ЛФД, и, следовательно, для обеспечения лучшего отношения сигнал/шум на выходе желательно выбирать возможно более высокое нагрузочное сопротивление. Величина R_H практически ограничивается требуемым временем установления входной цепи фотоприемника и выбирается из условия

, (10)

где - суммарная емкость входной цепи.

При приеме коротких световых импульсов величина R_H уменьшается и возрастают тепловые шумы нагрузки и приемника.

Пороговая чувствительность импульсного оптического приемника на ЛФД на основании (7) и (2) определяется выражением

(11)

Таким образом, использование в оптическом приемном устройстве ЛФД оказывается тем более эффективным, чем шире требуемая полоса пропускания (меньше сопротивление нагрузки R_H), выше коэффициент шума усилителя К_Ш и ниже величина темнового тока прибора I_T.

Содержание эксперимента

1. Снять зависимость выходного напряжения и времени установления исследуемого приемника на ЛФД от величины сопротивления нагрузки R_H в режиме М=1.

2. Снять зависимость коэффициента умножения М от величины питающего напряжения при различных сопротивлениях нагрузки ЛФД.

3. Для одного из нагрузочных сопротивлений (по указанию преподавателя) снять зависимость относительно улучшения отношения сигнал/шум В_ЛФД от величины коэффициента умножения М.

4. Вычислить отношение сигнал/шум и значение пороговой чувствительности для указанной преподавателем рабочей точки ЛФД.

5. сравнить результаты экспериментального исследования приемника на ЛФД с результатами проведенных расчетов и дать им объяснение.

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип действия лавинного фотодиода.

2. Дайте определение коэффициента умножения ЛФД. От чего он зависит?

3. Как выглядит эквивалентная схема ЛФД, каково физическое содержание входящих в нее элементов?

4. Объясните зависимость М от уровня принимаемой мощности излучения.

5. Нарисуйте эквивалентную схему входной части фотоприемника с источниками шума и поясните их физический смысл.

6. Что называется пороговой чувствительностью фотоприемника на ЛФД и от чего она зависит?

Литература

1. Радиоприемные устройства/Под ред. А.П. Жуковского – М.: Высшая школа, 1989. С. 299-305.

2. Аксененко М.Д. и др. Микроэлектронные фотоприемные устройства. – М.: Энергоатомиздат, 1984. С. 122-129.

Структурная схема макета