Лекции.Орг

Поиск:


Устал с поисками информации? Мы тебе поможем!

Загальні відомості




6.2.1 Фотоефект. Існує два різновиди фотоефекту. Припершому електрони вивільнюються з поверхні металу при поглинанні енергії потоку фотонів. Це явище називається зовнішнім фотоелектричним ефектом. Такі приймачі випромінювання, як вакуумний фотодіод (ФД) і фотоелектричний помножувач (ФЕП), засновані на цьому ефекті. Друга група приймачів випромінювання- НП прилади на основі р-n переходу, у яких при поглинанні фотонів генеруються вільні носії заряду (НЗ): електрони і дірки. Цей механізм називають внутрішнім фотоелектричним ефектом (рис.6.1). На цьому явищі засновані прилади: р-n ФД, р-i-n ФД і лавинний ФД (ЛФД).

Рисунок 6.4 – Явище внутрішнього фотоефекту в НП

 

6.2.2 Напівпровідникові фотодіоди.Фотодіод (ФД) служить для приймання (детектування) і перетворення оптичних сигналів у електричні. Як перетворювач, ФД має оптичний вхід (керуючий ланцюг) і електричний вихід (сигнальний ланцюг), параметри яких повинні бути узгоджені з джерелом випромінювання і оптичною лінією (з одного боку) і з електричним навантаженням, що включає в себе будь-який перетворювач електричних сигналів: підсилювач, модулятор, декодер (з іншого боку). В залежності від типу і режиму детектування ФД може працювати в фотовольтаічному режимі (коли ФД є генератором фотонапруги і струму без зовнішнього джерела живлення) та у фотодіодному режимі (коли ФД є генератором струму, який пропорційний оптичній потужності). Схеми вмикання ФД в фотовольтаічному та фотодіодному режимах наведено на рис.6.2.

Режим роботи ФД зі зворотним зміщенням має назву фотодіодного. У порівнянні з фотовольтаічним, фотодіодний режим забезпечує високу швидкодію, кращу стабільність, великий динамічний діапазон, добру температурну стабільність, більш ширший діапазон спектральної чутливості. Саме цей режим використовується у ВОЛЗ.

а) б)

Рисунок 6.2 – Режими детектування: а) фотовольтаічний, б) фотодіодний.

Головний недолік – наявність темнового струму (ТС), що виникає навіть без випромінювання під дією зворотнього зміщення.

Процес генерації фотоструму і детектування сигналу можна також проілюструвати за допомогою рис.6.3 і еквівалентної схеми ФД, поданої на рис.6.4, де ip – середньоквадратичний струм сигналу (фотосигналу), – струм дробового шуму, Cj– ємність переходу, Rj – опір переходу, Rs – послідовний опір, RL – зовнішній опір навантаження, – струм теплового шуму, Ri – вхідний опір підсилювача.

До ФД в ВОСПІ висуваються наступні вимоги:

– ефективність оптоелектронного перетворення - забезпечення максимальної потужності електричного сигналу на виході при мінімальній оптичній потужності на вході;

– швидкодія, яка необхідна для приймання оптичного сигналу, промодульованого широкосмуговим інформаційним повідомленням ;

– мінімум власних шумів – вимагається для забезпечення високої чутливості (мінімальної потужності випромінювання, яку можна виявити );

– широкий динамічний діапазон оптичних сигналів, що приймаються;

– малі габарити, висока надійність та стабільність параметрів, низька напруга живлення, мала вартість.

Найбільш повно цим вимогам відповідають НП ФД, що працюють на основі явища внутрішнього фотоефекту.

6.2.1Принцип дії НП ФД.Явище фотоефекту засноване на генерації вільних НЗ (електронів і дірок) при поглинанні фотонів випромінювання атомами кристалічної решітки (власний фотоефект) або атомами легуючої домішки (домішковий фотоефект). Механізм приймання світла за допомогою НП структури пояснимо за допомогою найпростішого ФД р-n-типу. На рис.6.4 зображено повздовжний переріз кристала ФД. Шар р-типу відповідає типу провідності активної області. Шар n-типу відповідає типу провідності початкового матеріалу. Формування шару р-типу створює p-n-перехід, який служить для розділення оптично генерованих носіїв заряду. Звичайно шар n-типу для кремнієвого ФД створюється за допомогою селективної дифузії бору, глибина залягання якого складає 1 – 3 мкм, а нейтральна область між p- та n-шарами відома як збіднений шар або область об’ємного заряду. Змінюючи товщину р-шару, n-шару і шару n+-типу з тильної сторони кристала фотодіода, можливо регулювати спектральну і частотну характеристики ФП. Якщо енергія фотона (рис.6.4), що поглинається атомом НП, перевищує ширину його забороненої зони , тобто якщо , то електрон переходить з валентної зони в зону провідності (власне поглинання), або ж з домішкового рівня в зону провідності (домішкове поглинання). В ФД використовуються домішкові НП.

Рисунок 6.3 – Процес генерації фотоструму і детектування сигналу

 

 

Рисунок 6.4 – Схематичне зображення перетину фотодіода: 1 - позитивний електрод (анод); 2 - збіднена область; 3– n- шар; 4 - негативний електрод (катод); 5 - падаюче світло; 6 - короткохвильове оптичне випромінювання; 7 - довгохвильове оптичне випромінювання; 8 - шар ізоляції; 9 - р-шар; 10 – n+- шар.

При надходженні до ФД оптичного сигналу (значного числа фотонів) починається генерація великої кількості вільних носіїв. Вони створюють надлишкову (відносно рівновагової) концентрацію зарядів, що викликає зміну струму (фотоструму) або напруги (фотонапруги) у зовнішньому навантажувальному колі. Потім фотосигнал надходить до підсилювача, який, зазвичай, підключають до ФД. НП ФД мають малі розміри і масу, високу чутливість і швидкодію і здатні працювати при напрузі зворотнього зміщення в кілька Вольт, майже ідеальні для використання у ВОЛЗ.

Розглянемо три різновиди таких приладів: р-n ФД, р-i-n ФД і лавинний ФД. При подачі зворотного зміщення (рис.6.5а) потенційний бар'єр між р- і n- областями збільшується (рис.6.5б). Р-N (p-n) переходом називається область, де існує потенційний бар'єр. Оскільки в області p-n переходу відсутні будь-які вільні заряди, її називають збідненою НЗ областю. Вільні електрони (переважають в n-області) і вільні дірки (переважають в р-області) не можуть подолати потенційний бар'єр, тому струм через перехід не тече. Відсутність вільних НЗ приводить до того, що опір цієї області великий, тому майже вся напруга зовнішнього зміщення прикладена до збідненої області ФД. Отже, напруженість електричного поля в збідненій області висока і мала поза нею.



На рис.6.5 в показано, як сигнальний фотон поглинається у р-п переході після проходження через р-шар. Поглинена енергія дозволяє перевести зв'язаний електрон із валентної зони (ВЗ) крізь заборонену зону (ЗЗ) в зону провідності (ЗП). Електрон тепер вільний і здатний рухатися. Вільна дірка залишається у ВЗ як вакансія електрона. Отже, при поглинанні фотона створюється пара вільних носіїв заряду (електрон і дірка). Електрон переміститься в нижню частину бар'єра, а дірка (чия потенційна енергія протилежна енергії електрона) переміститься у верхню частину бар'єра. Це переміщення зарядів викликає протікання струму через зовнішнє коло. Якщо вільні дірки і електрони рекомбінують (чи досягають краю p-n переходу, де електричне поле мале, НЗ припиняють рух і фотострум стає нульовим. Коли фотон буде поглинений у р- або n-областях по обидва боки від p-n переходу, то виникає пара електрон-дірка, але ці НЗ будуть рухатися повільно через слабке електричне поле, що існує за межами p-n переходу. Більшість НЗ буде повільно рухатись внаслідок дифузії через ФД і прорекомбінує, не досягнувши переходу.

Рисунок 6.5 – ФД p-n-типу: а) схема; б) НП структура; в) зонна діаграма.

 

Ці НЗ роблять незначний внесок у фотострум і знижують відгук ФД. Ясно, що це явище робить p-n ФД малоефективним. НЗ, що створені поблизу від збідненої області, можугь (внаслідок дифузії) наблизитися до неї і досягти p-n переходу завдяки великому електричному полю, що існує в ньому. У зовнішньому колі потече струм, але він буде запізнюватися відносно оптичної потужності, що надходить. Припустимо, що потрібно виміряти час наростання струму р-n ФД, подавши на його вхід "сходинку" оптичної потужності. Деякі з фотонів на початку “сходинки” поглинаються у самому переході і викликають майже негайне протікання фотоструму. Проте, ті фотони початку “сходинки”, що поглинаються поблизу переходу, викличуть протікання струму з деяким запізненням. Поступове збільшення струму, яке досягає максимуму за час τн , відбувається через певний термін після того, як закінчиться перепад вхідної потужності. Час наростання є великим. Типові р-n ФД мають час наростання струму близько кількох мікросекунд, що робить їх непридатними для швидкісних ВОЛЗ. ФД р-i-n-типу вирішує проблему низької чутливості і повільного відгуку.

Цікаво зпівставити НП прилади, що використовуються в якості ДВ і ФП. Для випромінювання світла СД подається пряме зміщення і носії заряду, що інжектовані в область переходу, рекомбінують. Це призводить до утворення фотонів і випромінювання. Коли відбувається приймання світла, все відбувається навпаки. На ФД подають зворотне зміщення і фотони, що надходять, генерують пари електрон-дірка. Це призводить до електричного струму. Можна розробити спеціальний р-n прилад, що буде використовуватися як ДВ, так і як ФП випромінювання.






Дата добавления: 2015-09-20; Мы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 392 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов


Читайте также:

Поиск на сайте:

Рекомендуемый контект:





© 2015-2021 lektsii.org - Контакты - Последнее добавление

Ген: 0.005 с.