6.7. p-i-n-фотодіоди
6.7.1. принципи дії
Фотодіоди перетворять світлові сигнали прямо в електричні. використовуючи обрат-лий ін порівнянні зі світлодіодами фізичний процес. В p-i-n-фотодіоді є широкий внутрішній (i-) напівпровідниковий шар, що розділяє зони р- і n-типу, як показано на рис. 6.9. На діод подається зворотне зміщення (5-20 вольт), це допомагає утримувати лосітелі заряду від внутрішньої області.
Мал. 6.9. p-i-n-фотодіод
Ширина внутрішнього шару гарантує, що висока ймовірність поглинання входять фотонів саме цим шаром, а не областями р- або n-типу. Внутрішній шар має високий опір, оскільки в ньому немає вільних носіїв заряду. Це призводить до падіння більшої частини напруги на цей шар, і результуюче електричне поле підвищує швидкість відповіді і знижує шум. Коли промінь світла з відповідною енергією потрапляє на внутрішній шар, він створює пару електрон - дірка, піднімаючи електрон з валентної зони в зону провідності і залишаючи на його місці дірку. Напруга зсуву змушує ці носії заряду (електрони в зоні провідності) швидко зміщуватися з перехідною зони, створюючи струм, пропорційний падаючому світлу, як показано на рис. 6.9.
6.7.2. робочі параметри
Довжина хвилі відсічення
У вхідного фотона має бути достатньо енергії для підйому електрона через заборонену зону і створення пари електрон - дірка. У різних напівпровідникових матеріалів ширина забороненої зони різна, енергетичний бар'єр в електрон-вольтах (еВ) може бути пов'язаний з довжиною хвилі (# 955;) за допомогою того ж самого рівняння, як для світлодіодів.
Для конкретного типу детектора енергетичний бар'єр W є величина постійна, тому вищенаведена формула дає максимальну довжину хвилі, яка може бути зафіксована, тобто довжину хвилі відсічення.
чутливість
Чутливість ρ є відношення вихідного струму (i) детектора до вхідної оптичної -потужності (Р).
Для 800 нм чутливість кремнію близько 0,5 А / Вт, а пікова чутливість InGaAs близько 1,1 А / Вт для 1700 нм, знижуючись до 0,77 А / Вт для 1300 нм.
спектральна характеристика
Спектральна характеристика показує зміну чутливості в залежності від довжини хвилі. Типові криві спектральної характеристики для кремнієвих і InGaAs p-i-n-діодів показані на рис. 6.10.
квантова ефективність
Квантова ефективність випромінювача визначається як відношення числа виділених електронів до числа падаючих фотонів. У кремнію і InGaAs пікова квантова ефективність близько 80%.
Мал. 6.10. Спектральні характеристики p-i-n-діодів
швидкість відповіді
Швидкість відповіді детектора обмежена часом проходу, яке є часом подолання вільними зарядами ширини внутрішнього шару. Це функція напруги зворотного зміщення і фізичної ширини. Для швидких p-i-n-діодів вона коливається від 1,5 до 10 нс. Ємність також впливає на відповідь пристрою, причому ємність переходу утворює ізолюючим внутрішнім шаром між електродами, освіченими p- і n-областями. У високошвидкісних фотодіодів час відповіді може досягати 10 пикосекунд при ємності в кілька пикофарад з дуже маленькими площами поверхонь.
вольтамперная характеристика
Типові вольтамперні (I-U) криві для кремнієвого p-i-n-фотодіода показу, на рис. 6.11. Можна бачити, що навіть коли немає оптичної потужності, тече невеликий зворотний струм, який називається темновим струмом (dark current). Він викликається температурним утворенням вільних носіїв зарядів, зазвичай подвоюючись через кожні 10 ° С приросту температури після 25 ° С.
динамічний діапазон
Лінійна залежність між напругою і оптичної потужністю, показана на рис. 6.11 зберігається зазвичай протягом близько шести десятків, даючи динамічний діапазон близько 50 дБ.
Мал. 6.11. Вольтамперні характеристики кремнієвого p-i-n-фотодіода
6.7.3. Конструкція p-i-n-фотодіодів
Конструкція p-i-n-фотодіодів подібна використовувалася для світлодіодів і лазерів, але оптичні вимоги менш критичні. Активна область детекторів зазвичай набагато більше, ніж сердечник волокна, тому поперечне вирівнювання не створює проблем.