Реферат: Детекторы светового излучения

ГЛАВА 5 ДЕТЕКТОРЫ СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ


5.1. Введение


В этой главе мы опишем конструкцию, работу и характеристики приемни­ков светового излучения, или, как их обычно называют, детекторов свето­вого излучения (детекторов света). Источники светового излучения, с кото­рыми мы работаем, сделали для нас привычными такие параметры, как выходная мощность в мВт или дБм и полоса частот в Гц. В этой главе язык и терминология, такая как чувствительность отклика, темновой ток и экви­валентная шумовая мощность, будут новыми для многих наших читателей.

Детектор света есть не что иное, как счетчик фотонов, преобразующий энергию падающего света в электрическую энергию. В общем случае в этой главе мы будем иметь дело с двумя основными типами детекторов света: PIN-диодами и лавинными фотодиодами (APD). Термин PIN происходит от сокращенного названия п/п структуры этого устройства, где п/п материал с собственной (I) проводимостью используется между р-п переходом этого диода. Прежде чем вернуться к обсуждению детекторов света, дадим ряд определений тех терминов, которые будут использоваться в этой главе, а многие - и до конца книги. Ряд терминов взят из физики твердого тела.


5.2. Определения


Фотопроводящий детектор — детектор фотонов (с внутренним фотоэффек­том), демонстрирующий повышенную проводимость при падении лучистой энергии (он называется также фоторезистором).

Фотогальванический детектор — детектор фотонов с р-п или p-i-n пере­ходом, преобразующий лучистую энергию непосредственно в электричес­кую; он называется также фотодиодом.

Отношение сигнал/шум (D*) — относительная мера чувствительности, используемая для сравнения детектирующей способности различных детек­торов. D* — отношение сигнал/шум, измеренное на определенной электри­ческой частоте в полосе 1 Гц, когда лучистая энергия падает на активную область детектора.

Чувствительность отклика — величина, определяющая выходной сиг­нал, падающей на детектор. Эта величина, полученная в области максимума спектральной характеристики, называется пиковой чувствительностью от­клика. Она является функцией активной области детектора, длины волны (сигнала излучения) и параметров цепи.

Эквивалентная шумовая мощность (NEP) - количество лучистой энергии сигнала, падающего на активную область детектора, требуемое для получе­ния единичного отношения сигнал/шум. Она указывает на минимальный уровень детектируемого излучения; чем ниже уровень NEP, тем лучше ха­рактеристики детектора.

Удельное сопротивление — сопротивление квадратного тонкопленочного детектора (длина L и ширина W которого одинаковы). L — расстояние меж­ду электродами, W — длина активной области детектора. Удельное сопро­тивление является функцией детекторного элемента и уровня энергетичес­кой освещенности.

СКВ напряжение или ток сигнала — электрический выход (напряжения или тока), который когерентен с монохроматическим (или обладающим свой­ствами излучения абсолютно черного тела) входным сигналом лучистой энер­гии. Он является функцией электрической частоты, мощности, спектраль­ных характеристик, рабочей температуры и других параметров цепи, таких как сопротивление нагрузки и напряжение смещения.

СКВ напряжение или ток шума — электрический выход (напряжения или тока), который некогерентен с входным сигналом лучистой энергии, обыч­но измеряется в отсутствие сигнала излучения, падающего на детекторный элемент, и имеет отношение к области детектора. Он является функцией частотной характеристики, эквивалентной шумовой полосы, рабочей тем­пературы и других параметров цепи, таких как сопротивление нагрузки и, в некоторых случаях, телесного угла детектора и фоновой температуры.

Темповое сопротивление - отношение напряжения постоянного тока на детекторе к постоянному току через него, при условии, что излучение не падает на детектор.

Темповой ток — ток, измеренный в цепи детектора в рабочем режиме, при условии, что излучение не падает на детекторный элемент. Для хороше­го фотодиода темновой ток должен быть < 10 нА [5.1].

Напряжение смешения — напряжение, приложенное к цепи детектора, обыч­но напряжение постоянного тока. Иногда это напряжение называется опти­мальным смещением, для тех значений, что дают оптимальное отношение сиг­нал/шум, и максимальным смещением, для тех значений, что дают максимальное напряжение выходному сигналу. Иногда оно называется обратным смещением, когда оно приложено кр-п переходу кристалла детектора в обратном направле­нии, для увеличения скорости или отклика, или для увеличения отклика в области длинных волн.

Фоновая температура — эффективная температура всех источников ра­диации, наблюдаемых детектором, исключая сигнал источника.

Спектральная характеристика — в большинстве случаев она показана как зависимость вида , обычно представлена кривой, показывающей зависимость уровня сигнала от длины волны падающей лучистой энергии.

Сопротивление нагрузки — элемент сопротивления, включенный последо­вательно с детекторным элементом и напряжением смещения; как правило согласован с темновым сопротивлением детектора.

Напряжение разомкнутой цепи — напряжение постоянного тока, генери­руемое фотогальваническим детектором, при включении на нагрузку с вы­соким импедансом.

Постоянная времени - измерение скорости отклика детектора при усло­вии, что на детектор подана последовательность прямоугольных импульсов излучения. Постоянная времени нарастания — время, необходимое для на­пряжения сигнала достичь уровня, равного 0,63 от его асимптотического значения. Постоянная времени спада — время, необходимое для напряжения сигнала снизится до уровня, равного 0,37 от его асимптотического значе­ния. Оно может быть измерено путем определения такой частоты прерыва­ния (светового потока), при которой уровень сигнала достигнет 0,707 от максимального значения.

Время нарастания и время спада — время (в сек), необходимое отклику сигнала увеличить амплитуду сигнала от 10 до 90% или уменьшить ее от 90 до 10% от максимально зафиксированного значения сигнала. Это происхо­дит тогда, когда на вход детектора подан сигнал лучистой энергии.

Длина волны отсечки — точка со стороны длинных волн, в которой чув­ствительность отклика детектора падает до определенной величины (в %) от пиковой чувствительности отклика (обычно до 20 или 50% пиковой чув­ствительности отклика).

Все вышеприведенные определения были взяты из издания «1998 New England Photoconductor» на Web-сайте www.netcorp.ici.net, см. [5.2].

Коэффициент шума (F или f) — f = S/Nin/S/Nout для оцениваемого устрой­ства, где f — безразмерное число. Коэффициент шума часто дается в дБ и определяется из формулы FdB = 10 log(f).

Квантовый предел — граница того, что предельно достижимо для опреде­ленной линии связи. Обычно устанавливается в терминах минимального числа фотонов на бит, позволяющего детектору света достичь заданного уровня ВЕR при использовании определенного формата модуляции и типа приемника.

Шум Джонсона - тепловой шум, см. [5.1].


Важные постоянные

Джоуль: 1 Дж = 1 Втс, [5.3]

Заряд электрона (q): 1,610-19 (Кл)

Постоянная Больцмана: 1,3810-23 (Дж/°К), [5.4], или -228,6 дБВт, или -198,6 дБм [5.5].

Постоянная Планка: (h) 6,62610-34 (Джс), [5.3]

Используя постоянную Планка, можно получить следующую формулу, справедливую для диапазона 1500 нм:

1 мВт = 7,51015 фотонов/с,

(из работы [5.6], с. 270, формула (5.1)).


^ 5.3. Необходимые соотношения


Наиболее часто для ВОСП используются PIN-фотодиоды и лавинные фото­диоды (APD).

Фотодиод может быть рассмотрен как счетчик фотонов. Энергия фотона Е зависит от частоты и определяется формулой:

E = hv, (5.1)

где h — постоянная Планка (см. выше), a v — частота в Гц. Е — измеряется в Втс или кВтчас.

Принятая мощность в оптической области может быть измерена путем подсчета числа фотонов, принятых детектором света в секунду. Мощность в Вт можно затем получить, умножая это число на энергию фотона из форму­лы (5.1). См. также соотношения, данные в конце разд. 5.2 для конвертиро­вания мВт в фотоны/с.

Квантовая эффективность — эффективность преобразования оптической мощности в электрическую, выраженная в %, определяется квантовой эф­фективностью фотодиода , которая является мерой среднего числа элект­ронов, освобожденных каждым падающим фотоном. Чувствительность фо­тодиода также может быть выражена в практических единицах: амперах фотодиодного тока на ватт падающего освещения:

(5.2)

где ^ R — чувствительность отклика в амперах на ватт (А/Вт), а  — длина волны светового сигнала в нм.

При работе в идеальных условиях отражения, кристаллической структу­ры и внутреннего сопротивления, оптимально спроектированные высоко­качественные кремниевые фотодиоды способны достичь квантовой эффек­тивности порядка 80%. Квантовая эффективность в 100% - недостижима.

Источник: Web-сайт www.west.net/centro/tech2.htm (см. [5.7]).

Для инженера ВОСП чувствительность отклика более важный параметр при работе с фотодиодными детекторами. Чувствительность отклика выра­жается в А/Вт или в В/Вт и иногда называется просто чувствительностью. Чувствительность отклика является отношением среднеквадратического (СКВ) значения выходного тока или напряжения фотодетектора к среднеквадратическому (СКВ) значению электрической мощности.

Другими словами, чувствительность отклика является мерой электричес­кой мощности, которую мы можем ожидать на выходе фотодиода, отданной определенной, падающей на вход, световой мощностью сигнала. Для фото­диода чувствительность отклика R связана с длиной волны светового потока  и квантовой эффективностью , той частью падающих фотонов, которые производят пары электрон-дырка. Следовательно,

(A/Вт) (5.3)

где  — измеряется в нм.

Чувствительность отклика может быть также связана с зарядом электро­на q следующим выражением:

(5.4)

где hv — энергия фотона, см. (5.1), а q - заряд электрона, 1,610-19 (Кл).

Эквивалентная шумовая мощность (NEP) — является минимальной детекти­руемой световой мощностью фотодиода. Эта минимальная падающая на фотодиод мощность, требуемая для генерации фототока, равного полному шумовому току фотодиода, определяется как эквивалентная шумовая мощ­ность. NEP вычисляется из следующего соотношения:

NEP = шумовой ток (А)/чувствительность отклика (А/Вт). (5.5)

NEP зависит от полосы пропускания измерительной системы. Для устра­нения этой зависимости, величина NEP делится на квадратный корень из полосы пропускания. Это дает величину NEP в единицах Вт/Гц-1/2. Учиты­вая, что преобразование фотодиодом световой мощности в ток, зависит от длины волны излучения, мощность NEP приводится с указанием определен­ной длины волны. Как и чувствительность отклика, NEP является нелиней­ной функцией диапазона длин волн.

Шум. Прежде чем мы окунемся в мир шума, давайте примем в качестве утверждения, что фототек Ip — прямо пропорционален падающей оптичес­кой мощности Pin. Это можно выразить следующим образом:

(5.6)

где R — чувствительность отклика (см. выражение (5.3)).

Существуют два основных механизма шума, с которыми мы имеем дело при анализе APD и PIN-диодов (детекторов света), а именно:

1. Дробовой шум.

2. Тепловой шум (называемый в некоторых текстах также шумом Джон­сона).

Выражение (5.6) не учитывает наличия шума в системе. Ясно, что в лю­бой схеме есть шумы. В случае с детекторами света шум может быть вызван флуктуацией тока, влияющей на характеристики приемника. Однако выра­жение (5.6) остается справедливым, если рассматривать ток Ip как среднее значение тока.

В работе [5.1] приведено следующее выражение для расчета дробового шума ():

(5.7)

где q — заряд электрона, Id — шум темнового тока, — полоса частот приемника.

Из выражения (5.7) можно получить соотношение для вычисления тока дробового шума (Is):

(5.8)

где Id — утечка теплового тока (А) [5.7].

Тепловой шум вносит свой вклад за счет шунтирующего, последователь­ного и нагрузочного сопротивлений. Тепловой шум It может быть вычислен с помощью следующего выражения:

(5.9)

где k — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура в °К, Resсопротивление (которое вносит вклад в тепловой шум) в Ом, — полоса частот [5.7].

В книге [5.1] приведено следующее выражение для вычисления теплово­го шума (в обозначениях оригинала)

(5.10)

где — тепловой шум в Вт/Гц, fn - коэффициент, благодаря которому тепловой шум позволяет учесть вклад RL — сопротивления нагрузочного ре­зистора и различных сопротивлений в предусилителе и основном усилите­ле, kB — постоянная Больцмана.

Отношение сигнал/шум (S/N или SNR). Ниже мы рассмотрим только SNR в PIN-диодах. Для любого устройства

SNR = средняя мощность сигнала / мощность шума (5.11)

Известно, что электрическая мощность зависит от квадрата тока. Из выражения (5.6) можно получить . Эта величина может быть ис­пользована в качестве числителя в (5.11). Комбинируя выражения (5.7) и (5.10), можно сформировать знаменатель (5.11). В результате окончательно получим:

(5.12)

где — чувствительность отклика для PIN-диода.

В большинстве случаев влияние теплового шума доминирует в характе­ристике приемника, когда он имеет много большее значение, чем дробовой шум. В этом случае, исключив член, ответственный за дробовой шум, из выражения (5.12), получим отношение SNR, зависящее только от теплового шума, в виде:

(5.13)

Время отклика. Как мы знаем, современные ВОСП передают информацию путем представления двоичной 1 в виде наличия светового импульса, а дво­ичный 0 в виде его отсутствия (отсутствие импульса не означает отсутствия тока, ЛД имеют смещение, поэтому и при логическом 0 имеют небольшой ток). Исключительно важными параметрами в этом процессе являются вре­мя нарастания и время спада импульса (см. рис. 4.8). Время нарастания опре­деляет максимально допустимую для данного устройства скорость передачи. Время нарастания можно оценить по следующей формуле:

(5.14)

где — переходное время, а - постоянная времени эквивалентной RC-цепи.

Так как в выражении используется постоянная времени RC, важное вли­яние оказывает и соответствующая емкость устройства. Внутренняя емкость обратно пропорциональна толщине обедненного слоя [5.6]. Конструкторы фотодиодов обычно стараются сделать обедненный слой как можно шире, для максимизации квантовой эффективности, но это увеличивает переход­ное время, необходимое носителям для прохода через этот слой. Если носи­тели в обедненном слое находятся под действием поля напряженностью в несколько киловольт, их максимальная скорость составляет около 8106 см/с для электронов и вдвое меньше - для дырок. Типичный PIN-диод имеет ширину обедненной зоны порядка 20 мкм. Ее вклад в величину по­стоянной времени при условии конечной подвижности носителей - 0,2 нc (см. [5.6]).

При скоростях порядка 1 Гбит/с, могут генерироваться паразитные элек­трические составляющие, влияющие на постоянную времени RC, что огра­ничивает максимально поддерживаемую скорость передачи.

Числовые значения и зависят от конструкции детектора и могут ме­няться в широких пределах. Ширина полосы (определяющая скорость переда­чи) следующим образом зависит от этих двух параметров [5.1]:

(5.15)

Следует заметить, что установка напряжения смещения влияет на время нарастания. Чем выше напряжение, тем меньше время нарастания. Для хо­рошего фотодиода время нарастания должно находиться в диапазоне деся­тых долей наносекунды. В зависимости от конструкции оно составляет око­ло 0,2-1 нc для кремниевых фотодиодов и 0,04-0,5 нc для хорошо спроектированных фотодетекторов типа InGaAs.


5.4. PIN-фотодиоды


Существуют несколько типов фотодетекторов, которые могут быть исполь­зованы в качестве приемников света в ВОСП. Однако только два из них наиболее привлекательны для проектировщиков ВОСП. Это кремниевые PIN-диоды и InGaAs PIN-диоды. На рис. 5.1(а) показана кривая чувстви­тельности отклика в зависимости от длины волны для кремниевого фотоди­ода, а на рис. 5.1(б) — кривая чувствительности отклика в зависимости от длины волны для фотодиода типа InGaAs. Из рисунков видно, что кремниевые фотодиоды могут использоваться в приложениях, работающих в диа­пазоне коротких длин волн (850 нм), тогда как фотодиоды типа InGaAs - в приложениях, работающих в диапазонах длинных волн 1310 и 1550 нм.




Рис. 5.1(а). Зависимость чувствительности отклика от длины волны для кремни­евых фотодиодов. (С разрешения компании Silicon Sensors, см. [5.9])




Рис. 5.1(б). Зависимость чувствительности отклика от длины волны для фотоди­одов типа InGaAs. (С разрешения компании Silicon Sensors, см. [5.8])


5.4.1. Конструкция детектора на основе кремниевого фотодиода

Кремниевые фотодиоды производятся по технологии, аналогичной техно­логии ИС в том, что они выращиваются на одной кремниевой пластине. Кремниевый фотодиод, однако, требует кремний более высокой чистоты, так как чистота определяет его удельное сопротивление (величину обратную удельной проводимости, измеряется в единицах Сименс/см, об этом пара­метре см. [5.3]). Чем выше степень очистки кремния, тем выше удельное сопротивление фотодиода.




Рис. 5.2. Поперечное сечение кремниевого фотодиода. (Взято из материала на Web-сайте [5.7]).


На рис. 5.2 показано поперечное сечение кремниевого фотодиода. Основным материалом является кремний п-типа. Существует также тонкий слой р-типа на фронтальной поверхности прибора. Его формирование осу­ществляется путем тепловой диффузии или ионной имплантации соответ­ствующего легирующего материала. Таким материалом обычно является бор. р-п переход является интерфейсом между слоем р-типа и кремнием п-типа. Существует небольшой металлический контакт, нанесенный на фронталь­ную поверхность фотодиода. Вся обратная сторона фотодиода покрыта ме­таллом, используемым в качестве контакта. В привычных «диодных» терми­нах фронтальный контакт - это анод, а контакт с обратной стороны - катод. Активная область фотодиода покрывается либо нитридом кремния, диокси­дом кремния, либо монооксидом кремния и служит антиотражающим по­крытием. Толщина этого покрытия оптимизируется под определенную по­лосу длин волн.

Фотодиодные переходы, по сравнению с обычными р-п переходами, нео­бычны тем, что верхний слой р-типа очень тонок. Существует соотношение между толщиной этого слоя и рабочей длиной волны, детектируемой при­бором. Кремний имеет обедненный слой электрических зарядов вблизи р-п перехода. Прикладывая обратное напряжение смещения на такой переход, можно изменять глубину обедненного слоя. Говорят, что диод полностью обеднен, если обедненный слой достиг обратной стороны диода. Обеднен­ный слой особенно важен для характеристик фотодиода благодаря тому, что в он большой степени определяет чувствительность к световому излучению.

Мы уже отмечали, что емкость р-п перехода зависит от толщины изменя­емого обедненного слоя. Напряжение смещения управляет толщиной этого слоя. С увеличением степени обеднения эта емкость уменьшается до тех пор, пока не будет достигнуто состояние полного обеднения. На рис. 5.3 показана зависимость емкости от напряжения смещения для диодов раз­личной площади.




Рис. 5.3. Зависимость емкости кремниевого фотодиода от его площади и на­пряжения смещения. (Взято из материала «A Primer on Photodiode Technology» на Web-сайте, см. [5.7])


Пары электрон-дырка формируются, когда свет поглощается в активной области. В ней электроны отделяются и проходят в область п-типа, а дырки - в область р-типа. Это приводит к возникновению тока, генерируемого падающим светом. Такая миграция электронов и дырок в области их пред­почтения называется фотогальваническим эффектом.

Генерируемый ток, обычно определяемый как ток короткого замыкания, линейно зависит от света, излучаемого на активную область. Этот ток может изменяться в достаточно широком диапазоне, по крайней мере на 7 поряд­ков. Амплитуда такого тока обозначается как Isc. Он мало меняется под дей­ствием температуры - меньше 0,2% на градус Цельсия для видимого света.

Определение полярности напряжения двух выводов фотодиода: анода и катода основана на том, что существует малое прямое сопротивление (при положительном аноде) и большое обратное сопротивление (при отрицатель­ном аноде). Как правило кремниевый диод имеет отрицательное смещение на активной области, которая является анодом, или положительное смеще­ние на обратной стороне диода, которая является катодом. В условиях нуле­вого смещения и при фотогальваническом режиме работы генерируемый ток или напряжение соответствуют прямому включению диода. Следова­тельно, генерируемая полярность противоположна той, что требуется в ре­жиме смещения.


5.4.2. Обзор фотодиодных детекторов на основе InGaAs

На рис. 5.4 приведена обобщенная схема PIN-фотодиода на основе InGaAs. Этот тип диодов используется как фотодетектор для больших длин волн (в диапазонах 1310 и 1550 нм).

Из рис. 5.4 видно, что слои состоят из материала InP для р-слоя, матери­ала InGaAs для i-слоя и материала InP для n-слоя. Так как ширина запре­щенной зоны для InP равна 1,35 эВ, InP прозрачен для света с длиной вол­ны больше 0,92 мкм. В отличие от этого, ширина запрещенной зоны для i-слоя, состоящего из материала InGaAs, равна 0,75 эВ. Эта величина соответствует длине волны отсечки 1650 нм. Следовательно, средний слой из материала InGaAs, поглощает длины волн в области 1300-1600 нм. Это пример гетеро- структурного фотодиода (используемого в качестве детектора), который пол­ностью устраняет его диффузную компоненту, так как фотоны поглощают­ся только в обедненном слое. Этот тип PIN-диодов имеет очень хорошие характеристики во втором и третьем окнах прозрачности. Так, можно ожи­дать от них значений чувствительности отклика на уровне 0,6 — 0,9 А/Вт и квантовой эффективности на уровне 60-70%.




Рис. 5.4. Обобщенная схема PIN-диодного детектора на основе InGaAs. (a) вход с фронта; (б) вход с подложки (с тыла). (С разрешения 1TU, см. [5.10], рис. 3.18, с. 52)


5.4.3. Лавинные фотодиоды (APD)

Фотодиод типа APD представляет из себя PIN-диод с усилением. На рис. 5.5 схематически представлено поперечное сечение типичной структуры APD. Из рисунка видно зону поглощения А и зону умножения М. Поперек зоны А приложено электрическое поле Е, которое разделяет фотогенерируемые дыр­ки и электроны и забрасывает один носитель в зону умножения. Эта зона М представляет собой область высокой электрической напряженности, способ­ной обеспечить усиление внутреннему фототоку за счет ударной ионизации. Эта усилительная зона достаточно широка, чтобы обеспечить полезное уси­ление М, порядка 100 (20 дБ) для кремниевых APD и 10-40 для германиевых и InGaAs APD. Кроме того, способность данного поля к умножению носите­лей должна позволить достичь эффективного усиления и при напряженности поля ниже напряжения пробоя для данного диода.




Рис. 5.5. Схема поперечного сечения структуры APD. (С разрешения ITU, см. [5.10])


^ 5.4.3.1. Рабочие параметры APD

Благодаря своему внутреннему усилению фотоэлектрического сигнала, APD отличается от PIN-фотодиодов, которые не имеют усиления.

Ток выходного сигнала / APD дается выражением:

(5.16)

где — внутренняя чувствительность отклика APD при усилении М = 1 и длине волны 1; М - усиление APD и Ps — падающая оптическая мощность.

Усиление ^ М является функцией обратного напряжения VR на APD и меняется с уровнем приложенного напряжения смещения. Вид типичных кривых зависимости усиления от напряжения для кремниевого APD, из­готовленного компанией PerkinElmer, приведен на рис. 5.6.


Рис. 5.6. Типичные кривые усиление-напряжение для кремниевых APD. (Взя­то из руководства «Avalanche Photodiodes: A user Guide» (рис. 2) ком­пании PerkinElmer, см. [5.11])


Спектральный шум является ключевым параметром при выборе APD. Как и другие типы детекторов, APD обычно работает в одном из двух режи­мов: а) детекторный шум ограничен при низких уровнях мощности или б) дробовой шум фотонов ограничен при высоких уровнях мощности. APD работает с обратным смещением. Дробовой шум и ток утечки APD ограни­чивают чувствительность при низких уровнях светового потока. Этот случай отличается от PIN-детектора тем, что ток утечки материала подложки IDBумножается на коэффициент усиления М, характерный для APD. В этом случае общий ток утечки ID равен:

(5.17)

где IDS — ток утечки по поверхности.

Характеристики APD ухудшаются под действием избыточного коэффи­циента шума (F) по сравнению с PIN-диодами. Полный ток спектрального шума для APD, в условиях измерения темнового тока, определяется выра­жением

(5.18)

где q — заряд электрона, а В — ширина полосы частот системы.

При более высоких уровнях сигнала, происходит переход к режиму огра­ниченного дробового шума фотонов, где чувствительность APD ограничена дробовым шумом фотонов, вызванным током, генерируемым оптическим сигналом. Полный APD-шум равен среднеквадратичному значению детекторного шума и сигнального дробового шума в присутствии светового излучения. Полный APD шум может быть оценен следующим выражением:

(5.19)

где ^ F — коэффициент избыточного шума, В — ширина полосы частот систе­мы, М — коэффициент умножения, IDS — ток утечки по поверхности, IDB -ток утечки материала подложки.

В руководстве [5.11] сообщается, что в отсутствии других источников шума, APD может обеспечить отношение сигнал/шум (SNR), которое в F1/2 хуже, чем у PIN-детектора при той же квантовой эффективности. В случае, когда внутреннее усиление APD увеличивает уровень сигнала без значительного увеличения общего шума системы, APD может обеспечить лучшее общее отношение сигнал/шум системы, чем PIN-детектор.

Показатель NEP не может быть использован как единственная мера ха­рактеристики детектора, скорее нужно использовать отношение SNR, вы­численное при определенной длине волны и полосе пропускания, для того чтобы определить оптимальный тип детектора для заданных приложений. Нужно заметить, что оптимум SNR имеет место при таком значении М, при котором полный шум детектора равен входному шуму усилителя или сопро­тивления нагрузки. Для кремниевых APD показатель М изменяется в диапа­зоне от 100 до 1000, а для германиевых и InGaAs APD он изменяется от 30 до 40. Оптимальное усиление зависит частично от коэффициента избыточ­ного шума F детектора APD.


^ 5.4.3.2. Типы APD

Фотодиоды, типа APD, изготавливаются для длин волн, лежащих в диапазо­не от 300 до 1700 нм. Кремниевые APD могут быть использованы для длин волн в диапазоне от 300 до 1100 нм, германиевые APD покрывают область 800-1600 нм, a InGaAs APD - область 900-1700 нм.

InGaAs APD существенно дороже, чем германиевые, и могут иметь зна­чительно более низкий ток, демонстрировать расширенную до 1700 нм спек­тральную характеристику и обеспечивать расширенную в область высоких частот характеристику при той же активной области.


^ 5.4.3.3. APD с разделением процессов поглощения и умножения (SAM APD)

Обычные APD имеют ряд недостатков. Для достижения лавинного умноже­ния (с коэффициентом М) требуется достаточно сильные электрические поля. Ввиду узости запрещенной зоны (для InGaAs - 0,75 эВ), существует боль­шой ток утечки за счет туннельного эффекта, наблюдаемого при электрических полях, уровень которых ниже того, что требуется для достижения достаточного коэффициента умножения в данном материале.

Для решения этих проблем была принята структура ^ APD с разделением процессов поглощения и умножения (SAM APD). При использовании этого подхода, выполнение процессов поглощения и умножения осуществляется в различных слоях APD. В этой структуре реализован также новый слой управления полем. Он состоит из умеренно легированного InP, для того чтобы поддержать низкий уровень электрического поля в слое поглощения InGaAs с одной стороны и высокий уровень электрического поля в слое умножения InP - с другой. Это можно видеть на рис. 5.5 и 5.7.

Более широкая запрещенная зона InP (1,35 эВ) обеспечивает умножение без туннельного эффекта. Такие приборы работают на длинах волн выше 950 нм.

Структура SAM была использована практически во всех промышленно выпускаемых APD, применяемых для длинных секций. Однако, если рас­смотреть детали реализации APD (отвлекаясь от факта использования всеми производителями указанного решения), то окажется, что они существенно отличаются от производителя к производителю. В отличие от PIN-диода, APD типа InGaAs/InP существуют во многих вариантах.

Еще одной проблемой в этом типе APD является торцевой пробой. Ключе­вым моментом в ослаблении торцевого пробоя является снижение интенсив­ности электрического поля в районе торцов этих приборов. Существует мно­жество подходов к решению этой проблемы. Среди них:

- снижение плотности легирования у краев переходов;

- управление полным профилем заряда в слое управления полем;

- управление профилем перехода.

Другой проблемой при проектировании высокоскоростных устройств (> 2,5 Гбит/с) является обеспечение достаточно широкой полосы пропуска­ния. Например, для операций на скорости 10 Мбит/с требуется ширина полосы как минимум 7-8 ГГц, чтобы иметь возможность поддержать работу с большим коэффициентом усиления. Максимальная чувствительность при этом обнаруживается при коэффициенте умножения М порядка 10. Этот коэффициент диктует иметь величину произведения коэффициента усиле­ния на полосу пропускания на уровне 80 ГГц. Толщина эпитаксиального слоя и постоянная времени RC не ограничивает требуемую ширину полосы в 8 ГГц. Если APD не является элементом, ограничивающим ширину поло­сы в приемнике, то усиление оптимизируется по величине чувствительнос­ти (т.е. М ~ 10) и проектировщик может выбрать компромиссное значение низкого усиления при высоком произведении коэффициента усиления на полосу пропускания, в результате чего динамический диапазон приемника будет улучшен. Приемники APD, спроектированные таким образом, могут иметь чувствительность на уровне -26 дБм при величине ВЕR равной 10-10. Эти приемники используют псевдоморфный GaAs транзистор с высокой подвижностью электронов (р-НЕМТ). Характеристики этого приемника демонстрируют улучшение чувствительности на 5-6 дБ по сравнению с характеристиками аналогичного приемника на основе PIN-диода. На рис. 5.7 схематически представлен механизм действия SAM APD.




Рис. 5.7. Схематическое представление механизма действия SAM APD. (С разрешения компании Epitaxx, Inc., см. [5.12])


^ 5.4.3.4. Рабочие параметры APD

Чувствительность отклика и усиление. Усиление APD, как показано на рис. 5.6, изменяется в зависимости от приложенного обратного напряжения. Более того, для большинства APD невозможно провести аккуратные измерения внутренней чувствительности отклика при усилении с ^ М = 1. В резуль­тате, бесполезно ожидать, что производитель укажет типовое усиление и чувствительность при М = 1, для того чтобы охарактеризовать чувствитель­ность отклика диода при заданном рабочем напряжении. Для характеристи­ки отклика APD, его чувствительность отклика определяется в А/Вт при заданном рабочем напряжении. Следует заметить, что благодаря вариациям фактической кривой «усиление-напряжение» для каждого APD, соответству­ющее рабочее напряжение (для заданной чувствительности отклика) также меняется от одного APD к другому. В спецификации, следовательно, дол­жен быть указан диапазон напряжений, внутри которого достигается опре­деленная чувствительность отклика. Чувствительность отклика диода обыч­но указывается в следующем виде (на примере InGaAs APD):

RMIN (1300 нм) = 9,0 А/Вт, VOP = 50-90 В, М = ~10.

Темповой ток и шумовой ток. Из выражения (5.19) можно видеть, что полный ток APD (и соответствующий ему спектральный шумовой ток) име­ет смысл только тогда, когда он определяется при заданном рабочем коэф­фициенте усиления. Эти два параметра должны определяться при оговорен­ных уровнях чувствительности отклика. Используя в качестве примера InGaAs диод, ниже показано, как должны указываться в спецификации темновой ток и спектральный шумовой ток:

ID (R = 9,0 А/Вт) = 10 нА (макс), М ~ 10,

iМ (R = 6,0 А/Вт, 1 МГц, 1 Гц BW) = 0,8 пА/Гц1/2 (макс), М ~ 5.


^ 5.4.3.5. Коэффициент избыточного шума

Благодаря статистической природе лавинного процесса, все APD генерируют избыточный шум. Он обозначается символом F. F1/2 является коэффициен­том, учитывающим превышение, вызванное статистическим шумом в токе APD (который является суммой умноженного тока фототока и умноженного темнового тока материала подложки), по сравнению с тем значением, кото­рое могло бы быть, если бы этот коэффициент учитывал только пуассоновскую статистику дробового шума.

^ F является функцией коэффициента ионизации, вызванной носителями, k, где k, обычно, определяется как отношение вероятности ионизации по типу дырка к вероятности ионизации по типу электрон (k < 1). F может быть вычислен с помощью модели, разработанной Макинтайром (McIntyre) [5.13], которая учитывает статистическую природу лавинного умножения. Соглас­но ей, F можно вычислить так:

(5.20)

Из этого выражения видно, что чем меньше могут быть получены значе­ния k и M, тем меньше будет коэффициент шума F. Переменная kEFF означа­ет эффективное значение коэффициента k для APD. Он может быть изме­рен экспериментально путем сопоставления зависимостей F от усиления, полученных экспериментально и по формуле Макинтайра. Измерения дол­жны быть осуществлены в условиях использования светового воздействия. При известных коэффициентах ионизации и профиля электрического поля для структуры APD, можно теоретически рассчитать значение F.

Коэффициент ионизации k непосредственно связан с электрическим по­лем, приложенным перпендикулярно плоскости структуры APD. Он имеет малые значения для низких электрических полей (для кремниевых APD). Учитывая, что профиль электрического поля зависит от уровня легирования, можно ут­верждать, что коэффициент k также зависит от уровня легирования. Как про­филь электрического поля, пересекаемый фотогенерируемыми носителями, так и носители, возникшие в результате последующей лавинной ионизации, могут меняться в соответствии с глубиной поглощения фотонов, которая в свою оче­редь зависит от структуры APD. Средняя глубина поглощения является функ­цией длины волны для полупроводников с непрямозонной запрещенной зо­ной, к которым относится кремний. Для этих типов полупроводников, коэффициент поглощения медленно меняется в зависимости от длины волны (в области длинных волн). Поэтому значения kEFF и М таких кремниевых APD являются функциями длины волны для некоторых легирующих профилей.

Формула Макинтайра, для k < 0,1 и М > 20, может быть аппроксимиро­вана без большой потери точности:

(5.21)

Некоторые производители APD для вычисления F используют эмпири­ческую зависимость вида:

F= MX, (5.22)

где X определяется на основе логарифмически нормальной линейной апп­роксимации измеренных значений ^ F для заданных значений М. Эта аппрок­симация обеспечивает для многих случаев достаточную точность, особенно для InGaAs и германиевых APD с высоким значением k.

В табл. 5.1 приведены типичные значения k, X и F для кремниевых гер­маниевых и InGaAs APD.


Таблица 5.1

Типовые значения k, Х и F для кремниевых, германиевых и InGaAs APD

^ Тип детектора

Коэффициент ионизации (k)

Множитель

X

Усиление избыточного шума (F)

Коэффициент (М)

Кремниевый

0,02

-

150

4,9

Кремниевый

0,002

-

500

3,0

Германиевый

0,9

0,95

10

9,2

InGaAs

0,45

0,7-0,75

10

8,5


Замечание. Источником данных раздела 5.4.3, включая эту таблицу, является руко­водство в [5.11].

Отношение сигнал/шум для APD. В APD приемниках, используемых на практике, доминирующим является тепловой шум. Следовательно, если в APD тепловой шум много больше дробового шума, то

(5.23)

Если сравнивать приведенное выражение с аналогичным для PIN -диод­ных приемников, то окажется, что оно лучше в М2 раз.


5.4.4. Применение APD

Для низкоскоростных систем (< 622 Мбит/с) использование APD не прино­сит значительного выигрыша по сравн