Фотодиоды: устройство, характеристики и принципы работы. Простейший фотодиод

Дробовый шум оценивается дисперсией фототока, то есть отклонением его от среднего значения:
,
где I_ф - среднее значение фототока;
F(М) - функция, учитывающая шум из-за случайного характера умножения в ЛФД (шум-фактор ЛФД);
Δf - полоса частот информационного сигнала (для p-i-n ФД М = 1). Приближенное значение F(М) можно определить из соотношения:

где X зависит от материала ЛФД, например, для кремния X = 0,3...0,5; для германия X = 1:
Фоновый шум, возникающий при случайной засветке фотодиода, оценивается аналогично дробовому шуму:

где I_Фон - ток фоновой засветки.
Тепловой шум вызывается случайным тепловым движением электронов в нагрузке фотодетектора

где k - постоянная Больцмана (1,38-10²³ Дж/К);
Т - температура в градусах Кельвина;
Δf - полоса частот сигнала.
Шум темнового тока обусловлен дисперсией темнового тока:

Результирующее действие шумов можно определить, если объединить все источники шумовых токов в один. Тогда:


Рисунок 1.35. Шумовые схемы фотодиода
а) источники шумовых токов;
б) эквивалентная схема объединения всех источников шумовых токов.
Другие характеристики ЛФД, такие как спектральная чувствительность, быстродействие аналогичны ранее рассмотренным характеристикам р-i-n фотодиода.
Достоинства и недостатки ЛФД
Сопоставление ЛФД с p-i-n фотодиодом показывает, что для ЛФД характерен ряд существенных недостатков:
- сложность, уникальность изготовления, высокая стоимость;
- высокие рабочие напряжения (до 400 В), значительная бесполезно расходуемая мощность, работа лишь в режиме усиления малых сигналов и, как следствие, непригодность для встраивания в микросхемы;
- необходимость жесткой стабилизации рабочего напряжения и температуры, затрудняющая широкое использование этих приборов;
- отсутствие конструкций матричного типа на основе ЛФД, отсутствие перспективы создания таких конструкций, что делает ЛФД непригодными для использования в многоканальных устройствах обработки информации.
Вместе с тем уникальное сочетание большого усиления и высокого быстродействия с приемлемым уровнем шумов обусловливает вне конкурентность лавинных фотодиодов, в особенности при их использовании в волоконно-оптических линиях связи.
Для низкоскоростных систем (менее 622 Мбит/с) использование ЛФД не приносит значительного выигрыша по сравнению с p-i-n - диодными приемниками. Однако при более высоких скоростях, таких как 2,5 и 10 Гбит/с, улучшение чувствительности ЛФД приемников может оказаться значительным по сравнению с p-i-n - диодными приемниками.

• Оглавление