Лекция №8. Тема: Приёмники оптических сигналов. План

Фотодиоды на р-n переходе. Принцип работы фотодиода заключается в том, что падающий на поверхность обратно смешанного р-n перехода свет, при условии, когда hv>∆W₃.₃., поглощаясь, генерируют электронно-дырочные пары, которые разделяются встроенным полем этого перехода образуют дополнительно к темновому току фототок, направленный в том же направлении, что и последний (рис. 8.4). Таким образом, возникает возможность формирования электрического сигнала в соответствии с оптическим сигналом на входе фотодиода.
При этом возможны три варианта поглощения фотонов, сопровождающиеся рождением элктронно-дырочных пар:
1. Поглощение в обедненной области;
2. Поглощение в р-области;
3. Поглощение в n-области.

Рис. 8.4. Принцип работы полупроводникового фотодиода.

В первом случае электронно-дырочная пара рождается в обедненной области и под действием сильного электрического поля пары разделяются, и начинают двигатся на свои электроды, т.е. электроны к n-области, дырки к р-области. Образование и движение носителей нарушают установившееся в структуре равновесие. Для его восстановления через замкнутую цепь с резистором нагрузки R_н-протекает импульс тока.
Во втором и третьем случаях электонно-дырочная пара рождается в р-и n-областях, где поле практически отсутствует, вследствие чего движение носителей к переходу возможно в основном только за счет диффузии. Если расстояние до p-n-перехода больше диффузионной длины, то возникшая пара прорекомбинирует, не успев дойти до обедненной области. Если же это расстояние меньше, то с большой вероятностью пара достигнет обедненной облати с сильным полем, под действием которого электрон (или дырка) быстро движется через обедненную зону к другой области, а дырка (или электрон) останется в p-(или n-) области. При пересечении носителями p-n-перехода также нарушается равновесие, вследствие чего возникает электрический ток, протекающий через R_н.
Таким образом, в результате поглащения кванта с энергией h· по внешней цепи диода протекает импульс тока. Если каждый поглащенный квант рождает электонно-дырочную пару и носители тока пересекают плоскость p-n-перехода, то средний ток I протекающий через R_н определяется:
I=q·N=q (P/ h) , (8.1)
здесь q- заряд электронного носител, q=1,6  10^-19 Кл;
N-число носителей;
P-мощность оптического излучения, Вт;
h-энергия кванта, измеряется на Втч или кВтчасах.
Для образования электронго-дырочной пары h энергия поглащаемого кванта должша быть достаточной дла перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости, т.е. должно выполняться условие h ≥ Е_q.
Не все поглащаемые кванты образуют импульсы тока. Поэтому ФД оцениваются коэффициентом η-квантовой эффективности, характеризующий эффективность преобразования фотонов в электрический ток [4]. Формула определяющая квантовую эффективность:

η =1,2410⁵ S/ , %, (8.2)

здесь S-чувствительност, А/Вт;
-длина волны оптического сигнала, нм.
В общем случае средний ток, протекающий через R_н определяется:
I= η q (P/hf)=SP. (8.3)
Квантовая эффективность высококачественного кремневого ФД можно достигнут до 80 %. Но невозможно достигать 100% эффективность [6]. В таблице 9.1 приведены длины волны, при котором полупроводниковые материалы ФД достигают максимум квантовой эффективности [1].
Таблица 8.1
Элементы ва материалы используемые для изготовления ФД разных длин волн

Материал	Диапазон длин волн , нм
Кремний Германий GaAs lnGaAs lnGaAsP*	400-1000 600-1600 800-1000 1000-1700 1100-1600

*-зависит от добавления примесей, от степени легирования
На рис. 8.5 представлена зависимость квантовой эффективности от длины волны [1].


Рис. 8.5. Зависимость квантовой эффективности от длины волны для разных материалов.
Наряду с квантовой эффективностью чувствительность и постоянная времени являются основными характеристиками ФД.