Волоконно-оптические системы передачи


Приемники оптиче­ского излучения



страница30/39
Дата14.02.2020
Размер0.65 Mb.
Название файлаВОЛОКОННО.docx
ТипЗадача
1   ...   26   27   28   29   30   31   32   33   ...   39
3.7 Приемники оптиче­ского излучения

Фотоприёмники служат для преобразования оптического сигнала в электрический.Их изготавливают обычно из полупроводникового материала. В основе работы фотоприёмников лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения полупроводником фотонов с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочных пар).

При наличии электрического напряжения с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток.

Требования, предъявляемые к фотоприёмникам:

1) высокая чувствительность;

2) требуемые спектральные характеристики и широкополосность;

3) низкий уровень шумов;

4) требуемое быстродействие;

5) длительный срок службы;

6) использование в интегральных микросхемах.

В ВОСП в качестве фотоприёмников получили распространение: p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды.



 

3.7.1 Принцип работы р – i – n фотодиода



 

 

Рисунок 3.30 – Принцип работы р – i – n фотодиода



Для p-i-n фотодиода характерно наличие i-слоя (слаболегированного полупроводника n-типа) между слоями p+ и n+ типа (знак‘+’ означает сильное легирование). i-слой называют обеднённым слоем, поскольку в нём нет свободных носителей. На p-i-n структуру подаётся напряжение с обратным смещением U0 (по сравнению со светоизлучающим диодом).

Сильное легирование крайних слоёв делает их проводящими, и максимальное значение электрического поля создаётся в i-слое. Но поскольку нет свободных носителей в i-слое, нет и электрического тока. При наличии падающего излучения на i-слой в нём образуются свободные электронно-дырочные пары. Они под действием электрического поля быстро разделяются и двигаются в противоположных направлениях к своим электродам (положительно заряженные дырки направляются к минусу источника, а отрицательно заряженные электроны – к плюсу источника), образуя электрический ток. При изготовлении фотодиодов стремятся делать p+ и n+-слои как можно тоньше (не более 0,3 мкм), а обеднённую область достаточно большой протяженности (порядка 40 мкм), чтобы она полностью поглощала весь падающий свет. Однако часть падающего излучения испытывает френелевское отражение от фоточувствительной поверхности из-за скачка показателей преломления на границе между этой поверхностью и средой.

 

Таблица 3.2 – Элементы, используемые для создания фотоприёмников



Материал

Диапазон принимаемых длин волн λ, нм.

Кремний Si

400-1000

Германий Ge

600-1600

GaAs

800-1000

JnGaAs

1000-1700

JnGaAsP

1100-1600

 

Для уменьшения отражения приёмную поверхность обедненного слоя покрывают антиотражающим слоем – специально подобранным прозрачным материалом толщиной около λ/4 и показателем преломления, равным  , где n1 и n2 – показатели преломления i-слоя и воздуха. Данные ФД просты по структуре и сравнительно дёшевы.

 

3.7.2 Принцип работы лавинного фотодиода



 

 

Главным отличием лавинного фотодиода (ЛФД) от обычного фотодиода является внутреннее усиление сигнала, базируемое на лавинном электронном умножении сигнала. Если структура слоёв у обычных ФД имеет вид p+- i -n+, то у ЛФД добавляется дополнительный р-слой. (p+- i - p - n+).



Рисунок 3.31 – Лавинный фотодиод

 

Лавинное умножение достигается за счёт увеличения напряжения смещения до величины близкой к пробойной. Профиль распределения легирующих примесей выбирается так, чтобы наибольшее сопротивление, а следовательно, и наибольшую напряженность электрического поля имел p-слой. При воздействии света на i-слой образуются электронно-дырочные пары. Благодаря электрическому полю происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам. При попадании свободных электронов из i-слоя в p-слой их ускорение становится более ощутимым из-за высокого электрического поля в p-слое. Ускоряясь в зоне проводимости p-слоя, такие электроны накапливают энергию достаточную, чтобы выбить другие электроны из валентной зоны в зону проводимости. При этом возникает явление ударной ионизации. Суть этого явления состоит в том, что носители, проходящие через p-слой, порождают новых носителей, которые в свою очередь так же вызывают порождение очередных носителей. Лавинное умножение носителей (усиление фототока) происходит из-за того что: электроны, достигшие p-слоя, сталкиваются с атомами и выбивают из них вторичные электроны, которые благодаря высокому напряжению ускоряются, снова сталкиваются с атомами, возникают новые электроны и т. д. то есть происходит лавинообразный процесс, в результате которого резко увеличивается число электронов. От одного фотона может образоваться до 1000 электронов



В отличие от фототока у p-i-n фотодиода фототок в ЛФД получается в М раз большим.

Iф ЛФД =М× Iф pin ; (3.5)

где М – коэффициент лавинного умножения (усиления).

Реальная величина усиления для кремниевых ЛФД – 50..100, для германиевых ЛФД – 2…15, для арсенидгалиевых – 10…35. Чувствительность ЛФД в М раз выше токовой чувствительности p-i-n фотодиодов. Коэффициент лавинного умножения М определяется по эмпирической формуле:



 , (3.6)

где U – напряжение внешнего обратного смещения,



 – напряжение пробоя ЛФД, обычно ≈ 100 В, но может достигать в некоторых устройствах нескольких сот вольт,

n – коэффициент преломления, n = 1,5 ÷ 4 для кремния и n = 2,5 ÷ 9 для германия.

Обратное напряжение Uв обычно выбирают равным 0,95*Uпр от напряжения пробоя. Коэффициент лавинного умножения М сильно зависит от температуры.





Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   26   27   28   29   30   31   32   33   ...   39


База данных защищена авторским правом ©genew.ru 2020
обратиться к администрации

    Главная страница
Контрольная работа
Курсовая работа
Лабораторная работа
Рабочая программа
Методические указания
Практическая работа
Методические рекомендации
Теоретические основы
Пояснительная записка
Общая характеристика
Учебное пособие
История развития
Общие сведения
Физическая культура
Теоретические аспекты
Практическое задание
Федеральное государственное
Техническое задание
Теоретическая часть
Направление подготовки
Самостоятельная работа
Дипломная работа
Общие положения
государственное бюджетное
Методическая разработка
Образовательная программа
квалификационная работа
Техническое обслуживание
Технологическая карта
Выпускная квалификационная
учебная программа
Решение задач
История возникновения
Методическое пособие
Краткая характеристика
Исследовательская работа
Рабочая учебная
Общие требования
Общая часть
Основная часть
История создания
Рабочая тетрадь
Метрология стандартизация
Техническая эксплуатация
Название дисциплины
Математическое моделирование
Организация работы
Современное состояние
Экономическая теория
Информационная безопасность
Государственное регулирование