Лавинные фотодиоды: Hamamatsu. Кремниевые фотодиоды

ЛФД (avalanche photodiode (APD)) — это высокочувствительные полупроводниковые приборы, преобразующие свет в электрический сигнал за счёт фотоэффекта. Их можно рассматривать в качестве фотоприёмников, обеспечивающих внутреннее усиление посредством эффекта лавинного умножения. С функциональной точки зрения они являются твердотельными аналогами фото-умножителей. Лавинные фотодиоды обладают большей чувствительностью по сравнению с другими полупроводниковыми фотоприёмниками, что позволяет использовать их для регистрации малых световых мощностей (≲ 1 нВт).

Структура лавинного фотодиода на основе кремния: 1 — омические контакты, 2 — антиотражающее покрытие

Принцип работы

При подаче сильного обратного смещения (близкого к напряжению лавинного пробоя, обычно порядка нескольких сотен вольт для кремниевых приборов), происходит усиление фототока (примерно в 100 раз) за счёт ударной ионизации ( лавинного умножения) генерированных светом носителей заряда. Суть процесса в том, что энергия образовавшегося под действием света электрона увеличивается под действием внешнего приложенного поля и может превысить порог ионизации вещества, так что столкновение такого «горячего» электрона с электроном из валентной зоны может привести к возникновению новой электрон-дырочной пары, носители заряда которой также будут ускоряться полем и могут стать причиной образования всё новых и новых носителей заряда.

Зависимость тока (I) и коэффициента умножения (M) от обратного напряжения (U) на ЛФД.

Применение

Типичное применение ЛФД — лазерные дальномеры и волоконные линии связи. Среди новых применений можно назвать позитронно-эмиссионную томографию и физику элементарных частиц. В настоящее время уже появляются коммерческие образцы массивов лавинных фотодиодов.

Сфера применения и эффективность ЛФД зависят от многих факторов. Наиболее важными являются:

квантовая эффективность, которая показывает, какая доля падающих фотонов приводит к образованию носителей заряда и возникновению тока

суммарный ток утечек, который складывается из темнового тока и шумов.

Лавинные диоды на сверхрешетках

Зонная диаграмма лавинного фотодиода на сверхрешетке.

Причина применения сверхрешеток для построения лавинных фотодиодов заключается в том, что большие различия между коэффициентами ударной ионизации для электронов и дырок приводят к сокращению шумов.

Ещё одно преимущество подобных структур в том, что процесс лавинного размножения более локализован, что также уменьшает помехи. Толщины отдельных слоёв лежат между 100 и 500 Å.

Зонная диаграмма лавинного фотодиода на сверхрешетке.

В физике полупроводников под термином сверхрешётка принято понимать твердотельную структуру, в которой помимо периодического потенциала кристаллической решётки имеется дополнительный потенциал, период которого существенно превышает постоянную решётки.

Лавинный пробой — электрический пробой в диэлектриках и полупроводниках, связанный с тем, что в сильном электрическом поле носители заряда могут приобретать энергию, достаточную для ударной ионизации атомов или молекул материала. В результате каждого такого столкновения возникает пара противоположно заряженных частиц, одна или обе из которых также начинают участвовать в ударной ионизации. По этой причине нарастание числа участвующих в ударной ионизации носителей происходит лавинообразно, отсюда и название пробоя. Явление лавинного пробоя в полупроводниках используется в работе стабилитронов, ЛИЗМОП-структур, лавинно-пролётных диодов, лавинных фотодиодов.

Фотоприемные устройства на основе ЛФД

23 декабря, 2021

Опыт применения фотоэлектронных умножителей в импульсных приемных системах подсказывает, что задачу улучшения порогового потока широкополосных фотоприемных устройств импульсных дальномеров можно решить благодаря применению фотодиодов с внутренним усилением, а именно лавинных фотодиодов.

В обычном фотодиоде при попадании одного фотона в активной области возникает одна электронно-дырочная пара. Неосновные носители либо рекомбинируют, либо протекают через p—n-переход, создавая фототок. В ЛФД носители, проходящие через p—n-переход, приобретают в сильном поле перехода энергию, достаточную для ударной ионизации атомов решетки, и создают дополнительные электронно-дырочные пары, что приводит к увеличению суммарного тока по сравнению с током, входящим в слой объемного заряда p—n-перехода. Так же как и в фотоэлектронных умножителях, степень увеличения фототока в лавинном процессе характеризуется коэффициентом умножения носителей М. При этом коэффициент М сильно зависит от напряжения питания лавинного фотодиода, что накладывает жесткие требования к схеме стабилизации этого напряжения. Кроме того, при применении лавинных фотодиодов требуется термостабилизация (не охлаждение!) схемы питания и управления.

В современных лавинных фотодиодах коэффициент внутреннего усиления может достигать значения 100. Ввиду недетерминированного процесса лавинного увеличения количества электронов для создания фототока возникает генерация избыточно шума.

В лавинных фотодиодах существуют два типа основных шумов: собственный внутренний и дополнительный избыточный, вызванный нестабильностью лавинного пробоя.

Собственный внутренний шум фототока является результатом дробового эффекта в первичном токе, усиленного умножением, и спонтанных флуктуаций коэффициента умножения.

Причиной второго источника шума является неоднородность лавинного пробоя. Поскольку в лавинных фотодиодах шум усиливается интенсивнее, чем сигнал, собственный порог чувствительности лавинного фотодиода хуже, чем у фотодиода в нелавинном режиме. Однако при применении таких фотодиодов в фотоприемных устройствах значительно улучшается чувствительность при приеме слабых световых сигналов. Кроме того, выходной сигнал лавинного фотодиода не требует сверхнизкошумящего внешнего усилителя с большим коэффициентом усиления.

В силу сложной схемотехники и высокого технологического уровня производства лавинные фотодиоды выпускаются, как правило, в составе фотоприемных устройств. Одним из лучших фотоприемных устройств отечественного производства можно назвать устройства на основе кремниевого лавинного фотодиода, представляющее собой интегральную сборку вместе с усилителем, пороговым устройством и преобразователем напряжения производства НИИ «Полюс».

В ассортименте компании «Лазерные компоненты» есть высококачественные лавинные фотодиоды, которые также могут послужить отличным решением для создания готовых фотоприемных устройств.=1/[1-(£//С/пр„бЛ, (6-32)

Где С/проб— напряжение пробоя; V— напряжение на р-и-переходе; т — коэффициент, учи­тывающий вид и тип проводимости полупроводникового материала (т = 1,5…2,0 для крем­ния р-типа; т = 3,4.. .4,0 — для кремния «-типа).

Тогда ВАХ лавинного фотодиода можно представить в виде

/ф = /фо/[1-(С//С/проб)и]. (6-33)

Лавинный процесс происходит очень быстро: инерционность лавинных фотодиодов ха­рактеризуется временами переключения (10~®…10-9) с, а произведение коэффициента уси­ления фототока К, на полосу частот достигает рекордных значений: ~ 10й Гц. Предель­

Но реализуемое значение К< может быть тем больше, чем меньше тепловой обратный ток фотодиода, поэтому при использовании кремния и арсенида галлия достигнуто АГ, и103…Ю4, а для германия его величина обычно не более 10

В режиме лавинного фотоумноже­ния успешно опробованы практически все диодные структуры: р+-п, р-А-п, и-р-/’-р+; барьер Шоттки.

Лавинные фотодиоды перспектив­ны при обнаружении слабых оптиче­ских сигналов. Широкое применение лавинных фотодиодов связано со зна­чительными трудностями. Это обуслов­лено с тем, что в предпробойном ре­жиме коэффициент усиления фототока К, резко зависит от напряжения. По­этому лавинные диоды нуждаются в жесткой стабилизации рабочего на­пряжения путем термостатирования. Лавинным фотодиодам присущ боль­шой разброс параметров у отдельных образцов (табл. 6.2). В таблице Тб — постоянная времени, характеризую­щая быстродействие диода.

Рис. 6.13. Лавинный фотодиод: Высокие рабочие напряжения, низ-

А-структура; б-распределение поля в структуре; кий преобразования затрудняют 1 — область сильного поля; г г

Приобретаем- купить осциллограф, тепловизоры, источники питания

Тепловизионные камеры. Тепловизоры testo — полупроводниковые приборы, наделённые возможностью наблюдать тепловое либо световое излучение. Тепловизор flir на собственном мониторе изображает оранжевыми, красными и желтыми цветами объекты, источающие тепло, но прохладные …

Условные обозначения

А, Механический эквивалент света К Постоянная Больцмана В Сииий свет К, Коэффициент передачи по току С Скорость света в свободном простран­ Ку Коэффициент световой эффективности Стве Коэффициент усиления лазера Ся …

Список Сокращений

А Номинальная числовая апертура Мэв Монохроматическая АВС Активный волоконный световод Электромагнитная волна АИМ Амплитудно-импульсная Нжк Нематические жидкие кристаллы Модуляция Ов Оптическое волокно АПП Абсолютный показатель ОЗУ Оперативное запоминающее Преломления Устройство …

Использование лавинных фотодиодов в оптоволоконных системах измерения параметров Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК [681.586.7:621.383.5]:6621.391.63 ББК [32.96-044.3:32.854.2]:32.889

Нгуен Суан Мань, Г. А. Попов

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛАВИННЫХ ФОТОДИОДОВ В ОПТОВОЛОКОННЫ1Х СИСТЕМАХ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

Nguyen Xuan Manh, G. A. Popov

USE OF AVALANCHE PHOTODIODES IN FIBER-OPTIC SYSTEMS OF MEASUREMENT OF THE PARAMETERS

Рассматривается задача использования лавинных фотодиодов для приема светового сигнала для контроля изменений параметров оптоволоконных линий на основе съема внешнего излучения. Проанализированы особенности функционирования, условия работы лавинного фотодиода. Выявлена и обоснована необходимость усиления сигнала, а также рассчитаны коэффициент усиления и отношение сигнал/шум выходного сигнала для последующей его обработки.

Ключевые слова: лавинный фотодиод, трансимпедансный усилитель, контроль температуры, микроконтроллер.

The problem of the using of avalanche photodiodes as photo-receiver for control of changes in parameters of fiber-optic lines based on the reception of the external radiation. The special features of functioning and the working conditions of avalanche photodiode are analyzed. The need for signal amplification is identified and justified and the coefficient of amplification and the relation signal/noise of the output signal for further processing are calculated.

Key words: avalanche photodiode, transimpedance amplifier, control temperature, microcontroller.

Введение

В настоящее время оптоволоконные линии широко применяются во многих областях, например связи, медицине, технике. Отметим также их широкое применение в системах сбора и обработки данных. Большие возможности заложены в них и с точки зрения использования в качестве чувствительных элементов приема излучения.

На современном рынке измерительных систем и датчиков доминирующее положение продолжают занимать электронные измерительные технологии, которые предполагают преобразование измеряемого параметра в электрический сигнал и его последующую обработку. В системах измерения для приема светового сигнала от оптоволоконной линии, содержащей информацию об изменениях измеряемых параметров, применяются лавинные фотодиоды (ЛФД). Они имеют ряд преимуществ по сравнению с другими приборами при приеме световых сигналов. Лавинные фотодиоды имеют высокую скорость и чувствительность благодаря использованию внутреннего механизма усиления на основе обратного напряжения. Одним из наиболее важных достоинств ЛФД является обеспечение принципиальной возможности считывания сигнала, проходящего через оптоволоконную линию без разрушения или разъединения самой линии, а лишь на основе считывания светового сигнала, излучаемого через поверхность линии. Данное свойство может быть использовано при создании систем неразрушающего контроля на основе оптоволоконных линий. Но на работу ЛФД сильно влияют изменения температуры окружающей среды и величины обратного напряжения. Поэтому при использовании ЛФД, во-первых, необходимо обеспечивать требуемые условия работы и соответствующую данному ЛФД точку работы. Во-вторых, для обработки сигналов от ЛФД нужно усилить эти сигналы до уровней, достаточных для последующей его обработки. При рассмотрении этих вопросов в качестве образца нами был выбран датчик фирмы Hamamatsu S2381 как один из наиболее чувствительных и надежных.

Основные параметры эксплуатации ЛФД

Проведем анализ параметров ЛФД, которые влияют на процесс его внедрения и экплуатации.

Критерий выбора ЛФД:

— напряжение смещения;

— чувствительность при спектральном пике;

— минимальный темновой ток;

— температурный коэффициент;

— стоимость.

Датчик фирмы Hamamatsu S2381, выбранный нами в качестве образца на основе поиска в сети Интернет и анализа доступной литературы, имеет следующие характеристики [1]:

— диапазон спектрального отклика X, нм: 400-1 000;

— длина волны в пике чувствительности Xp, нм: 800;

— оптическая чувствительность S, M = 1, X = 800 нм (A/W): 0,5;

— величина умножения QE, M = 1, X = 800 нм, %: 75;

— напряжение пробоя, VBR Id = 100 нА: обычное — 150 В, максимальное — 200 В;

— температурный коэффициент (В/°С): 0,65;

— тёмновой ток, Id: обычный — 0,05 нА, максимальный — 0,5 нА;

— частота среза/ при RL = 50 Q: 1 000 МГц;

— терминальная ёмкость Ct: 1,5 пФ;

— коэффициент шума x при X = 800 нм: 0,3;

— коэффициент усиления при X = 800 нм: 100.

Как было отмечено выше, эффективность работы ЛФД в существенной степени зависит от величины обратного напряжения и температурного режима работы. Рассмотрим эти показатели применительно к выбранному типу ЛФД.

Стабилизация обратного напряжения. Коэффициент умножения (усиления) ЛФД зависит от напряженности электрического поля, приложенного к лавине слоя. Как правило, чем выше обратное напряжение, тем выше коэффициент усиления. Однако, если обратное напряжение превышенно увеличивает, то происходит падение напряжения, т. к. ток протекает через последовательный резистор и нагрузку, в результате чего напряжение, приложенное к лавинному слою, уменьшается. Это означает, что ЛФД изначально имеет оптимальную величину коэффициента подачи обратного напряжения, при котором происходит максимальное усиление, и значение этого коэффициента зависит от напряжения. Эмпирическая формула (1) [2] показывает сильную зависимость коэффициента лавинного умножения от приложенного обратного напряжения. На рис. 1 показана характеристика типичных усилений от обратного напряжения при различных значениях температуры.

REVERSE VOLTAGE (V)

Рис. 1. Влияние усиления от напряжения ЛФД Hamamatsu S2381

M = 1

( и Y

V иь J

(1)

где Ub — напряжение пробоя. Показатель степени n принимает значения от 2 до б, в зависимости от температуры и характеристики материала, структуры р-п-перехода. Поэтому ЛФД требуется подача высокого стабильного напряжения. Лавинный фотодиод Hamamatsu S2381 работает в диапазоне напряжения 80-180 В, в качестве преобразователя напряжения рекомендуется использовать преобразователь Emco Q04, который имеет следующие характеристики (рис.

95v__

Ambient Temperature |’C)

Рис. 4. Зависимость температурного коэффициента напряжения от температуры окружающей среды

Как показано на рис. 4, при повышении температуры окружающей среды напряжение необходимо увеличить для поддержания постоянного усиления. Это значит, необходимо непрерывно контролировать температуру окружающей среды ЛФД и управлять напряжением обратной связи ЛФД. Рекомендуется использовать датчик температуры ТМР275, имеющий следующие основные параметры:

— точность измерения — 0,5 °С;

— диапазон измерения — 20-100 °С;

— интерфейс с микроконтролем через 12С.

Функциональная схема системы контроля температуры и регулирования напряжения показана на рис. 5.

ЛФД

Етсо 04-1

][

ЦАП

БАС0828085

Етсо 04-2

Темп. Датчик ТМР275

Микроконтроллер

РІС16Б877А

Рис. 5. Функциональная схема системы контроля температуры и регулирования обратного напряжение

Особенности усиления сигналов от ЛФД

Выше мы обсуждали два основных условия, обеспечивающие нормальную работу ЛФД. Рассмотрим теперь проблему шума и коэффицента усиления ЛФД, т.10 19 Кл; 1о — темновой ток; В — ширина диапазона шума.

Когда фототок 1Ь порождается падающим светом, 1ж задается уравнением

18Ь = >/2С11, В, (6)

Если 1Ь >> 0,026/Яхк Я ~ 108 Гц) или 1Ь >> 1В, дробовой шум в уравнении (6) становится преобладающей частью шума, а коэффициенты шума из уравнений (4) и (5) малые. Каждая из амплитуд этих источников шума пропорциональна квадрату полосы пропускания шума (В), которая вы-

ражается в единице А/Гц12.

Усилитель. Конструктивно предлагается фотоприемное устройство (ФПУ), состоящее из фотодиода и широкополосного высокочувствительного усилителя. Усилители ФПУ традиционно делятся на предварительный и оконечный. На рис. 7 приведена схема ФПУ.

Предварительный усилитель (ПУ) усиливает электрический сигнал, обеспечивающий наибольшее отношение сигнал/шум. Предварительный усилитель должен быть хорошо согласован с ЛФД и должен обеспечивать одновременно эффективную передачу энергии сигнала и малый уровень шума. Для получения малошумящего усиления применяются схемы самой различной структуры. Наименьшими шумами обладают высокоимпедансные усилители с интегрированием во входной цепи. По динамическому диапазону на первом месте оказывается трансимпедансный усилитель, за ним следуют низкоимпедансный и высокоимпедансный. По рабочему диапазону частот первенство принадлежит низкоимпедансному усилителю. В меньшем диапазоне частот возможно применение высокоимпедансного и, особенно, трансимпедансного усилителей. Учитывая все достоинства и недостатки схем усилителей, выбираем схему трансимпедансного усилителя.

Оконечный усилитель (ОУ) осуществляет усиление, понижающее выходное сопротивление ФПУ, необходимое для работы устройства обработки сигнала.

Выходной сигнал

ОС

Рис. 7. Структурная схема ФПУ: ОС — цепь отрицательной обратной связи

Фотоприемное устройство, как правило, работает при уровнях входной мощности, превышающих порог чувствительности. Запас входной мощности необходим для обеспечения надежности работы, т. к. с течением времени, вследствие старения лазера, мощность передатчика уменьшается.

Коэффициент усиления. Трансимпедансный усилитель должен быть разработан с учетом емкости ЛФД. В самом деле, в отличие от усилителя, независимо от устройства, подключенного к нему, трансимпедансный усилитель увидит изменение их характеристик из-за ЛФД, подключаемого к нему.

Схема предварительного усилителя показана на рис. 8.

Рис. 8. Электрическая схема предварительного усилителя Частотная характеристика ПУ оценивается по формуле (7) [7]:

V = —

R

f

Rf Ipd, 1 + /ю—

A

(7)

где Rf — сопротивление обратной связи; ш- частота работы; Av — коэффициент усилителя при открытой цепи; Ipd — выходной ток ЛФД.

При нижней пороговой частоте имеем ш = 0, поэтому V = -RfIpd, и тогда сопротивление

V

обратной связи равно Rf =——.

1pd

Предлагается использовать источник лазера SLED DXP0019, который имеет мощность P = 90 нВт при длине волны 800 нм. В измеряющих системах, использующих оптоволоконную линию, входная мощность фотоприемника приблизительно 5 нВт. Датчик S2381 имеет токовую чувствительность Sph = 0,5 А/Вт при М = 1 и X = 800 нм. Если выбираем коэффициент умножения М = 100 (при обратном напряжении 134 B и комнатной температуре 20 °С), то максимальный выходной ток ЛФД будет равен:

I = sph M • P = 0,5-100 • 5 -10-6 = 0,25.10-3 А.

max pn 1 1

Тогда, с целью получения выходного напряжения 3,3 B , значение коэффициента обратной связи должно быть равно:

k = 3,3/0,25-10-3 = 13,2 k Q.

Этот коэффициент относится к двум интегральным схемам: k = 12 (1 + 9) = 13,2 k Q.

Ёмкость обратной связи, в зависимости от полосы пропускания частот, находится по формуле

C

f ynRf Af

(8)

Предложим, полосы пропускания частот А/ = 100 МГц, тогда емкость обратной связи будет

В принципиальной схеме, показанной на рис. 8, токовый источник 12 и входной конденсатор С4 представляют APD. Интегральная схема Ш и резистор Я2 представляют собой трансим-педансный усилитель. Резистор Я2 и конденсатор обратной связи С3 используются, чтобы управлять частотным откликом. Часть (и2, R4, Ю) регулирует выходное напряжение в диапазоне 1-5 В, соответствующей использованному аналого-цифровому преобразователю.

Шум усилителя. Предлагается использовать ИС ОРА847ГО для усиления сигнала. У него два основных источника шума. Первый источник шума входного напряжения — шум по даташиту, связанный с входным сигналом; его коэффициент шума входного напряжения а = 0,85 нВ/-у/Гц. Предложим, что полоса пропускания частот — 100 МГц. Выходное напряжение шума будет:

Итак, на основе предлагаемой схемы обеспечивается величина выходного сигнала 3,3 В и отношение сигнал/шум 78,8 дБ, и, следовательно, блок обработки сигнала сможет выполнить последующую обработку этого сигнала из фотоприёмного устройства.

Заключение

Результаты, полученные в работе, позволяют использовать ЛФД S2381 в интегральной схеме фотоприемников. Выходной сигнал удовлетворяет требованиям, необходимым для его последующей обработки.

1. Characteristics and use of SI APD Hamamatsu Corporation. March 2011: http://sales.hamamatsu. com/assets/applications/SSD/Characteristics_and_use_of_SI_APD.pdf.

2. Карих Е. Д. Оптоэлектроника / Е. Д. Карих. — Минск: БГУ, 2000. — 263 с.

3. http.7/www.kumnong.co.kr/kum/emco/img/q.pdf.

4. ФриманР. Волоконно-оптические системы связи / Р. Фриман. — М.: Техносфера, 2003. — С. 153-155.

5. http: //www. ti.com/lit/ds/symlink/tmp275.pdf.

6. Сумкин В. Р. Измерение малых и сверхмалых мощностей оптического излучения и инфракрасного диапазона / В. Р. Сумкин, В. Б. Рудницкий, А. Н. Сергеев, А. Н. Карасов // Фотон-Экспресс. — 2003. — № 5 (31). — С. 20-24: http://www.fotonexpress.ru.

7.2(1,38 • 10-23 )0,25 • 10-3 • 108 = 13,2 •Ю3 • 0,83 •10-8 = 109 мкВ.

Тогда сумма выходного шума будет: ип = 112 + 147 +109 = 378 мкВ. Отношение сигнал/шум будет:

К = 20• 1о§(3,3/378-10-6) = 78,8 дБ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

REFERENCES

1. Characteristics and use of SI APD Hamamatsu Corporation. March 2011: http://sales.hamamatsu.com/ assets/applications/SSD/Characteristics_and_use_of_SI_APD.pdf.

2. Karikh E. D. Optoelektronika [Optoelectronics]. Minsk, BGU, 2000. 263 p.

3. http: //www.kumnong. co.kr/kum/emco/img/q.pdf.

4. Friman R. Volokono-opticheskie sistemy sviazi [Fiber-optical communication systems]. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2003, pp. 153-155.

5. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tmp275.pdf.

6. Sumkin V. R., Rudnitskii V. B., Sergeev A. N., Karasov A. S. Izmerenie malykh i sverkhmalykh moshchnostei op-ticheskogo izlucheniia i infrakrasnogo diapazona [Measurement of small and micro powers of optical radiation and infrared range]. Foton-Ekspress, 2003, no. 5 (31), pp. 20-24: http://www.fotonexpress.ru.

7. Texas Instruments Application Report, Noise Analysis in Operational Amplifier Circuits, SLVA043B, 2007: http://www.ti.com/lit/an/slva043b/slva043b.pdf.

Статья поступила в редакцию 23.05.2013

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Нгуен Суан Мань — Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Информационная безопасность»; [email protected]

Nguyen Xuan Manh — Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department «Information Security»; [email protected]

Попов Георгий Александрович — Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой «Информационная безопасность»; [email protected]

Popov Georgiy Aleksandrovich — Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Head of the Department «Information Security»; [email protected]

5.3. Лавинный фотодиод. Конструкция, принцип действия, основные характеристики. Преимущества ЛФД. 5. Фотоприемники оптических систем передачи. Волоконно-оптические системы передачи

В лавинном фотодиоде достигается усиление первичного фототока за счет управляемого лавинного умножения числа носителей заряда. Этому способствует конструкция ЛФД. Лавинное умножение возникает в слое умножения (рисунок 5.7).

Лавинное умножение достигается за счет увеличения напряжения Е_см до величины, близкой к пробойному. При этом на p — n переходе устанавливается очень сильное электрическое поле (Е > 10 ⁵ В/см). Эта напряженность достигается в узкой области. Высокое быстродействие прибора будет достигнуто, если основная часть фотонов поглощается в слое, где существует сильное электрическое поле. Фотоны пролетают слой умножения и не успевают взаимодействовать с кристаллами. Носители зарядов образуются в слое поглощения и дрейфуют к соответствующим потенциалам. Двигаясь в сильном поле, носители приобретают большую кинетическую энергию и, отдавая часть ее другим носителям, освобождают новые носители (электроны и дырки).

Рисунок 5.7. Конструкция ЛФД

Процесс увеличения числа носителей зарядов развивается лавинообразно и характеризуется коэффициентом

(5.8)

где D — показатель, определяемый материалом фотодиода (для Si
D = 1,5…9), Е_проб – напряжение пробоя ЛФД.

Реальная величина усиления для кремниевых ЛФД — 50…100, для германиевых ЛФД — 2…15, для арсенидгалиевых – 10…35.

Величина фототока возрастает на коэффициент G.

(5.9)

Аналогично происходит увеличение чувствительности.

Спектральная чувствительность ЛФД сохраняет свои свойства, аналогичные p-i-n фотодиоду. Рабочей областью ЛФД на вольт-амперной характеристике будет зона, близкая к электрическому пробою.

При этом темновой ток также будет испытывать умножение. Величина темнового тока будет складываться из умножаемой и неумножаемой составляющих

(5.10).

Одной из характеристик ЛФД, определяющих динамический диапазон оптических сигналов, является линейность детектирования

(5.11)

Реальная величина динамического диапазона ЛФД может быть около 20 дБ.

Особенностью схемы включения ЛФД является регулируемый через цепь обратной связи источник напряжения смещения (рисунок 5.8).

Рисунок 5.8. Схема включения ЛФД

Главное достоинство ЛФД заключается в высоком коэффициенте усиления и быстродействии, что позволяет использовать приборы с арсенидгалиевой основой на скоростях передачи данных до 10 Гбит/с и выше.

Недостатками ЛФД принято считать высокое напряжение смещения (до 400 В) и сложность схемы управления регулируемым источником Е_см.

Лавинный фотодиод — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Лавинный фотодиод

Cтраница 1

Лавинные фотодиоды перспективны при обнаружении слабых оптических сигналов. Более широкое применение лавинных фотодиодов связано со значительными трудностями. Прежде всего, эти трудности определяются тем, что в предпробойном режиме коэффициент усиления фототока / И резко зависит от напряжения.  [2]

Лавинный фотодиод принципиально отличается от других способностью усиливать фототок генерируемых неравновесных носителей, поэтому он используется в фотоприемниках для обнаружения слабых оптических сигналов, сравнимых с шумами фотодиода.  [3]

Лавинный фотодиод — фотодиод с внутренним усилением, принцип действия которого основан на явлении ударной ионизации атомов фотоносителями в сильном электрическом поле. В лавинных фотодиодах используют электрический пробой, сопровождающийся лавинным умножением носителей заряда, как в полупроводниковых стабилитронах, при этом фототек, а следовательно, и чувствительность значительно возрастают. Темновой ток лавинного фотодиода имеет примерно такую же величину, что и обычный фотодиод, однако при освещении характеристики этих фотодиодов существенно отличаются.  [5]

Лавинный фотодиод ( ЛФД) — фотодиод с лавиннным умножением тока. Когда обратное напряжение приближается к напряжению пробоя, электронно-дырочные пары, образованные поглощенными фотонами, приобретают энергию, достаточную для возникновения новых электронно-дырочных пар.  [7]

Лавинные фотодиоды перспективны при обнаружении слабых оптических сигналов. Более широкое применение лавинных фотодиодов связано со значительными трудностями. Прежде всего эти трудности связаны с тем, что в предпробойном режиме коэффициент усиления фототока М резко зависит от напряжения.  [9]

Лавинные фотодиоды за счет большого внутреннего усиления имеют преимущества при передаче слабых оптических сигналов. В режиме лавинного фотоумножения успешно опробованы практически все современные диодные конструкции: с обычным р-п переходом, с p — i — n структурой, с барьером Шоттки.  [10]

Лавинный фотодиод представляет собой фотодиод особой конструкции ( обычно кремниевый), рассчитанный на работу в режиме лавинного умножения ( стр. Используемое значение коэф фициента лавинного умножения М может составлять 100 и более.  [12]

Недостатками лавинных фотодиодов являются требуемые высокое напряжение питания и температурная стабилизация коэффициента усиления. Быстродействие фотодиодов обоих типов достигает 1 — — 2нс, что полностью удовлетворяет большинству современных информационных систем, не говоря уже о геофизике.  [13]

Для лавинных фотодиодов ( ЛФД), также используемых в волоконно-оптических измерительных системах, внутреннее усиление приводит к появлению значительного шума.  [14]

В лавинном фотодиоде оптически возбужденные свободные носители размножаются за счет ударной ионизации атомов в сильном электрическом поле обратносмещенного перехода р-п -, p — i — n, М — и-п — типа или гетероперехода.  [15]

Страницы:      1    2    3    4    5

фотодиодов Avalanche, объяснение в энциклопедии RP Photonics; АФД, счет фотонов, режим Гейгера, умножение, фотодетектор

Энциклопедия > буква А > лавинные фотодиоды

можно найти в Руководстве покупателя RP Photonics. Среди них:

Дополнительные сведения о поставщике см. в конце этой статьи энциклопедии или перейдите на страницу

Вас еще нет в списке? Получите вход!

Используя наш рекламный пакет, вы можете разместить свой логотип и далее под описанием вашего продукта.

Акроним: APD; SPAD = однофотонный лавинный диод

Определение: фотодиоды с внутренним усилением сигнала за счет лавинного процесса

Более общий термин: фотодиоды

Немецкий: Avalanche-Photodioden, Lawinen-Photodioden

Категории: фотонные устройства, обнаружение и характеристика света, оптоэлектроника, оптическая метрология

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: д-р Рюдигер Пашотта

URL-адрес: https://www.rp-photonics.com/avalanche_photodiodes.html

Лавинный фотодиод представляет собой полупроводниковый фотодетектор (фотодиод), который работает при относительно высоком обратном напряжении (обычно десятки или даже сотни вольт), иногда чуть ниже пробоя. В этом режиме носители (электроны и дырки), возбуждаемые поглощенными фотонами, сильно ускоряются в сильном внутреннем электрическом поле, так что они могут генерировать вторичные носители. Лавинный процесс, который может происходить, например, на расстоянии всего в несколько микрометров, эффективно усиливает фототок в значительный раз, хотя и не так сильно, как в фотоумножителе.Следовательно, лавинные фотодиоды можно использовать для очень чувствительных детекторов, которые требуют меньшего электронного усиления сигнала и, следовательно, менее чувствительны к электронным шумам.

Типичные области применения лавинных фотодиодов включают приемники в оптоволоконной связи, дальномеры, визуализацию, высокоскоростные лазерные сканеры, лазерную микроскопию и оптические рефлектометры (OTDR).

Реагирование

Текущий процесс усиления сильно повышает чувствительность APD.Обратите внимание, однако, что коэффициент усиления и, следовательно, чувствительность сильно зависят от обратного напряжения, а также могут существенно различаться от устройства к устройству. Поэтому обычно указывается определенный диапазон напряжения, в пределах которого все устройства достигают определенной чувствительности. Для точных измерений малой световой мощности лавинные диоды вряд ли подходят, поскольку их чувствительность далеко не так хорошо определена, как, например, у p-i-n-диода.

Квантовая эффективность

Несмотря на высокую чувствительность, квантовая эффективность ЛФД не обязательно высока — определенно ниже 100% и, возможно, ниже, чем у других фотодиодов.Это означает, что некоторые из падающих фотонов не вносят вклад в фототок, хотя другие фотоны вносят очень большой вклад, вызывая лавину электронов.

Материалы и диапазоны длин волн

Лавинные фотодиоды на основе кремния чувствительны в диапазоне длин волн от ≈ 450 до 1000 нм (иногда до 1100 нм), при этом максимальная чувствительность приходится на область 600–800 нм, т.е. на несколько более короткие длины волн, чем у кремния p–i– н диоды. В зависимости от устройства и приложенного обратного напряжения коэффициент умножения (также называемый усилением ) кремниевых ЛФД может варьироваться от 50 до 1000.Для более длинных волн, примерно до 1,7 мкм, используются ЛФД на основе арсенида германия или индия-галлия (InGaAs). Они имеют более низкие текущие коэффициенты умножения от 10 до 40. InGaAs APD значительно дороже, чем на основе германия, но обладают лучшими шумовыми характеристиками и более широкой полосой обнаружения. Их высокий коэффициент поглощения позволяет использовать достаточно тонкий поглощающий слой. Другая возможность заключается в использовании устройств германий/кремний (GeSi), в которых излучение поглощается в германии, а носители переносятся в область кремния для умножения заряда [10, 14].

Менее распространенными полупроводниковыми материалами для APD являются нитрид галлия (GaN) для ультрафиолетового света и HgCdTe для среднего инфракрасного диапазона до длины волны ≈14 мкм (используется в криогенных условиях).

Ширина полосы обнаружения

Полоса обнаружения, достигаемая с помощью лавинных диодов, может быть довольно высокой, хотя существует неотъемлемый компромисс между полосой пропускания и коэффициентом усиления. С другой стороны, повышенная чувствительность может позволить работать с меньшим шунтирующим резистором, чем можно использовать с обычным фотодиодом, и этот эффект может компенсировать возможный недостаток скорости лавинного диода.

Шум обнаружения

Большая чувствительность ЛФД может помочь уменьшить шум обнаружения, поскольку он значительно снижает влияние электронных шумов на фотодиодный предусилитель, который впоследствии будет использоваться. Таким образом, шумовые характеристики фотодетекторов с ЛФД могут быть лучше, чем у устройств с обычными p-i-n-фотодиодами, когда ограничивающим фактором являются электронные шумы.

С другой стороны, сам лавинный процесс подвержен квантовому шуму и шуму усиления, что может свести на нет упомянутое преимущество.Избыточный шум из-за этих эффектов количественно определяется коэффициентом избыточного шума F ; это коэффициент, на который мощность электронного шума увеличивается по сравнению с мощностью идеального фотодетектора. Величина избыточного шума зависит от многих факторов: величины обратного напряжения, свойств материала (в частности, коэффициента ионизации κ) и конструкции устройства. Коэффициент избыточного шума увеличивается с увеличением коэффициента усиления, как это получается при увеличении обратного напряжения.Поэтому обратное напряжение часто выбирают таким образом, чтобы шум умножения примерно равнялся шуму электронного усилителя, потому что эта настройка минимизирует общий шум.

Режим Гейгера для подсчета одиночных фотонов

При работе в так называемом режиме Гейгера с тщательно разработанной электроникой лавинные фотодиоды могут использоваться даже для счета одиночных фотонов со скоростью темнового счета значительно ниже 1 кГц и с квантовой эффективностью в несколько десятков процентов, а иногда даже значительно выше 50%.Режим Гейгера означает, что диод работает немного выше порогового напряжения пробоя, когда одиночная электронно-дырочная пара (созданная поглощением фотона или тепловыми флуктуациями) может вызвать сильную лавину. В случае такого события электронная схема гашения снижает напряжение на диоде ниже порогового напряжения на короткое время, так что лавина останавливается, и детектор готов к регистрации дальнейших фотонов после некоторого времени восстановления, например, 100 нс.Это мертвое время представляет собой существенное ограничение этой технологии. Он ограничивает скорость счета порядка 10 МГц, тогда как лавинный диод в линейном режиме (т. е. работающий с более низким обратным напряжением) может работать с полосой пропускания в несколько гигагерц. Так что такие устройства имеют ограниченную квантовую эффективность, т. е. не каждый падающий фотон может вызвать лавину.

ЛФД со счетом фотонов также называются SPAD = однофотонные лавинные диоды . При оптимизации для высокой квантовой эффективности их можно использовать в экспериментах по квантовой оптике (например, для квантовой криптографии) и в некоторых из упомянутых выше приложений, если требуется чрезвычайно высокая чувствительность.SPAD с оптимизированной электроникой усилителя также доступны в форме интегрированной CMOS, даже в виде больших фотодиодных матриц, например. для использования в качестве датчиков изображения для однофотонного 3D-изображения посредством обнаружения с временным разрешением [9].

Удивительно, но можно даже измерить количество фотонов, поглощенных за определенный короткий промежуток времени в активной области лавинного фотодиода [8]. Для этого необходимо точно измерить нарастание фототока в начале лавины.

Модули лавинных диодов

поставляются в составе модулей, которые помимо фотодиода также содержат дополнительные электронные компоненты. В частности, в корпус может быть встроен усилитель тока (трансимпедансный усилитель), который не только уменьшает количество деталей, необходимых на печатной плате, но также улучшает шумовые характеристики и приводит к лучшему сочетанию полосы пропускания и чувствительности. Некоторые модули были специально оптимизированы для использования в системах оптоволоконной связи и соединены оптоволокном.Также возможно интегрировать электронику гашения, необходимую для работы в режиме Гейгера.

Кремниевые фотоумножители

Важным отличием лавинного фотодиода от фотоумножителя является то, что последний имеет гораздо большую активную площадь. Однако можно сконструировать так называемые кремниевые фотоумножители , содержащие массивы лавинных диодов на основе кремния, где суммарная активная площадь может быть достаточно большой.

Помимо большой активной площади, кремниевые фотоумножители также подходят для измерения числа фотонов [12], даже если одиночные диоды не подходят: можно подсчитать общее количество диодов, которые запускаются слабым падающим оптическим импульсом.Это число хорошо аппроксимирует число фотонов (умноженное на квантовую эффективность) при условии, что вероятность попадания более чем одного фотона в один диод достаточно мала.

Фототранзисторы

Другой тип полупроводникового фотодетектора, в котором также используется усиление фототока, — это фототранзистор. Здесь, правда, усиление основано на других принципах, да и рабочие характеристики тоже совсем другие.

Вопросы и комментарии от пользователей

Здесь вы можете оставить вопросы и комментарии.Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о принятии на основе определенных критериев. По существу, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы удалили его в ближайшее время. (См. также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личную обратную связь или консультацию от автора, свяжитесь с ним, например. по электронной почте.

Отправляя информацию, вы даете свое согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами.(Если вы позже отзовете свое согласие, мы удалим эти материалы.) Поскольку ваши материалы сначала просматриваются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

Библиография

(Предложите дополнительную литературу!)

См. также: фотодиоды, фотоумножители, фототранзисторы, чувствительность, счет фотонов, квантовая эффективность, квантовый шум
и другие статьи в категориях фотонные устройства, обнаружение и характеризация света, оптоэлектроника, оптическая метрология

Код для ссылок на других сайтах

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем сайте, в социальных сетях, на дискуссионном форуме, в Википедии), вы можете получить необходимый код здесь.

HTML-ссылка на эту статью:

   
 Статья о лавинных фотодиодах 
 в  
 RP Photonics Encyclopedia  

С изображением для предварительного просмотра (см. поле чуть выше):

   
  alt ="статья">  

  * [https://www.rp-photonics.com/avalanche_photodiodes.html 
 статья о лавинных фотодиодах в RP Photonics Encyclopedia]