Главная  Оптические магистрали 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [ 101 ] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

1ГИЯ таких параметров, как чувствительность и частотная характеристика. Таким детекторам посвящено довольно много обзорных статей, среди них наиболее удачны I12.ll и 112.2].

В основе работы детекторов обоих типов лежит обратносмещенный р-п-переход. Вольт-амперная характеристика р-п-перехода описывается соотношением (9.1.8). Однако при освещении перехода светом, имеющим длину волны меньше пороговой А-цор, характеристика сдвигается на величину /ф, как показано на рис. 12.1. Этот ток появляется в результате квантового взаимодействия между излучением и электронами валентной зоны, которое приводит к переходу электрона через запрещенную зону и рождению электрон-дырочиоп ггары. Этот процесс иллюстрируется рис. 12.2, а. Пороговая длина волны связана с шириной запрещенной зоны

1,24

пop -

[мкм-эВ].

(12.1.1)

Детальное обсуждение процесса поглощения будет проведено в следующем разделе.

Фототок /ф возрастает линейно с мощностью оптического излучения Ф, ггрнчем диапазон линейности составляет несколько порядков. Отношение /ф к Ф называется чувствительностью М фотодиода. Она связана с квантовым выходом, представляющим собой отношение числа рождаюгцнхся в секунду электронов к потоку фотонов, т. е.

/ф he he - .5? -

(12.1.2)

Отметим, что это определение ц не совпадает с определением внутренней квантовой эффективности, данным в § 8.3 для оптических источников. Там стремились получить максимальное число фотонов на одн1г электрон, здесь же заинтересованы в получении максимального числа электронов на фотон. В любом случае предполагается, что л не может превышать единицу.

Рис. 12.1. Вольт-ампериые характеристики р-я-перехода, на которых обозначен темповой ток /о и фототок /ф, появляющийся прн освещении фотодиода




Из рис. 12.1 видно, что фотодиод может по-разному использоваться для детектирования оптического излучения. В простейшем случае диод непосредственно подключается ко входу усилителя напряжения с высоким входным сопротивлением, который измеряет изменение Уф (см. рис. 12.1). В другом случае ток днода усиливается усилителем тока, имеющим низкое входное сопротивление, т. е. напряжение на диоде поддерживается вблизи нуля. Прн этом оказываются весьма малыми шумы диодного тока. На практике, однако, фотодиоды в системах оптической связи почти всегда работают в режиме с обратным смещением. При этом квантовый выход и полоса значительноулучшаются. Причины этого будут обсуждены позже. Если обратное смещение увеличено до значения, близкого к пробойному Кцроб, фототок резко возрастает в результате того же самого процесса лавинной ионизации, который приводит к пробою. Область пробоя также показана на рнс. 12.1. Этот процесс лежит в основе работы лавинных диодов, которые будут обсуждаться в гл. 13.

Эквивалентная схема отрицательно смещенного фотодиода при слабом сигнале представляет генератор тока (рис. 12.3). Небольшая шунтирующая прово-



Рис. 12.2. Зонная структура, иллюстрирующая процессы поглощения: U - зона-зонного возбуждения: б -в результате возбуждения с участием донорных и акцепторных уровней: в - внутрн.зонных переходов


Рис. 12.3. Эквивалентная о схема обратное мещен ного фотодиода при приеме слабого сигнала



днмость Од соответствует наклону характеристики прн отрицательном смещении. Сопротивление резистора определяется сопротивлением полупроводника и контактов н обычно не превышает 10 Ом. Емкость конденсатора Сд зависит от емкости р-я-перехода, нагрузки н конструкции. Велнчнну этой емкости удается сделать менее 1 пФ, что особенно важно прн работе на высоких частотах.

43.3. СОБСТВЕННОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ

В гл. 10 была рассмотрена ситуация в полупроводниковых лазерах, когда создается инверсная населенность и появляется оптическое усиление. Конечно, это необычная ситуация. Обычно, распространяясь по полупроводнику, свет поглощается, что объясняется разнскразны-ми причинами. Однако при длине волны излучения А, > Хдр, где Хдр определяется выражением (12.1.1), квантовое взаимодействие, показанное на рис. 12.2, а, преобладает над другими взаимодействиями и приводит к сильному поглощению. Другие механизмы более слабого поглощения также иллюстрируются рис. 12.2. Они могут оказаться преоб-

ладающими при

пор-

Поглощение приводит к экспоненциально-

му уменьшению плотности мощности излучения

Р(х) Р (0) ехр (- ах). (12.2.1)

Коэффициент поглощения а характеризует материал и сильно зависит от длины волны вблизи порога. Некоторые характерные значения для прямозонных и непрямозонных полупроводников показаны на рнс. 12.4. В прямозонных полупроводниках нет ограничения на про-

-*-Л.мн/и

а, 112,48 0.62


Рнс. 12.4. Зависимость коэффициента поглощения с»т эиергпн фотона



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [ 101 ] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

0.0023