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]

цесс образования пар носителей, и коэффициент поглощения быстро растет при уменьшении длины волны. В непрямозоиных полупроводниках, таких как Ge и Si, требуется одновременное взаимодействие с кристаллической решеткой, чтобы импульс сохранялся при генерации носителей. В этот процесс могут вовлекаться колебания решетки, примеси или дефекты кристаллической структуры. В результате а постепенно возрастает при длине волны ниже порога. При более коротких длинах волн, когда становится возможным возбуждение через запрещенную зону (3,4, эВ для Si и 0,8 эВ для Ge;, а снова возрастает. Пороговая длина волны зависит от температуры и степени легирования, поскольку при этом меняется ширина запрещенной зоны и форма краев зон, что обсуждалось в гл. 7 и 10.

12.3. КВАНТОВЫЙ ВЫХОД

12.3.1. Идеальный фотодиод

Носители тока, появившиеся под действием излучения, рекомбини-руют, причем их время жизни соответствует среднему времени жизни неосновных носителей т„ или Тр. Это время зависит от типа материала, состава и концентрации примесей. Для преобразования оптического излучения в электрический сигнал необходимо разделить электроны и дырки, прежде чем произойдет рекомбинация. Внешнее электрическое поле позволяет простейшим способом разделить носители. Как уже было сказано, во всех детекторах фотогенерация происходит внут-

Обевпенный слой ПросВетлйПщее I i

покрытие

Копщакт-


ij Рассторкие

Рис. 12.5. Схематическая иллюстрация поглощения излучения.

Из схемы видна целесооб разность снижения поверхност ного отражения н расстояния Хх, а также целесообразность увеличения интервала (Хх-хЛ путем увеличения толщины обедненного слоя



ри обедненного слоя отрицательно смещенного р-п-перехода. Избыточные электроны и дырки разносятся электрическим полем и собираются на контактах, прежде чем произойдет рекомбинация. При этом во внешней электрической цепи появляется ток.

В идеальном фотодиоде весь падающий свет поглощается в обедненном слое и все рождающиеся носители собираются на контактах. Тогда квантовый выход равен единице, а фототок под действием оптической мощности Ф определяется из выражения

/ф = аф)иаеал==/еф. (12.3.1)

На практике, конечно, часть падающего cseta отражается от поверхности полупроводника, а оставшаяся часть не полиостью поглощается в обедненном слое. Это иллюстрируется рис. 12.5.

Для получения высокого квантового выхода необходимо: а) снизить отражение от поверхности полупроводника; б) повысить поглоп1,е-ние внутри обедненного слоя; в) избежать преждевременной рекомбинации. Рассмотрим последовательно, как удается удовлетворить этим требованиям.

12.3.2. Отражение от поверхности

В гл. 8 рассмотрено френелевское отражение свега от границы полупроводник- воздух. Чтобы уменьшить этот эффект, обычно покрывают поверхность прозрачной диэлектрической пленкой толщиной в четверть длины волны. В идеальном случае показатель преломления пленки должен быть равен корню квадратному из показателя преломления полупроводника (см. § 8.5 и 8.6). На практике более удобна тонкая кварцевая пленка (fi 1,46), которая заметно увеличивает пропускание оптического излучения; иногда используют 51зН4 {\i = 2,0). При дальнейшем изложении (§ 12.3.3) будем предполагать, что всегда используется такое покрытие, и пренебрегать каким-либо отражением.

12.3.3. Повышение поглощения внутри обедненного слоя

Рисунок 12.5 дает возможность оценить долю оптической мощности, поглощенной внутри обедненного слоя или в пределах диффузионной длины от его краев. Границы этой «рабочей области» лежат на глубине Xl и Х2 от поверхности. Обозначим плотность падающей мощности Ро. а коэффициент отражения поверхности R. Тогда плотность мощности внутри полупроводника - (1 - R) Ро, а плотность поглощенной мощности

Р = (1 - R) Ро [ехр (-ал:,) - ехр (- а х)). (12.3.2)

Таким образом, квантовый выход

г)= -=.(1-/?)ехр(-аА:,){1-ехр-а(х2-А:,)1}. (12.3.3)



На первый взгляд кажется, что нужно стремиться сделать Xj как можно меньше, а - как можно б(эльше. На практике это приводит к трудностям, поэтому приходится искать компромиссное решение.

12.3.4. Симженме рекомбмнацмм

Обычно время жизни носителей значительно превышает время перехода носителей через обедненный слой, так что можно пренебречь потерей носителей вследствие рекомбинации. Носители, рожденные в пределах диффузионной длины от краев обедненного слоя, собираются за время, по порядку ветичины совпадающее с рекомбйнационным временем.жизни. Если эта доля значительна, то уменьшается квантовый выход и ухудшается частотная характеристика диода. В таком случае становится необходимым снижение и увеличение Xj. Переход должен быть сформирован близко к поверхности, а протяженность обед-пенного слоя должна быть много больше интервала затухания. Таким образом, в соответствии с рис. 12.5 необходимо

Wi « 1/а 4; Id. (12.3.4)

Если не выполняется первое из этих условий, квантовый выход снижается из-за поверхностной рекомбинации. Скорость поверхностной рекомбинации всегда необходимо стремиться снизить, но если а слишком велико, можно использовать одну пз возможностей, обсуждаемых в § 12.4.3.

12.4. МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ /7-/-/г-ФОТОДИОДОВ

12.4.1. Общие положения

Выбор материала детектора для оптической связи не вызывает затруднений. При использовании излучателя на основе GaAs/GaAlAs, работающего в диапазоне 0,8 ... 0,9 мкм, наиболее подходящим будет кремниевый детектор. Такие детекторы имеют обедненный слой толщиной в несколько десятков микрометров и обычно делактгся в виде ;t7-j-л-диодов. Для излучения с длиной волны свыше 1,8 мкм наиболее подходят германиевые детекторы. При длинах волн более 1,55 мкм также требуется толщина обедненного слоя в несколько десятков микрометров. В диапазоне длин волн около 1,3 мкм активная область должна быть того же порядка или тоньше. Ведутся интенсивные разработки прямозонных детекторов на основе тройных и четверных соединений для использования в более длинноволновых диапазонах. В них обычно используют барьеры Шотки или гетероструктуры, подобные описываемым в § 12.4.3.

Одна из проблем при работе с узкозонными приборами связана с высоким уровнем обратного тока в отсутствие излучения, так называек.ым темновым током (на рис. 12.1 он обозначен /«). Подробно темновой ток будет рассмотрен в § 12.6, здесь же только отметим, что резко воз-



[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]

0.0011