Квантовая эффективность

Квантовой эффективностью назьтается отношение числа первичных пар электрон-дырка к числу падаюш;их на материал диода фотонов. Данный параметр является либо безразмерным, либо выражается в процентах. Квантовая эффективность 1, или 100% означает, что каждый поглош;енный фотон приводит к образованию электронно-дырочной пары. Типичное значение квантовой эффективности составляет около 70%, т.е. только 7 пар образуется в результате поглош;ения 10 фотонов. Квантовая эффективность относится только к первичным электронам, но ни в коем случае не ко вторичным, возникаюш;им за счет ударной ионизации.

Квантовая эффективность связана с фундаментальными свойствами полупроводникового веш;ества диода и его способностью трансформировать по-глош;енные фотоны в электронно-дырочные пары. Чувствительность может быть определена на основании квантовой эффективности:

где е - заряд электрона, h - постоянная Планка, с - скорость света. Поскольку е, с и h являются постоянными, то чувствительность зависит лишь от длины волны и квантовой эффективности.

Фоновый ток

Ранее уже упоминался фоновый (теневой) ток, то есть ток, возникающий из-за тепловых эффектов. Он представляет собой низший уровень теплового шума. Теневой ток возрастает примерно на 10% с ростом температуры на 1 градус. Он существенно слабее в кремниевом диоде, используемом на более коротких длинах волн, чем в германиевых или InGaAs фотодиодах, используемых на более длинных волнах.

Минимальная детектируемая мощность

Минимальная детектируемая мощность определяет минимальный уровень оптической мощности, который может быть зафиксирован. В простейшем случае она соответствует уровню мощности теневого тока. Другие источники шума также влияют на уровень минимальной детектируемой мощности.

Уровнем шума диода рт-типа, который непосредственно указывает на минимум детектируемой мощности, называется отношение силы шумового тока к чувствительности:

Уровень шума = Шум / Чувствительность

В качестве первого приближения используется значение теневого тока для получения оценки уровня шума. Рассмотрим диод pin-типа с R=0.5 мкА/мкВт и теневым током силой в 2 нА. Минимальная детектирушая мощность равна

2x10 А

Уровень шума = о.5м/л.м = 4 X 10 Вт = 4 нВт

Более точные оценки должны учитывать другие виды шумов, такие как тепловой и дробный. Итак, шум зависит от тока, температуры, сопротивления нагрузки и полосы пропускания.

Время отклика

временем отклика называется время, которое требуется фотодиоду для преобразования поступаюш;ей оптической энергии в электрический ток. По аналогии с источниками, время отклика задается временем нарастания и спада сигнала меяеду точками, соответствуюш;ими 10% и 90% уровням максимальной амплитуды. Время нарастания колеблется от 0.5 нсек до десятков наносекунд и лимитировано скоростью перемеш;ения носителей через обедненную зону. Оно также зависит от приложенного напряжения: более высокому уровню напряжения соответствует меньшее время нарастания. Диод pin-типа может иметь время нарастания 5 нсек при 15 В и 1 нсек при 90 В.

Время отклика связано с частотной полосой пропускания диода. Частотная полоса может быть оценена на основе времени отклика:

BW - 5

Ьстотная полоса пропускания, или рабочий диапазон фотодиода ограничивается как временем нарастания, так и постоянной RC, влияние которой доминирует при медленньк скоростях. Частотная полоса, лимитированная RC-константой, равна

BW = -1-

где Rl - сопротивление нагрузки и Cd - емкость диода Время нщ)астания RC контура равно

t, = 2.19 RlC

На рис. 9.5 изображен электрический контур, эквивалентный диоду pin-типа. Он состоит из источника тока, подключенного параллельно сопротивлению и емкости, и работает как низкочастотный фильтр, пропускаюш;ий низкие частоты и задерживаюш;ий высокие. Частота отсечки, которой соответствует затухание в 3 дБ (или 50%), определяет верхнюю границу частотного диапазона (полосы пропускания). Частоты выше частоты отсечки не являются рабочими.

Диоды, предназначенные для высокоскоростных систем, должны иметь емкости величиной в несколько пикофарад и менее. Емкость диода pin-типа представляет собой емкость контактов р, i и п слоев, а также конструктивные емкости элементов подключения и крепления. Рассмотрим фотодиод с временем реакции 1 нсек и емкостью 2 пФ. Его рабочая частотная полоса пропускания (BW) равна

Рис. 9.5. Электрическая модель [Ап-тот (рисунок предоставлен АМР Incorporated)

BW = 0.35/1 НС = 0.35 ГГЦ = 350 МГц

Для определения диапазона параметров, при которых отсутствует влияние постоянной RC на частотную полосу, требуется вычислить максимальное значение сопротивлений, соответствующее полученному ранее значению ширины частотной полосы:

350 X 10* Гц =

(2)(3.14115927)(2х10 (Й,.) Rl= 227 Ом

Итак, стандартный 220-омный резистор будет работать, хотя на практике используется в четыре раза меньшее сопротивление.

Приложенное напряжение

Фотодиоды работают при напряжении от 5 В в pin-диодах до нескольких сотен вольт в лавинньк диодах. Приложенное напряжение оказывает существенное влияние на работу диода, поскольку теневой ток, чувствительность и время реакции возрастают при увеличении напряжения. В лавинньк диодах обычно используется напряжение, соответствующее порогу лавинного процесса, что обеспечивает быстрое время реакции.

Как показано на рис. 9.6, лавинные диоды также достаточно чувствительны к изменению температуры. Поэтому приложенное напряжение должно варьироваться при изменении температуры для обеспечения стабильного режима работы диода. Вькодной сигнал лавинного диода проявляет нестабильность до тех пор, пока в приемнике не используется компенсационный контур. Необходимость использования высокого напряжения и чувствительность к изменениям температуры ограничивают выбор лавинного диода случаями, когда чувствительность и возможность усиления важнее указанньк неудобств.