2.7. Контрольные вопросы

1. Объясните принцип работы p-i-n фотодиода.

2. Приведите основные характеристики и параметры p-i-n фотодиода.

3. Приведите типичную вольт-амперную характеристику p-i-n фотодиода и объясните ее поведение на различных участках при изменении мощности падающего оптического излучения.

4. Укажите возможные причины уменьшения чувствительности p-i-n фотодиода при больших мощностях падающего оптического излучения.

Лабораторная работа №3 измерение частотной характеристики

P-I-N ФОТОДИОДА

3.1. Задачи лабораторной работы

Измерить амплитудно-частотную характеристику p-i-n фотодиода, опре­делить его рабочую полосу частот и время нарастания и спада.

3.2. Теоретическая часть

Быстродействие p-i-n фотодиода ограничено временем переноса возбу­жденных светом неосновных носителей заряда и RC постоянной времени це­пи фотодиода (Рисунок 3.1). Рабочая полоса частот фотодиода f может быть определена по следующей формуле:

, (3.1)

где f_t - полоса частот фотодиода, ограниченная временем переноса неос­новных носителей заряда; f_RC - полоса частот фотодиода, ограниченная RC постоянной цепи; - средняя скорость неосновных носителей заряда; ₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума;  - относительная диэлектрическая проницаемость поглощающего слоя; А - площадь фоточувствительной об­ласти фотодиода; R_s - последовательное сопротивление фотодиода; Z_L - со­противление нагрузки.

Из приведенной формулы видно, что для уменьшения времени переноса неосновных носителей заряда необходимо уменьшать толщину активного слоя p-i-n фотодиода, а для уменьшения RC постоянной цепи фотодиода (уменьшения барьерной емкости р-п перехода) и увеличения квантовой эф­фективности необходимо увеличивать толщину активного слоя. Из формулы (3.1) можно получить значение оптимальной толщины поглощающего слоя, при которой рабочая полоса частот p-i-n фотодиода максимальна:

. (3.2)

Таким образом, оптимальная толщина поглощающего слоя пропорцио­нальна диаметру фоточувствительной области p-i-n фотодиода. Рисунок 3.1 показывает, что для увеличения рабочей полосы p-i-n фотодиодов свыше не­скольких десятков гигагерц необходимо существенно уменьшать фоточувст­вительную площадь фотодиода. Однако это приводит к увеличению последо­вательного сопротивления R_s и уменьшению тока насыщения p-i-n фотодиода из-за уменьшения размеров поглощающей области.

Рисунок 3.1. - Зависимость рабочей полосы частотp-i-n фотодиода от толщины

погло­щающего слоя при различных диаметрах фоточувствительной области

Рисунок 3.1 также показывает, что наиболее быстродействующий In- GaAs/InP p-i-n фотодиод, обладающий практически 100% квантовой эффек­тивностью, должен иметь толщину поглощающего слоя порядка 2,5 мкм.

Рисунок 3.2 показывает эквивалентную электрическую схему высоко­скоростного InGaAs/InP p-i-n фотодиода, которая состоит из источника фото­тока I_ph, дифференциального сопротивления R_pn и емкости С_рп р-п перехода фотодиода, паразитной емкости C_s, последовательного сопротивления кон­тактов R_s, емкости корпуса С_р и индуктивности корпуса L_p. Элементы I_ph, R_pn и С_рп электрической цепи фотодиода являются активными и зависят от часто­ты, напряжения смещения и мощности падающего на фотодиод оптического излучения. Элементы цепи R_s, С_s L_p и С_р являются пассивными элементами и определяются только конструкцией p-i-n фотодиода. Паразитная емкость C_s является емкостью МДП-структуры кристалла фотодиода, которая состоит из металла контакта к р⁺-области, пассивирующего диэлектрика и полупровод­никовой структуры фотодиода. Индуктивность корпуса складывается из ин­дуктивности проволоки, соединяющей кристалл фотодиода с ножками кор­пуса и индуктивности ножек корпуса L_p. Емкость корпуса определяется как непосредственно геометрическими размерами корпуса и расположением но­жек, так и расположением кристалла в корпусе.

Рисунок 3.2. - Эквивалентная электрическая схема p-i-n фотодиода

Основными характеристиками фотоприемника, характеризующими его быстродействие, являются частотная характеристика и время нарастания и спада. Работа фотоприемника в импульсном режиме характеризуется време­нем нарастания _нар (спада _сп) при освещении модулированным излучением и является важнейшей динамической характеристикой фотоприемника.

Время нарастания и спада представляет собой зависимость фототока от времени и определяется путем измерения выходного сигнала на нагрузке фотодиода при подаче на его вход импульса оптического излучения (0). Вре­мя нарастания (спада) определяется как время, необходимое выходному сиг­налу, чтобы вырасти от уровня 0,1 до 0,9 (упасть от 0,9 до 0,1) от установив­шегося максимального значения при условии, что на вход подаются строго прямоугольные импульсы света длительности на порядок больше времени нарастания (спада). Эти времена зависят от конструкции фотодиода (геомет­рии фотодиода, материала кристалла), а также напряженности электрическо­го поля в области пространственного заряда:

Рисунок 3.3. - Импульсный ответ фотодиода

Частотная характеристика представляет собой зависимость выходно­го сигнала (тока, напряжения, спектральной чувствительности) от частоты модуляции падающего на фотодиод потока излучения (Рисунок 3.4).

Рисунок 3.4. - Частотная характеристика чувствительности

Частотная характеристика и время нарастания и спада измеряются при фиксированном сопротивлении нагрузки и напряжении смещения. По этим характеристикам находят параметры, описывающие частотные и импульсные свойства прибора. Предельную частоту f_гр определяют по частотной характе­ристике в месте уменьшения фототока на 3 дБ по сравнению с максимальной величиной. Время нарастания и спада находится по уровню 0,10,9 (нараста­ние) или 0,90,1 (спад) от максимального значения импульсного сигнала на нагрузке фотодиода.