Лабораторные работы по оптоэлектронике Исследование основных параметров полупроводникового лазера Полупроводниковые детекторы оптического излучения Волоконно-оптический световод Электронно-дырочный переход

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ОПТОИНФОРМАТИКЕ

Лабораторная работа №4

Сравнение быстродействия p-n и p-i-n диодов, используемых в качестве детекторов излучения

Цель работы: Изучение принципов работы и особенностей использования в устройствах оптоинформатики приемников оптического излучения на основе p-n и p-i-n диодов.

Задачи, решаемые в работе:

Ознакомиться с принципом работы и конструктивным исполнением полупроводниковых фотодиодов на основе p-n и p-i-n структуры.

Сравнить быстродействие p-n и p-i-n диодов путем определения относительной длительности фронта импульса на выходе фотоприемника при увеличении частоты модуляции.

Сравнить быстродействие p-n диода в фотогальваническом и фотодиодном режимах работы. Законы Кирхгофа в операторной форме

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Приемники излучения на основе p-n и p-i-n структур

В устройствах оптоинформатики в качестве приемников оптического излучения широко используются полупроводниковые фотодиоды на основе p-n перехода.

Однако, при все возрастающих скоростях передачи информации, быстродействие p-n диодов оказывается недостаточным и накладывает ограничение на их применение.

Быстродействие фотоприемника характеризует постоянная времени, которая отражает реакцию фотоприемника на короткий световой импульс и равна времени от момента возникновения фототока до момента его возвращения к нулю.

На постоянную времени p-n диода влияют время диффузии неосновных носителей до p-n перехода и постоянная времени p-n перехода. Время диффузии неосновных носителей до p-n перехода приближенно выражается соотношением

tдиф≈ w2/ D (1),

где w – глубина расположения p-n перехода от светочувствительной поверхности фотодиода, D – коэффициент диффузии носителей заряда, связанный с подвижностью носителей заряда µ соотношением Энштейна :

D = (kT/q)µ (2),

где k - постоянная Больцмана, Т - температура, Ко, q – квантовый выход.

Постоянная времени p-n перехода зависит от его емкости, называемой барьерной и определяемой выражением

Сбар= εε0S/δ (3),

где ε и ε0 – диэлектрические постоянные полупроводника и вакуума, соответственно, S – площадь p-n перехода, δ – толщина обедненного слоя.

У современных p-n диодов постоянная времени достаточно мала и они могут детектировать сигналы с частотами до десятков МГц, однако такой полосы пропускания недостаточно для современных высокочастотных устройств приема и обработки информации.

Для уменьшения постоянной времени p-n диода была создана p-i-n структура. В такой структуре между p- и n-слоями, образованными полупроводниками с примесной проводимостью, помещен слой беспримесного полупроводника – полупроводник i-типа (с собственной проводимостью) толщиной в несколько десятков или сотен микрометров, что значительно увеличивает рабочий объем фотодиода, а значит и его чувствительность. Но основное преимущество p-i-n диода заключается в возможности детектирования оптических сигналов, модулируемых частотами гигагерцового диапазона, что особенно важно для высокочастотных устройств приема и обработки информации.

Высокое быстродействие p-i-n диодов объясняется меньшей, по сравнению с p-n диодами, емкостью p-n перехода. Фотодиод можно представить как плоский конденсатор, емкость которого прямо пропорциональна электрическому заряду и обратно пропорциональна расстоянию между обкладками (С ~ Q/L). Так как ширина i-слоя у p-i-n диодов в 10-100 раз больше, чем ширина обедненного слоя у p-n диодов, то и их емкость значительно меньше емкости p-n диодов. Время заряда/разряда такого конденсатора прямо пропорционально емкости (t ~ C), что и обеспечивает  возможность детектирования более высокочастотного сигнала. Лучшие образцы p-i-n диодов могут работать в области частот до единиц ГГц, в то время как p-n диоды – только до десятков МГц. Использование фотодиодов на частотах выше допустимых, приводит к искажению формы принимаемых оптических импульсов, увеличению их длительности, а также и к пропуску отдельных импульсов, то есть к потере передаваемой информации.

Принцип конструктивного исполнения p-n и p-i-n диодов представлен на рис.1. Чаще всего p-i-n диоды на длину волны 0,85 мкм изготавливают из кремния (Si), а на большие длины волн (1,2 - 1,6 мкм) - из германия (Ge) или (InGaAs). 

Рис.1.Конструкция фотодиода на основе p-n структуры (а) и фотодиода на основе p-i-n структуры (б).

Фотогальванический и фотодиодный режим работы фотодиодов

Фотодиод способен работать в схемах с внешним источником смещения и без него. Режим работы с внешним источником смещения называется фотодиодным, а без внешнего источника – фотогальваническим режимом. На рис.2 представлены схемы включения фотодиода в фотогальваническом и фотодиодом режимах.

Рис.2.Схемы включения фотодиода: (а) - фотогальванический режим, (б) - фотодиодный режим. Rн – сопротивление нагрузки, V – вольтметр, ИП – источник питания.

Под действием света вблизи p-n перехода образуются пары электрон-дырка. В области p-n перехода существует диффузионное поле, силы этого поля производят разделение неравновесных носителей, образованных поглощенными квантами света. В фотогальваническом режиме (без внешнего источника питания) происходит накопление дырок в p- области и электронов в n- области. Это накопление неравновесных носителей не может продолжаться беспредельно, так как одновременно с возрастанием концентрации дырок в p- области и электронов в n- области происходит понижение потенциального барьера на величину фотоЭДС и возникает диффузия основных носителей через p-n переход. Наступает динамическое равновесие. При подключении к внешним выводам фотодиода сопротивления нагрузки Rн, через него будет протекать электрический ток.

При подаче на p-n переход обратного напряжение смещения ширину запирающего слоя можно увеличить. Такой режим использования фотодиода в качестве фотоприемника называется фотодиодным. Фотодиодный режим обладает рядом достоинств по сравнению с фотогальваническим: малой инерционностью, повышенной чувствительностью к длинноволновой части спектра, широким динамическим диапазоном линейности характеристик. Основной недостаток этого режима – наличие шумового тока, протекающего через нагрузку.

Оценка частотных характеристик приемника излучения (ПИ) на основе полупроводникового кремниевого p-n диода, работающего в фотогальваническом и фотодиодном режиме, и ПИ на основе p-i-n диода, работающего в фотогальваническом режиме, проводится на основе сравнения отклика фотодиода на излучение полупроводникового лазера, модулированное по амплитуде последовательностью прямоугольных импульсов.

При детектировании фотодиодом лазерного излучения, модулированного сигналом прямоугольной формы, наглядно проявляются частотные характеристики фотодиода, т.к. такой сигнал представляет собой суперпозицию гармонических составляющих, включая высокочастотные, и степень искажения фотодиодом переднего и заднего фронтов принимаемых импульсов характеризует его частотные свойства.

На рис. 3 представлены осциллограммы последовательности модулирующих импульсов (а) и импульсов на выходе фотодиода (б).

а)

б)

Рис.3.Осциллограммы последовательности модулирующих импульсов (а) и импульсов на выходе фотодиода (б). Т – период следования импульсов (Т = 1/ Fм), А – амплитуда импульса, τи – длительность импульса (τи = 0,5T), τпф - длительность переднего фронта импульса, τзф – длительность заднего фронта импульса.(Длительность импульса принято измерять на уровне 0,1А, или 0,5А, или 0,9А.)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Экспериментальная установка для выполнения работы, блок - схема которой представлена на рис.4, состоит из источника излучения (ИИ) с полупроводниковым лазерным модулем (ПЛ), излучение которого модулируется генератором сигналов (ГС); узла приемника излучения (ПИ), включающего исследуемый фотодиод (ФД); измерительного прибора (осциллограф) и компьютера.

Рис.4.Блок – схема экспериментальной установки для исследования приемников излучения на основе фотодиодов. ГС – генератор сигнала специальной формы, ПЛ – полупроводниковый лазерный модул, ФД – исследуемый фотодиод.

В качестве источника модулирующих сигналов используется цифровой генератор сигналов специальной формы, генерирующий последовательность импульсов прямоугольной формы в виде меандра (τи = 0,5T), диапазон частот модуляции Fм = 1 Гц ÷ 500 КГц. Питается ГС от сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц.

В качестве источника излучения используется полупроводниковый лазерный модуль (ПЛ) c TTL схемой управления излучением, которая осуществляет модуляцию излучения по амплитуде за счет модуляции тока инжекции. Длина волны излучения 650±5 нм, мощность излучения 3 мВт, предельная частота модуляции Fм = 500 кГц. ПЛ питается от сети постоянного тока напряжением 4,5 В.

Фотоприемник с исследуемым кремниевым p-n диодом может работать в фотогальваническом и в фотодиодном режимах. Тумблер «Т» служит для переключения фотодиода из фотогальванического режима (положение «1») в фотодиодный режим работы (положение «2»), при котором напряжение смещения Uсм = 3 В. 

На рис.5 приведена принципиальная электрическая схема приемника излучения с p-n диодом. В качестве нагрузки используется резистор Rн = 1,5 кОм.

Рис.5.Принципиальная электрическая схема для исследования частотных характеристик приемника излучения при различных режимах работы p-n диода. ФД – фотодиод, ОС – осциллограф, Rн –  сопротивление нагрузки, ИС – источник смещения, Т – тумблер для переключения режимов  работы: положение «1» - фотогальванический режим, положение «2» - фотодиодный режим.

Приемник излучения с p-i-n диодом работает только в фотогальваническом режиме, в качестве нагрузки используется резистор Rн = 1,5 кОм.

Для регистрации импульсов, используется цифровой осциллограф APS230, на вход которого подается сигнал с исследуемого фотодиода. С помощью программы «APS230 Screen Capture V1.0», можно передавать осциллограммы на компьютер для дальнейшей обработки и хранения. Питается осциллограф от сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц.

Для дальнейшей обработки и хранения результатов, используется персональный компьютер, на котором установлена программа «APS230 Screen Capture V1.0» и который соединен с осциллографом через порт USB2.

При включении питания, источник излучения (ПЛ) генерирует непрерывное лазерное излучение на длине волны l=650±5 нм, которое попадает на входное окно исследуемого приемника излучения (ФД). Напряжение, пропорциональное интенсивности излучения ПЛ, с сопротивления нагрузки ФД подается на вход осциллографа, на экране которого отклонение луча развертки от первоначального положения пропорционально величине напряжения сигнала на выходе фотодиода.

При включении ГС, модулирующее напряжение, имеющее форму меандра, подается на TTL вход управления излучением ПЛ (разъем на корпусе блока ИИ), который переходит в квазиимпульсный режим работы. Изменяя частоту следования модулирующих импульсов от 1 до 100 кГц, на экране осциллографа можно наблюдать на выходе ФД отклонение формы импульса от прямоугольной, в первую очередь за счет увеличения длительности  заднего фронта (τзф) импульса.

За граничную частоту сигнала, который детектируется приемником излучения без искажений, принимается такая частота сигнала, при которой длительность заднего фронта импульса на выходе приемника излучения не превышает половины длительности импульса (τзф ≤ 0,5τи).

В процессе выполнения лабораторной работы устанавливают на стенд приемники излучения с фотодиодами разного типа и, изменяя частоту следования модулирующих импульсов, определяют граничную частоту для каждого приемника излучения .