Шуми у роботі приймачів та детекторів (стр. 2 из 2)

Кремнієві фотодіоди не цілком придатні для більш довгохвильового діапазону 1300 нм і 1550 нм. У цьому діапазоні використовуються германій (Ge) і індій-галій-арсенід (InGaAs). Фотодіод pin-типу на основі InGaAs має достатньо широку область високої чутливості. Даний матеріал на відміну від Si не утворює яскраво виражений пік на кривої чутливості. У діапазоні від 900 до 1650 нм його чутливість не опускається нижче 0.5 А / Вт, що дозволяє використовувати його як для довжини хвилі 1300 нм, так і для 1550 нм.

Квантова ефективність

Квантовою ефективністю називається відношення числа первинних пар електрон-дірка до числа падаючих на матеріал діоду фотонів. Даний параметр є або безрозмірним, або виражається у відсотках. Квантова ефективність яка дорівнює 100% означає, що кожен поглинений фотон призводить до утворення електронно-діркової пари. Типове значення квантової ефективності складає близько 70%, тобто тільки 7-ма пара утвориться в результаті поглинання 10 фотонів. Квантова ефективність відноситься тільки до первинних електронів, але ні в якому разі не до вторинних, які виникають за рахунок ударної іонізації.

Квантова ефективність зв'язана з фундаментальними властивостями напівпровідникової речовини діода і його здатністю трансформувати поглинені фотони в електронно-діркові пари. Чутливість може бути визначена на підставі квантової ефективності:

де е – заряд електрона, h – постійна Планка, с– швидкість світла. Оскільки е, с и h є постійними, чутливість залежить лише від довжини хвилі і квантової ефективності.

Фоновий струм

Раніше уже згадувався фоновий (тіньовий) струм, тобто струм, що виникає через теплові ефекти. Він являє собою нижчий рівень теплового шуму. Тіньовий струм зростає приблизно на 10% з зростанням температури на 1 градус. Він істотно слабший у кремнієвому діоді, використовуваному на більш коротких довжинах хвиль, чим у германієвих чи InGaAs фотодіодах, використовуваних на більш довгих хвилях.

Мінімальна детектована потужність

Мінімальна детектована потужність визначає мінімальний рівень оптичної потужності, що може бути зафіксованим. У найпростішому випадку вона відповідає рівню потужності тіньового струму. Інші джерела шуму також впливають на рівень мінімальної детектованої потужності.

Рівнем шуму діоду p-i-n-типу, що безпосередньо вказує на мінімум детектованої потужності, називається відношення сили шумового струму до чутливості:

Рівень шуму дорівнює шум на чутливість.

Як перше наближення використовується значення тіньового струму для одержання оцінки рівня шуму. Розглянемо діод pin-типу з R=0,5 мкА/мкВт і тіньовим струмом силой у 2 нА. Мінімальна детектуема потужність дорівнює

Рівень шуму

Більш точні оцінки повинні враховувати інші види шумів, такі як теплової і дробовий. Отже, шум залежить від струму, температури, опору навантаження і смуги пропущення.

Час відгуку

Часом відгуку називається час, що потрібний фотодіоду для перетворення оптичної енергії яка надійшла в електричний струм. За аналогією з джерелами, час відгуку задається часом наростання і спаду сигналу між точками, що відповідають 10% і 90% рівням максимальної амплітуди. Час наростання коливається від 0,5 нс до десятків наносекунд і лімітується швидкістю переміщення носіїв через збіднену зону. Він також залежить від прикладеної напруги: більш високому рівню напруги відповідає менший час наростання. Діод pin-типу може мати час наростання 5 нс при 15 В і 1 нс при 90 В.

Час відгуку є зв'язаним з частотною смугою пропускання діода. Частотна смуга може бути оцінена на основі часу відгуку:

Частотна смуга пропускання, чи робочий діапазон фотодіода обмежується як часом наростання, так і постійною RC, вплив якої домінує при повільних швидкостях. Частотна смуга, лімітована RC-константою, дорівнює

де

– опір навантаження і – ємність діода. Час наростання контуру дорівнює

.

На рис. 2 зображений електричний контур, еквівалентний діоду pin-типу. Він складається з джерела струму, підключеного паралельно опору і ємності, і працює як низькочастотний фільтр, що пропускає низькі частоти і затримує високі. Частота відсічення, якій відповідає загасання у 3 дБ (чи 50%), визначає верхню границю частотного діапазону (смуги пропускання). Частоти вище частоти відсічення не є робочими.

Діоди, призначені для високошвидкісних систем, повинні мати ємності завбільшки декілька пікофарад і менші. Ємність діода pin-типу являє собою ємність контактів р-i-n шарів, а також конструктивні ємності елементів підключення і кріплення. Розглянемо фотодіод з часом реакції 1 нс і ємністю 2 пФ. Його робоча частотна смуга пропускання (BW) дорівнює

.

Для визначення діапазону параметрів, при яких відсутній вплив постійної RC на частотну смугу, потрібно обчислити максимальне значення опору, що відповідає отриманому раніше значенню ширини частотної смуги.

Рисунок 2 – Електрична модель Р-I-Nдіода