Оптоэлектроника

Обнаружительная способность фотодиода

Как это обсуждается в дополнениях 11.А и 11.Б, за шум в фотовольтаических при­емниках излучения ответствены два механизма: генерационный шум (без участия рекомбинации) (И. А.38) и шум, связанный с флуктуациями появления фотонов (11.Б.6). И вновь мы предположим, что в шуме приемника излучения не доминиру­ет компонента, связанная с фотонами (т. е. что приемник излучения функциониру­ет не в ВЫР-режиме (смотрите дополнение И. Б). В этом случае шум, связанный с самим приемником излучения, описывается выражением:

‘N = 2ql0bv = 2^,(1 + е»"'" )v

Здесь: /л1 есть ток насыщения фотодиода. В выражении (11.44) подразумевается, что знак «плюс» имеет место вследствие того, что прямой и обратный вклады вза­имно компенсируются при V= 0, в то время как их соответствующие вклады в шум являются аддитивными. В этом случае отношение сигнал/шум (£/.№) определяется выражением:

/ 91 Р.

— = и* (11.45)

** + ъяУ/кТ

При этом выражение для эквивалентной мощности шума принимает вид:

ДУ /кТ

КЕР=^-^1Л------------------ (11.46)

9^

Мы вновь вводим обнаружительную способность IX, т. к. она позволяет нам избавиться от параметров, не присущих системе, а именно: от площади А, связыва­ющей ток /а1 с плотностью тока /а1 (/^ = уЦа1) и поток Ф0 с мощностью падающего излучения Р. тс (Р. тс = АФ0Иу), а также от ширины полосы частоты измерений А у :

О* = ---------- =2------------- ,------------------------------ (11.47 а)

У/2д/ш(1 + ^/кТ)

На этот раз мы также подчеркиваем, что область детектирования и переноса — это одно и то же. При этом направления потоков фотонов и электронов параллельны.

Мы могли бы подумать, что следует подать смещение на диод (V < 0) для того, чтобы уменьшить коэффициент едУ/кт и улучшить обнаружительную способность фотодиода. Однако, такое смещение часто приводит к дополнительному шуму (ток периферийной утечки и т. п.) в регистрируемом сигнале. При нулевом приложен­ном поле (К= 0) выражение (11.47л) приобретает вид:

В* = , 71. * (11-47б)

Йу/? ^/4д/ш

Заметим, что:

4/

ЙУ

Здесь: ЯА (Ом см2) есть произведение сопротивления перехода и его площади.

С учетом этого выражение для обнаружительной способности может быть за­писано в другом виде:

Д* =—5—(Ж (11.49)

Ку/д4кТ К ’

Обнаружительная способность фотодиода

Рисунок 11.11 показывает, каким образом обнаружительная способность IX из­меняется в функции произведения ЯА при различных температурах и длине волны детектирования 5 мкм (Иу=250 мэВ) при квантовой эффективности 50%.

Эта последняя формула достаточно предсказуема в связи с выражением для плотности тока в переходе (10. Б.4л), т. е.:

Мы напоминаем, что здесь £>р, ЬВр и г есть коэффициент диффузии, диффузионная длина и время жизни неосновных носителей заряда (дырок) с я-стороны перехода; ^ есть уровень легирования: п. есть собственная концентрация носителей, опреде­ляемая соотношением (5.49): Е% — ширина запрещенной зоны материала приемни-

Ка излучения: Nc и Nv есть эффективные плотности состояний в зоне проводимости и валентной зоне, определяемые (5.46). Таким образом, вне режима BLIP обнару - жительная способность приемника излучения изменяется как е_£[17]/2*7’, что подчерки­вает важность функционирования этих приборов при низкой температуре. Мы так­же можем использовать (10.Б. З), если в токе утечки диода доминируют генерацион­но-рекомбинационные процессы с участием примесей.

Пример--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Мы хотим рассчитать произведение RA и обнаружительную способность фотодиода на основе InSb я-типа проводимости, легированного до уровня 1016 см-3, при тем­пературе 150 К. Пренебрежем температурной зависимостью ширины запрещенной зоны. Таблица 11.1 дает нам коэффициент диффузии при 150 К (kT/q = 13 мэВ) или 1700 х 13 х 10 = 22 см2 с-1. Уравнения (5.46) дают плотности состояний Nc и N для тс = 0,0145 и mv = 0,4m0, а именно: N = 1,5 х 1016 см-3 и Nv = 2,2 х 1018 см“3. Ток насыщения идеального диода определяется (11.50) или:

= 7,6 х 10 _3 А см '

Произведение ЯА определяется из (kT/q)isйX и составляет 1,7 Ом см2. В этом слу­чае при полной квантовой эффективности г] = 0,5 обнаружительная способ­ность составляет:

На рис. 11.12 показана температурная зависимость обнаружительной способнос­ти Г>* этого прибора. Из этого графика ясно видно, насколько выгодным является функционирование приемников инфракрасного излучения при низкой температуре.