Квантово-електронні модулі (стр. 2 из 3)
4. Приймачі для волоконно-оптичних систем передавання
Приймач або детектор виконує протилежну функцію в порівнянні з джерелом: він перетворює оптичну енергію в електричну і є оптоелектроним перетворювачем. Існують різноманітні детектори. Найбільш відомий тип детектора – фотодіод, що виробляє струм при влученні на нього світла. У волоконній оптиці достатньо інтенсивно використовуються два види фотодіодів: pin-типу і лавинний. У даній главі будуть описані фотодіодні детектори і їхні характеристики з погляду застосування у волоконній оптиці.
4.1Основні принципи роботи фотодіода
При переміщенні електрона з зони провідності у валентну зону в процесі електроно-діркової рекомбінації виділяється енергія. У СВД ця енергія несеться фотоном, чия довжина хвилі визначається шириною щілини між зонами. Випромінювання відбувається при пропущенні зовнішнього струму через напівпровідниковий кристал СВД.
У фотодіоді відбувається зворотний процес: світло, що падає на діод, приводить до генерації струму в зовнішньому контурі. Поглинання фотона приводить до появи збуджених електронів, що переходять з валентної зони в зону провідності. Даний процес, у результаті якого утвориться пара електрон-дірка, одержав назву внутрішнього поглинання. Ці носії струму при наявності прикладеної напруги зміщення дрейфують уздовж речовини і збуджують струм у зовнішньому контурі. У парі електрон-дірка в утворенні струму в зовнішньому ланцюзі бере участь електрон.
4.2 Фотодіоди на основі p-n переходу
Найпростішим видом фотодіода є
фотодіод, схематично зображений на рис. 4. Даний вид фотодіода достатньо рідко зустрічається у волоконній оптиці. Він буде використовуватися як основа для розгляду принципу роботи напівпровідникового фотодіода. 
Рисунок 4 – Принцип дії p-n фотодіоду
Інші пристрої – pin- і лавинний фотодіоди – були розроблені з урахуванням недоліків
фотодіода.Даний тип фотодіода є простим
пристроєм. Коли до нього прикладена напруга зі зворотним знаком (негативна клема батареї підключена до ділянки провідника 
- типу), через нього починає текти слабкий струм. Прикладене електричне поле створює збіднений простір по обох сторони переходу. Носії струму – електрони і дірки – ідуть з області переходу. Іншими словами, електрони зміщаються до негативної ділянки напівпровідника (позитивному контакту батареї), а дірки рухаються в напрямку до позитивної ділянки (негативної) контакту батареї). Збіднена зона не має вільних носіїв, по цьому її опір дуже великий, і практично все спадання напруги приходиться на зону контакту. У результаті електричні сили дуже великі в області контакту і дуже малі в інших областях.При поглинанні падаючого фотона зв'язаному електрону передається достатньо кількість енергії для переходу з валентної зони в зону провідності, при цьому утворюється пара: вільний електрон - дірка. Якщо це відбувається в збідненій зоні контакту, носії швидко розділяються і зміщаються в протилежних напрямках. Цей зсув збуджує рух електронів і в зовнішньому контурі. Коли носії досягають границі збідненої зони, де електричні полючи стають малими, те їхній рух, а отже, і струм у зовнішньому контурі припиняються.
Якщо генерація електронно-діркової пари відбувається поза збідненою зоною, носії починають повільний зсув у її сторону. Багато носіїв рекомбінують перше ніж досягають збідненої зони. Ті з них, що досягають збідненої зони, швидко проходять її під дією сильного електричного поля, збуджуючи при цьому струм у зовнішньому контурі. Даний струм виникає зі зміною у часі в порівняно з поглинанням фотона. Зміна в часі визначається первісним повільним рухом носіїв у напрямку до збідненої зони. У даному випадку струм може виникнути уже після відключення ініціюючого світла. Запізнілий струм називається повільним відгуком.
Дві характеристики
-фотодіодів обмежують їхнє застосування в більшості волоконно-оптичних додатків. По-перше, збіднена зона складає достатньо малу частину всього обсягу діода, і велика частина поглинених фотонів не призводить до генерації струму в зовнішньому контурі. Виникаючі при цьому електрони і дірки рекомбінують по дорозі до області сильного поля. Для генерації струму достатньої сили потрібно могутнє світлове джерело. По-друге, наявність повільного відгуку, обумовленого повільною дифузією, сповільнює роботу діода, роблячи його непридатним для використання у середньо- і високошвидкісних системах застосувань. Це дозволяє використовувати діод тільки в кілогерцовому діапазоні.4.3 Р-i-n фотодіоди
Структура pin-фотодіоду спроектована так, щоб уникнути недоліків фотодіода
-типу. Ця структура представлена на рис. 5.Розподіл електричного поля в залежності від довжини діоду представлені на рис. 5. Збіднена зона зроблена максимально широкою. Слаболегований проміжний шар розділяє більш сильно леговані шари n- і р- типу. Проміжний шар легований у таким, що не відноситься ні до напівпровідників 
-типу з електронним видом провідності, ні до напівпровідників -типу з діркової провідністю. Назва даного типу діодів відбувається зі скорочення назв складових його шарів: р – positive (позитивний), і – intrinsic (внутрішній), n – negative (негативний) – pin.Оскільки внутрішній шар не містить вільних носіїв заряду, то електричні сили в ньому будуть значними. При цьому утворюється збіднена зона, порівняна по ширині з розміром діода. Принципового розходження в роботі діода pin-типу і діода pn-типу не існує. Широкий внутрішній шар приводить до більшої ефективності поглинання фотонів всередині збідненої зони. У результаті падаючі фотони збуджують струм у зовнішньому контурі більш ефективно і з меншим запізнюванням. Носії, що утворяться усередині збідненої зони, миттєво зрушуються в сильному електричному полі до відповідно р- і -n- областей діоду.
Існує деякий оптимум розміру внутрішнього шару. Для більш ефективного протікання процесу перетворення падаючих фотонів у носії заряду потрібно мати по можливості більш широкий внутрішній шар. З іншого боку, швидкість спрацьовування діода зменшується з ростом ширини того шару, оскільки при цьому збільшується час зсуву носіїв до країв збідненої зони. У пристрої діода враховується баланс цих двох конфліктуючих факторів для досягнення більшої ефективності з максимальною швидкістю.
Рисунок 5 - Принцип дії ріn-фотодіода
4.4 Лавинні фотодіоди (APD)
У діодах pin-типу кожен поглинений фотон в ідеалі призводить до утворення однієї електронно-діркової пари, що у свою чергу приводить до порушення струму у виді зсуву одного електрона в зовнішньому контурі. У цьому даний тип фотодіода схожий на СВД. В основі обох лежить співвідношення один до одного між фотонами, носіями заряду і струмом. Продовжуючи порівняння, можна сказати, що лавинний фотодіод схожий на лазер, у якому співвідношення один до одного не виконується. У лазері невелика первісна кількість носіїв призводить до появи великого числа фотонів. У лавинному фотодіоді (APD) декілька падаючих фотонів призводять до появи великого числа носіїв і до істотного струму в зовнішньому контурі.
На рис. 6 представлена структура APD, що відрізняється наявністю дуже сильного електричного поля (область 1) в деякій частині збідненої зони, які наведені на рис. 6. Первісні носії – вільні електрони і дірки, що з'являються після поглинання світла, – під дією цього поля прискорюються, здобуваючи декілька електрон-вольт кінетичної енергії (область 2). При зіткненні швидких носіїв з нейтральними атомами відбувається передача частини кінетичної енергії електронам валентної зони і переміщення цих електронів у зону провідності. У результаті з'являються вільні електрони і дірки. Носії, на виникаючі в такий спосіб відміну від первісних, називаються вторинними.
Даний процес створення вторинних носіїв називається ударною іонізацією. Первісні носії породжують декілька вторинних носіїв, що у свою чергу, прискорившись в електричному полі, породжують нові носії. Процес у цілому називається фотомультиплексією і являє собою деяку форму посилення.
Рисунок 6 – Лавинні фотодіоди
Число електронів, що протікають у зовнішньому контурі в результаті поглинання одного фотона, залежить від APD-фактора мультиплексії. Типове значення фактора мультиплексії знаходиться в діапазоні від декількох десятків до декількох сотень. При значенні фактора мультиплексії 70 у середньому 70 електронів протікають у зовнішньому контурі після поглинання діодом одного фотона. Вираження "у середньому" дуже важливо. Фактор мультиплексії є статистичною величиною, про яку можна говорити тільки в змісті середнього значення. У кожнім конкретному випадку один первинний електрон може породити як більший, так і менший струм у зовнішньому контурі.