![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Москва, 2007 г.
МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) Лабораторная работа Исследование импульсного оптического приемника на лавинном фотодиоде Утверждено На заседании кафедры ______________________ Москва, 2007 г.
Цель работы: теоретическое изучение и экспериментальное исследование основных характеристик импульсного оптического приемника на лавинном фотодиоде (ЛФД).
Основные понятия из теории ЛФД так же, как и обычный фотодиод (ФД), представляет собой ФчП на обратно смещенном p-n – переходе, в котором при поглощении излучения с энергией фотона В отличие от ФД, лавинные фотодиоды работают при напряжениях смещения, близких к пробивным. Усилие фототока в ЛФД достигается благодаря ударно ионизации. В сильных электрических полях (
Рис. 1. После соударения первичны и вторичные электроны продолжают двигаться к n – области, а вторичные дырки – к p – области, создавая другие электронно-дырочные пары с вероятностью Таким образом, ток Неосновных носителей Поскольку величина носителей состоит из двух противоположно направленных потоков частиц, соотношение между коэффициентами ударной ионизации которых лежит в пределах На практике величина коэффициента умножения М в ЛФД определяется его эмпирической зависимостью от величины напряжения на области пространственного заряда (ОПЗ) p-n – перехода:
где Характерной особенностью ЛФД является, как правило, их малая светочувствительная площадка (диаметр
Эквивалентная схема лавинного фотодиода на умеренно высоких частотах (рис. 2) содержит источник тока в фототок
где q – заряд электрона Источник тока Апериодическая схема включения лавинного фотодиода (рис. 4) содержит сам диод, источник питания и резистивную нагрузку. Напряжение сигнала на сопротивление нагрузки
и будет тем больше, чем выше значение нагрузочного сопротивления. Из-за реакции нагрузки коэффициент умножения фототока
где
Типовые зависимости фототока от напряжения смещении для различных интенсивностей оптического излучения приведены на рис. 5. максимальные значения коэффициентов умножения Основным источником шума в лавинных фотодиодах являются флуктуации тока, обусловленные процессом лавинного умножения носителей в p-n – переходе. В инженерной практике интенсивность шумов ЛФД характеризуют обычно приближенным выражением
где
Поскольку в режиме однородного пробоя мощность сигнала возрастает пропорционально Рассмотрим шумовые характеристики импульсного оптического приемника на ЛФД, работающего в режиме однородного пробоя. Будем считать, что за время наблюдения, соответствующее длительности принимаемых импульсов, число термогенерированных носителей, проходящих через слой умножения ЛФД, относительно велико, так что интенсивность шумов тока насыщения можно определять по известной формуле Шоттки
В этом случае основные соотношения для расчета чувствительности импульсного оптического приемника с ЛФД можно получить из анализа эквивалентной схемы входной части приемника (рис. 6). Отношения сигнал/шум на выходе приемника
Присутствие в (7) членов, растущих с увеличением М и уменьшающихся при росте М, свидетельствует о наличие экстремума функции Q(M). Дифференцируя (7) по М и приравнивая производную к нулю, получаем оптимальное значение коэффициента умножения MОПТ, при котором обеспечивается максимальное отношение сигнал/шум:
Максимальное отношение сигнал/шум в оптическом приемнике с ЛФД зависит, таким образом, не только от шумовых свойств и режима работы ЛФД, но и от принимаемой мощности излучения, с ростом которой
Таким образом, интенсивность собственных шумов приемного устройства на ЛФД, при прочих равных условиях, будет тем меньше, чем больше сопротивление нагрузки ЛФД, и, следовательно, для обеспечения лучшего отношения сигнал/шум на выходе желательно выбирать возможно более высокое нагрузочное сопротивление. Величина RH практически ограничивается требуемым временем установления входной цепи
где При приеме коротких световых импульсов величина RH уменьшается и возрастают тепловые шумы нагрузки и приемника. Пороговая чувствительность импульсного оптического приемника на ЛФД на основании (7) и (2) определяется выражением
Таким образом, использование в оптическом приемном устройстве ЛФД оказывается тем более эффективным, чем шире требуемая полоса пропускания (меньше сопротивление нагрузки RH), выше коэффициент шума усилителя КШ и ниже величина темнового тока прибора IT.
Содержание эксперимента 1. Снять зависимость выходного напряжения и времени установления исследуемого приемника на ЛФД от величины сопротивления нагрузки RH в режиме М=1. 2. Снять зависимость коэффициента умножения М от величины питающего напряжения при различных сопротивлениях нагрузки ЛФД. 3. Для одного из нагрузочных сопротивлений (по указанию преподавателя) снять зависимость относительно улучшения отношения сигнал/шум ВЛФД от величины коэффициента умножения М. 4. Вычислить отношение сигнал/шум и значение пороговой чувствительности для указанной преподавателем рабочей точки ЛФД. 5. сравнить результаты экспериментального исследования приемника на ЛФД с результатами проведенных расчетов и дать им объяснение. Контрольные вопросы 1. Объясните принцип действия лавинного фотодиода. 2. Дайте определение коэффициента умножения ЛФД. От чего он зависит? 3. Как выглядит эквивалентная схема ЛФД, каково физическое содержание входящих в нее элементов? 4. Объясните зависимость М от уровня принимаемой мощности излучения. 5. Нарисуйте эквивалентную схему входной части фотоприемника с источниками шума и поясните их физический смысл. 6. Что называется пороговой чувствительностью фотоприемника на ЛФД и от чего она зависит?
Литература
1. Радиоприемные устройства/Под ред. А.П. Жуковского – М.: Высшая школа, 1989. С. 299-305. 2. Аксененко М.Д. и др. Микроэлектронные фотоприемные устройства. – М.: Энергоатомиздат, 1984. С. 122-129.
|