В ВОСПИ приемники оптического излучения (фотодетекторы) преобразуют энергию световых пучков в электрическую энергию. К фотодетектору предъявляются следующие основные требования: высокая чувствительность в рабочем диапазоне длин волн, малая инерционность, низкий уровень шума, малые габаритные размеры. Фотодиоды выполнены на основе фоточувствительных полупроводниковых элементов, использующих явление фотопроводимости. Это явление заключается в увеличении электропроводности при возбуждении светом носителей валентной зоны и зоны проводимости полупроводника. По механизму возбуждения носителей различают собственную и несобственную фотопроводимости.

Рис. 9.12. Принцип действия PIN-диода и его диаграмма энергетических уровней: 1 – р-слой, 2 – i –сло 3 - n-слой

Механизм собственной фотопроводимости показан на рис. 9.12. Если энергия квантов света выше ширины запрещенной зоны, то электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости, увеличивая концентрацию носителей, т.е. электропроводность полупроводника. Собственная фотопроводимость проявляется только под воздействием излучения с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны вещества. При несобственной фотопроводимости электроны и дырки, захваченные локальными уровнями примесей в запрещенной зоне полупроводника, под действием света перемещаются соответственно в валентную зону и зону проводимости. Явление несобственной фотопроводимости позволяет создавать приборы, чувствительные в области инфракрасного излучения, причем, подбирая примеси, можно установить необходимую для них спектральную чувствительность.

Фотопроводимость зависит от заряда, времени жизни, подвижности и созданной светом за единицу времени концентрации носителей, причем для обеспечения высокой фотопроводимости вещества необходима высокая подвижность и продолжительное время жизни носителей. Созданные на основе эффекта фотопроводимости фоторезисторы из-за значительной инерционности в волоконной оптике практически не применяются. Лучшими характеристиками по сравнению с фоторезисторами обладают структуры полупроводников с р-n переходами той или иной топологии, так называемые PIN и лавинные фотодиоды (APD) и фототранзисторы.

На сегодняшний день PIN-фотодиод, в дальнейшем PIN диод, является наиболее распространенным типом детектора оптического излучения, что объясняется простотой его производства, достаточно высокой температурной и временной стабильностью и широкой полосой рабочих частот. Основным отличием данного типа диодов от обычных диодов с p-n переходами является наличие между сильнолегированными p⁺ и n⁺ слоями полупроводника так называемого i-слоя, который представляет собой слаболегированный полупроводник n-типа шириной до 2…3,5 мкм (рис.9.12). Ввиду отсутствия в i-слое свободных носителей его иногда называют обедненным слоем. Так как сильное легирование слоев увеличивает проводи мость этих слоев, внешняя разность потенциалов, приложенная к р⁺ и n⁺ слоям, создает в i-слое градиент электрического поля. При подаче на p-i-n структуру напряжения обратной полярности из-за того, что в i-слое нет свободных носителей, данный слой поляризуется, и через нагрузку протекает постоянный ток I_т малого уровня, который носит название темнового тока. Значение этого тока определяется параметрами материала полупроводника, топологией p-i-n структуры и температурой окружающей среды. При воздействии на i-слой внешним излучением в нем образуются свободные электронно-дырочные пара, которые быстро разделяются и, ускоряясь приложенным электрическим полем, двигаются к электродам в противоположных направлениях, создавая во внешней цепи диода электрический ток I_ф.

Требования высокой квантовой эффективности и высокой скорости отклика для фотодиода с p-i-n структурой в известной степени противоречивы. Чтобы получить высокую квантовую эффективность, следует увеличить ширину i-области, в которой наиболее эффективно поглощаются фотоны, а для увеличения скорости отклика, наоборот, желательно иметь узкую i-область. Спектральная чувствительность и квантовая эффективность кремниевого p-i-n-фотодиода от ширины его i-области и длины волны излучения приведены на рис. 9.13. Видно, что увеличение толщины i-области от 0,1до 3,2 мкм ведет к увеличению квантового выхода (от 10% до 65 % на λ -1,1 мкм) и чувствительности (от 0,2 до 0,55 А/вТ).

Рис. 9.13. Зависимость квантовой эффективности и чувствительности p-i-n кремниевого фотодиода с различной шириной i-области от длины волны света

Так как энергия фотона обратно пропорциональна λ, идеальный фотодиод с невысокой степенью рекомбинации, генерируя одну электронно-дырочную пару на фотон, обуславливает пропорциональную длине волны чувствительность к оптическому излучению. При верхней критической длине волны энергия фотона становится ниже энергии запрещенной зоны, вызывая тем самым падение чувствительности фотодиода. При верхней критической длине волны энергия фотона становится ниже энергии запрещенной зоны, вызывая тем самым падение чувствительности фотодиода. В таблице 9.2. приведены значения запрещенной зоны и верхней критической длины волны для материалов, наиболее часто используемых при создании фотодиодов.

Таблица 9.2. Значения запрещенной зоны и верхней критической длины волны для ряда полупроводниковых материалов.

Наибольшей чувствительностью в области первого окна прозрачности кварцевых ОВ (~0,85 мкм) обладает Si, а для длин волн, превышающих 1 мкм, - Ge, InGaAs и InGaAsP. При этом верхняя критическая длина волны соединения InGaAsP может варьироваться в зависимости от процентного содержания его компонентов. Для лучших p-i-n-диодов квантовая эффективность составляет 65-70 %, величина отклика – до 0,6 А/Вт, стоимость их невелика. Поэтому эти фотодиоды широко используются в ВОСПИ в качестве детекторов при условии достаточной оптической мощности сигналов. Однако если оптические сигналы слабы, то порог чувствительности p-i-n-фотодиода может оказаться слишком высоким, чтобы их зарегистрировать.

Решением этой задачи явилось создание фотодиода нового типа, а именно лавинного фотодиода (ЛФД), в котором происходит размножение носителей тока путем ударной ионизации при поглощении фотона. Структура лавинного фотодиода и схема процесса размножения в нем электронно-дырочных пар приведена на рис. 9.14. Основное отличие лавинных фотодиодов от рассмотренных PIN диодов заключается в наличие дополнительного р-слоя. При этом создается структура p⁺-i-p-n⁺ с таким профилем распределения легирующих примесей, при котором наибольшая напряженность электрического поля имеет место в р-слое, обеспечивая тем самым наименьшую проводимость этого слоя. По этой причине обратное смещение в лавинных фотодиодах столь велико, что обедненный слой увеличивается до размеров i-слоя не снижая, а даже увеличивая напряженность электрического поля. В связи с этим электронно-дырочные пары, создаваемые светом, разделяются и ускоряются этим полем в обедненном слое, получая энергию, достаточную для ионизации атомов кристалла. Сталкиваясь с нейтральными атомами, носители вызывают возрастающее в геометрической прогрессии возникновение электронов и дырок, так называемый лавинный эффект.

Рис. 9.14. Структура лавинного фотодиода (а) и схема процесса размножения в нем электронно-дырочных пар (б)

При воздействии света на i-слой, создаваемые электронно-дырочные пары из-за имеющегося электрического поля разделяются и движутся к соответствующим полюсам, попадая предварительно в р-слой. Учитывая, что электрическое поле в данном слое намного выше, их ускорение возрастает, позволяя накопить такую энергию, которая становится достаточной для возбуждения (генерирования) дополнительных электронов и перехода их из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс носит название умножения первичного фототока.

Рис. 9.15. Структура кремниевых PIN-диода (а) и лавинного фотодиода (б):

1 – металлическое кольцо, 2 – pn-переход, 3 – умножающий слой, 4 - защитное покрытие SiO₂, 5 – антиотражающее покрытие Si₃N₄

Для примера на рис. 9.15 приведены структуры кремневого PIN-диода и лавинного фотодиода. В последнем случае высоколегированные слои n⁺ и p⁺ представляют собой контактные области, а р-зона с почти собственной проводимостью формирует поглощающий слой. Зону усиления определяет пик электрического поля на стыке n⁺/р слоев, а защитные кольца предотвращают боковую утечку зарядов. Верхний слой из нитрида кремния (Si₃N₄), также как и в PIN диодах, служит антиотражательным покрытием.

Зависимость чувствительности лавинных фотодиодов, выполненных из различных материалов, от длины волны имеет характер, аналогичный PIN диодам, поэтому кремниевые APD целесообразно использовать для всех длин волн ниже 900 нм, а германиевые или InGaAs следует использовать при 1300 и 1550 нм.

Основными характеристиками оптических приемных модулей, в состав которых входят фотодиоды, являются: рабочая длина волны (нм или мкм), диапазон скоростей передачи (Мбит/с или Гбит/с), пороговая мощность принимаемого сигнала (дБм), динамический диапазон принимаемых оптических мощностей (дБ).