Приборы и техника эксперимента, 2019, № 2, стр. 81-85

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время лавинные фотодиоды (л.ф.д.) находят широкое применение для регистрации оптического излучения в лидарных системах, оптической рефлектометрии волоконно-оптических линий связи, в квантовых информационных системах [1–3]. В этих случаях использование л.ф.д. предполагает сочетание двух режимов работы: токового и счета фотонов, что обусловлено необходимостью регистрировать оптическое излучение в широком диапазоне интенсивностей. Токовый режим работы используется для регистрации достаточно мощного оптического излучения, а режим счета фотонов применяется для регистрации излучения малой мощности [4]. В токовом режиме л.ф.д. обычно работают при напряжениях питания U_п, меньших напряжения пробоя его p–n-перехода U_пр.

В работе [5] для сочетания двух этих режимов применялся управляемый источник питания, который устанавливал напряжение питания л.ф.д. выше или ниже U_пр в зависимости от того, какой из режимов регистрации использовался. Применение такого источника питания со схемой управления усложняет устройство регистрации. Постоянное переключение напряжения питания также может привести к выходу л.ф.д. из строя.

Целью данной работы является анализ возможности реализации токового режима работы и режима счета фотонов при постоянном напряжении питания лавинного фотодиода, превышающем напряжение пробоя его p–n-перехода.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

В качестве объектов исследования были использованы кремниевые лавинные фотодиоды промышленного изготовления ФД-115Л и экспериментальные лавинные фотодиоды со структурой n⁺–p–π–p⁺.

Исследования выполнены на установке, структурная схема которой представлена на рис. 1.

Рис. 1.

Структурная схема экспериментальной установки. Г – генератор прямоугольных импульсов, И₁, И₂ – источники постоянного напряжения, СД₁, СД₂ – светодиоды, Н₁, Н₂ – наборы нейтральных светофильтров, Д – диафрагма, См – оптический смеситель, ОВ – оптическое волокно, А – амперметр, В – вольтметр, л.ф.д. – лавинный фотодиод, R_н – резистор нагрузки, Осц – осциллограф, У – усилитель импульсов, АД – амплитудный дискриминатор, АПК – аппаратно-программный комплекс.

Установка функционирует следующим образом. На светодиод СД₁ от генератора Г поступают прямоугольные импульсы. В результате светодиод СД₁ формирует импульсное оптическое излучение, которое поступает на набор нейтральных светофильтров Н₁. Набор светофильтров Н₁ обеспечивает требуемое ослабление интенсивности оптических импульсов, направляемых на первый вход оптического смесителя См.

От источника И₁ на светодиод СД₂ подается постоянное напряжения питания, в результате чего светодиод СД₂ испускает оптическое излучение постоянной интенсивности. Это оптическое излучение через набор нейтральных светофильтров Н₂ и диафрагму Д подается на второй вход оптического смесителя См. Диафрагма Д используется для перекрытия в необходимых случаях потока оптического излучения. Светодиод СД₂ обеспечивает таким образом стационарную подсветку л.ф.д.

Коэффициенты ослабления обоих наборов нейтральных светофильтров Н₁ и Н₂ могли регулироваться в широком диапазоне, обеспечивая ослабление интенсивности излучения до 10⁵ раз.

Смеситель См, объединив оптические излучения от светодиодов СД₁ и СД₂, направляет их в оптическое волокно ОВ, с выхода которого излучение поступает на лавинный фотодиод.

Лавинный фотодиод включен последовательно с нагрузочным резистором R_н (рис. 1). На л.ф.д. подается постоянное напряжение питания U_п ≥ U_пр от источника И₂ через амперметр А. Напряжение контролируется вольтметром В. При таком включении под воздействием оптических импульсов в фотодиоде формируются импульсы тока. Вместе с тем при этих напряжениях питания в л.ф.д. могут возникать импульсы тока, вызванные микроплазменным пробоем p–n-перехода. К появлению этого пробоя приводят термогенерированные свободные носители заряда, образующиеся в области умножения носителей заряда p–n-перехода, или свободные носители заряда, возникшие в этой области под воздействием стационарного оптического излучения светодиода СД₂. Далее такие импульсы будут называться микроплазменными.

Токовые импульсы, независимо от их происхождения, изменяют падение напряжения на нагрузочном резисторе R_н, формируя импульсы напряжения, которые усиливаются усилителем У. С выхода усилителя импульсы поступают на вход амплитудного дискриминатора АД. Вид импульсов напряжения на выходе усилителя контролируется осциллографом.

Амплитудный дискриминатор отделяет собственные шумы усилителя от микроплазменных импульсов фотодиода и импульсов, вызванных оптическими сигналами светодиода СД₁. Импульсы с выхода дискриминатора АД подаются на вход аппаратно-программного комплекса АПК. Аппаратно-программный комплекс на базе компьютера позволяет определять вероятность появления микроплазменных импульсов.

Напряжение пробоя л.ф.д. U_пр определялось по его вольт-амперной характеристике согласно методике, рассмотренной в работе [6]. Для исследуемых лавинных фотодиодов оно составляло 51.4 В для ФД-115Л и 190.2 В для л.ф.д. со структурой n⁺–p–π–p⁺.

Использовалось оптическое излучение с длиной волны λ = 650 нм для обоих светодиодов.

Измерения проводились при постоянном значении температуры Т = 293 К.

Характеристики генератора Г изменялись в следующих диапазонах: длительность оптических импульсов 0.1–10 мкс; частота следования импульсов 10³–10⁵ Гц.

Поскольку отдельные экземпляры исследуемых лавинных фотоприемников имеют разное напряжение пробоя, то для сравнения их характеристик между собой использовалась величина перенапряжения ΔU = U_п – U_пр.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для оценки возможности одновременной реализации токового и счетного режимов регистрации на исследуемые л.ф.д. подавалось одинаковое перенапряжение ΔU = 0.1 В и на них последовательно направлялось оптическое излучение только от светодиода СД₁, а затем одновременно от светодиодов СД₁ и СД₂. Полученные осциллограммы усиленных выходных сигналов л.ф.д. со структурой n⁺–p–π–p⁺ представлены на рис. 2. Отметим, что осциллограммы выходных сигналов для лавинного фотодиода ФД-115Л имели аналогичный вид.

Рис. 2.

Осциллограммы усиленных выходных сигналов л.ф.д. со структурой n⁺–p–π–p⁺ при ΔU = 0.1 В без внешней засветки (а) и с засветкой (б). 1 – импульсы, обусловленные оптическими импульсами светодиода СД₁; 2 – микроплазменные импульсы.

Как видно из приведенных результатов на рис. 2а, между импульсами, инициированными в л.ф.д. оптическими импульсами светодиода СД₁, появляются микроплазменные импульсы, создаваемые в лавинном фотодиоде термогенерированными свободными носителями заряда. Длительность микроплазменных импульсов приблизительно одинакова как для л.ф.д. со структурой n⁺–p–π–p⁺, так и для лавинных фотодиодов ФД-115Л, и составляет ~ 1 мкс. Отметим, что длительность τ оптических импульсов СД₁ выбиралась равной средней длительности микроплазменных импульсов, а частота их следования составляла 4 · 10⁴ Гц.

В процессе выполнения измерений имелась возможность изменения энергетической экспозиции H импульсов, формируемых светодиодом СД₁, в диапазоне 6.7 ⋅ 10^–8–2.2 ⋅ 10^–5Дж/см². Амплитуда импульсов, сформированных оптическим излучением светодиода СД₁ на нагрузочном резисторе фотодиода, естественным образом зависела от величины H. Для значений H ≤ 2.4 ⋅ 10^–6 Дж/см² амплитуда этих импульсов была равной или меньшей амплитуды микроплазменных импульсов для всех исследуемых фотоприемников. Выделить такие импульсы среди микроплазменных импульсов было практически невозможно. Максимальное количество микроплазменных импульсов, которое могло уложиться в интервале времени t = t₁ – τ (где t₁ – период следования оптических импульсов), составляло N₀ = 21.

Вероятность образования микроплазменных импульсов P определялась как отношение N/N₀, где N – среднее число импульсов, зарегистрированных за время t.

При одновременном поступлении оптического излучения от светодиодов СД₁ и СД₂ на л.ф.д. увеличивается количество микроплазменных импульсов за интервал времени t (см. рис. 2б) и, следовательно, растет вероятность P для всех исследуемых фотодиодов.

Зависимость вероятности P от интенсивности J стационарного оптического излучения имела линейный участок для всех исследуемых л.ф.д. (см. рис. 3). Линейный участок соответствовал интервалу интенсивностей стационарной подсветки 0–4 ⋅ 10^–4 Вт/м² для фотодиодов ФД-115Л и 0–5 ⋅ 10^–4 Вт/м² для л.ф.д. со структурой  n⁺–p–π–p⁺.

Рис. 3.

Зависимость вероятности образования микроплазменных импульсов от интенсивности оптического излучения СД₂  для ΔU = 0.1 В. 1 – л.ф.д. со структурой n⁺–p–π–p⁺; 2 – для ФД-115Л.

Дальнейшее увеличение интенсивности оптического излучения приводило к насыщению зависимости P от J. Такое поведения связано с тем, что при больших интенсивностях оптического излучения проявляется влияние мертвого времени [4], обусловленное тем, что в течение определенного промежутка времени после возникновения в л.ф.д. микроплазменного импульса электрическое поле в области p–n-перехода восстанавливается до допробойного значения. В этот промежуток времени микроплазменные импульсы в л.ф.д. не формируются, диод нечувствителен к падающему на него излучению. С ростом интенсивности оптического излучения вероятность поступления фотона на л.ф.д. в течение этого времени увеличивается. В результате возникают просчеты фотонов, и, как следствие, зависимость P от J отклоняется от линейной.

Из наличия линейного участка зависимостей P от J для всех исследуемых фотоприемников следует, что в промежуток времени t л.ф.д. работают в режиме счета фотонов только при тех интенсивностях J, которые соответствуют этому участку.

Установлено, что минимальный интервал между импульсом, вызванным оптическим излучением светодиода СД₁, и появлением за ним первого микроплазменного импульса составляет ∼0.1 мкс.

Величина H оптического импульса, сформированного светодиодом СД₁, для длительностей от 0.1 до 10 мкс не оказывала влияния на вероятность образования микроплазменных импульсов P в исследуемом диапазоне энергетических экспозиций.

Увеличение напряжения питания л.ф.д. приводило к росту количества микроплазменных импульсов, образованных термогенерированными носителями заряда, а также к увеличению амплитуды импульсов, сформированных оптическим излучением от светодиода СД₁ при постоянной энергетической экспозиции.

Зависимости вероятности образования микроплазменных импульсов, образованных термогенерированными носителями, от величины ΔU представлены на рис. 4 для частоты следования 4 ⋅ 10⁴ Гц и длительности оптических импульсов светодиода СД₁ 2 мкс. Оптическое излучение от светодиода СД₂ при этом отсутствовало. Исследования выполнены для диапазона перенапряжений ΔU = –0.2 … +0.4 В. При ΔU < –0.2 В микроплазменные импульсы в л.ф.д. не возникали. С увеличением ΔU > 0.4 В значительно увеличивался электрический ток, протекающий через л.ф.д., что могло привести к тепловому пробою p–n-перехода.

Рис. 4.

Зависимость вероятности образования микроплазменных импульсов от ΔU для л.ф.д. двух типов: 1 – ФД-115Л; 2 – л.ф.д. со структурой n⁺–p–π–p⁺.

При изменении ΔU от –0.2 до 0.1 В линейный участок зависимости P от J увеличивался. Это связано с уменьшением значения мертвого времени л.ф.д. при увеличении ΔU в этом диапазоне перенапряжений. Такое изменение длительности мертвого времени обусловлено уменьшением последовательного сопротивления л.ф.д. с увеличением ΔU в интервале от –0.2 до 0.1 В. Отметим, что собственная емкость л.ф.д. при этом оставалась неизменной. Дальнейшее увеличение перенапряжения не приводит к увеличению последовательного сопротивления л.ф.д. и поэтому длительность мертвого времени для ΔU > 0.1 В остается постоянной.

Установлено, что увеличение перенапряжения увеличивает вероятность появления микроплазменных импульсов, вызванных термогенерированными носителями, для всех исследуемых л.ф.д. Последнее обусловлено тем, что рост напряжения питания приводит к увеличению объема области микроплазменного пробоя p–n-перехода л.ф.д. и соответственно к повышению вероятности попадания термогенерированного носителя в эту область и формирования микроплазменного пробоя [4, 6]. Отметим, что увеличение вероятности образования микроплазменных импульсов, вызванных термогенерированными носителями заряда, влекло за собой уменьшение линейного участка зависимости P от J в интервале перенапряжений от 0.1 до 0.3 В. Так, линейный участок при увеличении перенапряжения от 0.1 до 0.3 В уменьшается для фотодиодов ФД-115Л в 1.3 раза, а для л.ф.д. со структурой n⁺–p–π–p⁺ – в 1.2 раза.

Более сильную зависимость P от ΔU имели фотодиоды ФД-115Л. Так, для фотодиодов ФД-115Л отношение ΔP/ΔU_п = 0.8 В^–1, а для л.ф.д. со структурой n⁺–p–π–p⁺ – 0.3 В^–1 (ΔP – изменение вероятности появления микроплазменных импульсов, ΔU_п – изменение приложенного к л.ф.д. напряжения питания).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные экспериментальные исследования позволяют сделать вывод о возможности одновременной реализации режима счета фотонов и токового режима для лавинных фотодиодов, что расширяет область их практического применения. Двухрежимная работа обеспечивается при постоянном напряжении питания фотодиода, превышающем напряжение пробоя его p–n-перехода.

Определены зависимости вероятности образования микроплазменных импульсов в лавинных фотодиодах от интенсивности падающего на него оптического излучения, сформированного стационарной подсветкой. Показано, что данные зависимости имеют линейный участок и реализация режима счета фотонов возможна только для интенсивностей оптического излучения, соответствующих этому участку.

Показано, что увеличение вероятности образования микроплазменных импульсов, вызванных термогенерированными носителями заряда, приводит к уменьшению линейного участка зависимости вероятности образования микроплазменных импульсов от интенсивности засветки. Это обуславливает сокращение динамического диапазона регистрации лавинного фотодиода в режиме счета фотонов.

Установлено, что фотодиоды ФД-115Л имели более сильную зависимость вероятности образования микроплазменных импульсов от напряжения питания, чем л.ф.д. со структурой n⁺–p–π–p⁺.

Работа выполнена при поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (договор № Т16К-006).