Фотодиоды и фотоприемные устройства
ФОТОПРИЕМНИКИ
Фотоприемники предназначены для преобразования оптического сигнала в электрический. Они называются также фотодетекторами, так как осуществляют детектирование оптического сигнала, т. е. его демодуляцию. Фотоприемник как оптический детектор должен обладать: а) большим откликом на входное воздействие оптического сигнала; б) низким уровнем собственных шумов; в) широкой полосой пропускания, согласованной со спектром входного сигнала; г) линейностью характеристик. Эти требования противоречивы и их невозможно в максимальной степени реализовать в одном приборе, поэтому невозможно создать один универсальный фотоприемник, пригодный на все случаи жизни. К фотоприемникам также относят фотопреобразователи, основной целью которых является эффективное преобразование световой энергии заданного спектрального состава в электрическую. Типичным примером здесь служат солнечные батареи. Фотоприемник является первым и основным элементом системы демодуляции и обработки оптического сигнала. Как и в радиоэлектронике, системы детектирования в оптической электронике разделяют на две группы: а) непосредственного детектирования и б) детектирования с преобразованием. Последняя аналогична гетеродинному приему. Она применима для детектирования лишь когерентного светового потока, который предварительно смешивается с когерентным излучением опорного сигнала, генерируемого лазером и выполняющим функцию местного гетеродина. Оптическое детектирование с преобразованием, как правило, осуществляется в длинноволновом оптическом диапазоне с l> 10 мкм. Наиболее часто применяют схемы прямого детектирования.
КЛАССИФИКАЦИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ФОТОДЕТЕКТОРОВ
Все фотоприемники по принципу действия можно разделить на две большие группы: тепловые и фотонные. В свою очередь фотонные приемники подразделяют на фотодетекторы, основанные на а) внешнем фотоэффекте (фотоэлектронные умножители и вакуумные фотоэлементы, электронно-оптические преобразователи) и б) внутреннем фотоэффекте (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и т. п.).
Для определения технических возможностей конкретного фотоприемника используются следующие характеристики:
1. Спектральная (монохроматическая) чувствительность Sl — мера реакции фотоприемника на оптическое излучение с длиной волны l:
Sl=dU/dФl (B/Вт)
Или
Sl=dI/dФl (А/Вт)
Для тепловых приемников Sl не зависит от длины волны, а для фотонных приемников существует максимальная (пороговая) длина волны lт, выше которой энергии фотона hw = hс/l недостаточно для возникновения фотоэффекта.
На рис. 1 представлены спектральные характеристики идеализированного теплового и фотонного приемников. Для фотонных детекторов наряду с Sl применяют понятие квантового выхода фото ответа b как отношение числа носителей заряда, генерируемых за счет внешнего или внутреннего фотоэффекта, к числу падающих фотонов. В идеальном фотонном детекторе b = 1 при l<lm и b = 0 при l>lт. Обратите внимание, что при b = const в коротковолновой области Sl линейно уменьшается с уменьшением l, так как уменьшается число фотонов при Фl=const.
2. Интегральная чувствительность S-мера реакции фотоприемника на световой поток Ф заданного спектрального состава
Рис. 1 Идеальные спектры фоточувствительности тепловых (1) и фотонных (2) детекторов. Пунктирная кривая (3) – квантовый выход идеального фотонного детектора.
Для идеального теплового приемника S= Sl и не зависит от спектра Ф. Поэтому такие приемники используются для спектральной градуировки. Для фотонных приемников величина S зависит как от спектра фоточувствительности приемника, так и от спектра регистрируемого светового потока. Наиболее часто в качестве эталонного светового потока для определения £ используют излучение абсолютно черного тела с заданной температурой Т или излучение эталонной лампы накаливания с вольфрамовой нитью. Если температура нити накала равна 2850 К, то такой режим принято называть «режим А».
3. Минимально различимый сигнал ФMIN — та величина светового потока, измеряемая в [Вт], которая на выходе фотоприемника создает сигнал, равный шуму. Так как интенсивность белого шума пропорциональна корню квадратному из полосы пропускания Df усилительного тракта, то вводят следующую характеристику.
 |
 |
5. Обнаружительная способность D
Эта величина зависит от площади приемника А, так как шум пропорционален л/а.
6. Детектирующая способность D*, называемая также нормированной обнаружительной способностью
Это наиболее объективная и важная характеристика фотодетектора данного типа, поскольку она не зависит от его площади и полосы частот усилителя.
7. Инерционность — способность фотоприемника без искажения регистрировать быстрые изменения интенсивности светового потока. Она характеризуется или граничной частотой lmax при которой чувствительность фотоприемника падает в заданное число раз (обычно в 2 или е раз), или постоянной времени т (для линейных процессов).
 |
Для детекторов, фотоответ которых имеет экспоненциальные законы нарастания и спада с постоянной времени т, зависимость чувствительности S или Sl от частоты модуляции света f имеет вид
Инерционность тепловых приемников велика (> 10 мс), а чувствительность сравнительно низка D*= l08...1010 см-Гц Вт). Поэтому в системах передачи информации они не используются. Тепловые приемники применяются там, где необходимо обеспечить постоянство спектральной чувствительности, а также в далекой ИК-области спектра.
Фотонные приемники эффективно работают в той области спектра, где энергия фотона существенно превышает кТ. В случае, когда тепловая энергия сравнима или превышает энергию , фотона hw, тепловое возбуждение действует активнее оптического и эффективность фотонного приемника резко падает. Поэтому фотонные приемники, предназначенные для работы в области l>3 мкм, как правило, требуют охлаждения тем более глубокого, чем больше рабочая длина волны.
Фотонные приемники, принцип действия которых основан на использовании внешнего или внутреннего фотоэффектов, обладают малой инерционностью, большой чувствительностью и высокой обнаружительной способностью. В ряде современных приборов достигнуты значения этих величин, близкие к своему теоретическому пределу. Поэтому в оптической электронике применяются в основном фотонные приемники, на свойствах которых мы остановимся ниже.
Оптическую информацию, передаваемую или принимаемую в оптической электронике, можно разделить на два вида: 1) оптические сигналы, дискретные во времени и пространстве и 2) оптические образы или картины. Соответственно все фотоприемники можно разбить на две группы.
1. Дискретные, как правило, одноэлементные фотоприемники с малой рабочей площадью, предназначенные для приема коротких оптических импульсов, обладающие высокой спектральной чувствительностью Sl в заданной области спектра, большой детектирующей способностью D* и малой инерционностью т. Лучшим сочетанием параметров в этой группе приборов обладают фотодиоды, особенно p-i-n и лавинные фотодиоды.
2. Фотоприемники, предназначенные для восприятия световых образов. Как правило, это многоэлементные фотоприемники с самосканированием и высокой пространственной разрешающей способностью, обладающие хорошей чувствительностью в сравнительно широком спектральном интервале. Лучшими характеристиками из этой группы приемников обладают фоточувствительные приборы с зарядовой связью.
Вольтамперная характеристика p – n перехода фотодиода.
Фотодиоды как фотоприёмники могут работать в двух режима:
1. Без приложения внешнего напряжения к p – n переходу, т. е. как источники тока (напряжения ) на рис.1 1-ая область; такой режим работы называется вентильным.
2. При приложении напряжения в запирающем направлении; такой режим называется фотодиодным. Его мы можем разделить на две области:
а. На рис.1 2-ая область используется в p –I – n диодах.
б. Если обратное смещение увеличено до значения, близкого к пробойному Vпроб фототок резко возрастает в результате процесса лавинной ионизации, который приводит к пробою. На рис.1. эта 3-тья область.
Рис. 2 вольт-амперные характеристики р-n перехода.
Из рис. 1 видно, что фотодиод может по-разному использоваться для детектирования оптического излучения. В простейшем случае (область 1) диод непосредственно подключается ко входу усилителя напряжения с высоким входным сопротивлением, который измеряет изменение Vф (см. рис. 1). В другом случае ток диода усиливается усилителем тока, имеющим низкое входное сопротивление, т. е. напряжение на диоде поддерживается вблизи нуля. При этом оказываются весьма малыми шумы диодного тока. На практике, однако, фотодиоды в системах оптической связи почти всегда работают в фотодиодном режиме. При этом в p – n переходе существует зона, в которой нет свободных носителей заряда(обедненная зона) и в которой все определяется электрическим полем. Каждая возникающая в этой зоне пара электрон – дырка разделяется и дает вклад в ток, когда электрон и дырка выходят за границы обедненной области. Предположим, что толщина слоя объемного заряда мала по сравнению с длиной поглощения L = 1/а(l). Тогда большая часть пар электрон — дырка будут перемещаться под действием диффузии и только те из них, которые достигнут обедненной зоны, дадут вклад в фототок. Следовательно, полезными будут те пары носителей заряда, которые генерируются на расстоянии, меньшем диффузионной длины, от обедненной зоны. Можно ввести понятие скорости диффузии носителей, которая пропорциональна логарифмической производной от локальной концентрации носителей заряда С(х):
 |
Здесь D — коэффициент диффузии, который зависит от типа рассматриваемых носителей заряда. Если концентрация носителей распределяется по экспоненциальному закону, то скорость диффузии Vдифф — постоянная величина, равная произведению Da. Если предположить, что полезная толщина полупроводника е равна длине поглощения, то легко найти время, за которое носители ее проходят:
Это характерно для плоскостных фотодиодов, в которых поглощение происходит в основном вне обедненного слоя и, следовательно, постоянная времени определяется диффузией носителей. Если предположить, что толщина обедненного слоя мала и большая часть актов образования пар носителей заряда происходит вне этого слоя.
Влияние диффузии меньше, если р — n-переход расположен близко от поверхности и если велика толщина слоя объемного заряда.
Уменьшив степень легирования слоя N-типа, можно увеличить ширину слоя объемного заряда при том же рабочем напряжении. В пределе мы получаем беспримесный материал с собственной проводимостью (обозначаемый буквой /), к которому добавляется слой материала N-типа с малым удельным сопротивлением для обеспечения омического контакта. Такова структура PIN, обеспечивающая квантовый выход, близкий к единице, и очень высокую чувствительность.
Можно также повысить напряжение на фотодиоде до уровня, при котором возможно лавинное усиление (на рис.1 это 3-тья область). Тогда ширина обедненного слоя будет определяться внешним напряжением и удельным сопротивлением материала.
p-i-n-ФОТОДИОДЫ.
В фотодиоде необходимо совместить область поглощения света с обедненным слоем, чтобы одновременно удовлетворить требованиям быстродействия и высокого квантового выхода. Это реализуется в фотодиодах с p-i-n-структурой, которые являются наиболее распространенным типом фотодетекторов.
Структура и принцип действия p-i-n-фотодиода пояснены на рис. 11.15. Он состоит из низкоомной п+-подложки, слабо легированного (собственного) i-слоя и тонкого низкоомного p+-слоя толщиной до 0,3 мкм, через которые производится освещение. Низкоомные n+- и р+-области выполняют роль контактов (а). Наличие центрального высокоомного i-слоя приводит к увеличению ширины слоя объемного заряда (б) по сравнению с обычным p-n-переходом. Его толщина di, подбирается так, чтобы поглощение света происходило в этом i-слое (в), совпадающем со слоем объемного заряда. При приложении обратного смещения U обедненный слой распространяется на всю i-область. Это приводит к уменьшению емкости перехода, повышению чувствительности и быстродействия. Падающий свет, затухая по экспоненциальному закону с постоянной, определяемой показателем поглощения кш для данной длины волны, вызывает генерацию носителей заряда преимущественно в i-слое. Фотогенерированные носители ускоряются электрическим полем до скорости насыщения дрейфа (~ 105 м/с), поскольку напряженность электрического поля в обедненном слое обычно превышает 1 кВ/см. Эта скорость дрейфа примерно на три порядка превышает скорость диффузии. Поэтому p-i-n симально уменьшить долю поглощенного света вне i-слоя. С этой целью переход формируется у самой поверхности кристалла (как это реализуется в кремниевых фотодиодах), или используется эффект широкозонного окна (как в p-i-п-гетерофотодиодах).
Рис.3 Принцип работы p-I-n фотодиода:
a) структура диода; б) распределение электрического поля; в) распределение интенсивности света и скорости генерации; г) зонная диаграмма при обратном смещении
В стационарном режиме плотность полного фототока, протекающего через обратносмещенный p-i-n-переход, можно разбить на две части:
 |
где Jдр — плотность дрейфового тока, обусловленного генерацией носителей в i-слое толщиной d, а Jдифф — плотность диффузионного тока, обусловленного генерацией носителей в объеме полупроводника за пределами обедненного слоя и их последующей диффузией к области объемного заряда. Будем считать толщину приповерхностного слоя p+-типа существенно меньше
1/kw Током термической генерации можно пренебречь. Тогда в соответствии с рис.3, в скорость генерации электронно-дырочных naр:
 |
где Go определяется потоком падающих фотонов Фw=Iw/hw, коэффициентом оптического отражения Rw и площадью окна А как:
 |
 |
При этих условиях дрейфовый ток:
Плотность диффузионного тока Jдифф определяется через концентрацию неосновных носителей (в нашем случае — дырки в n-области) и их коэффициент диффузии Dp как
 |
В свою очередь концентрация неосновных носителей (дырок) находится из одномерного диффузионного уравнения, которое в нашем случае имеет вид:
 |
Здесь tр — время жизни неравновесных носителей, а рn0 — равновесная концентрация дырок. Решая это уравнение с граничными условиями pn=pn0 при z®¥ и pn=0 при z=d, подставляя это решение в находим
где Lp=(Dptp )1/2— диффузионная длина.
 |
Полная плотность фототока получается как
Как правило, здесь можно пренебречь вторым слагаемым, содержащим пр0, и тогда плотность полного тока оказывается пропорциональной падающему световому потоку. Она максимальна при двух условиях ае >> 1 и aLn> 1, которые противоречат требованию малой постоянной времени, так как увеличение е влечет за собой увеличение времени перехода. Для оценки влияния времени перехода на постоянную времени можно измерить фазовый сдвиг между фототоком и световым потоком, модулируемым высокой частотой. Для простоты предположим, что внешнее напряжение достаточно велико и поэтому в слое с собственной проводимостью нет свободных носителей заряда, а те носители, которые
 |
проходят через него, движутся с предельной скоростью при данном электрическом поле, т. е. v =vs. Обозначив круговую частоту модуляции через wbwl, можно представить световой поток в виде f= fi ехр{iwt}. Вклад, вносимый слоем толщиной dx по оси х, будет равен
 |
если положить а = 0. Следовательно,
 |
где tr = e/vs — время, за которое носитель проходит через обедненный слой. Итак, ток проводимости амплитудно модулирован функцией вида [1—ехр(iwtr)]/iwtr график
Рис.4 Изменение амплитуды и фазы
которой представлен на рис. 13.5. Если пренебречь влиянием тока смещения, который обусловлен внешним напряжением и не зависит от времени, то нетрудно видеть, что при wtr = 2,4 эта функция уменьшается на 3 дБ. Следовательно, полоса пропускания на уровне 3 дБ будет равна
Отсюда следует, что хороший компромисс между требованиями быстродействия и чувствительности достигается при е= 1/а.
Таблица 1. P – I – N фотодиоды выпускаемые ОАО "ЦКБ РИТМ"
ЛАВИННЫЙ ФОТОДИОД.
При регистрации очень малых световых мощностей (< 1 нВт) фототоки будут весьма малы (< 1 нА). В этом случае желательно использовать внутреннее усиление в фотоприемнике аналогично тому, как это осуществляется в фотоэлектронном умножителе.
В лавинном фотодиоде (ЛФД), являющемся твердотельным аналогом ФЭУ, усиление фототока происходит за счет лавинного умножения генерированных светом носителей заряда в обратно смещенном p-n переходе (рис. 11.17). При приложении к р-n-переходу обратного напряжения U, близкого к напряжению лавинного пробоя Uпр энергия носителей заряда, ускоренных электрическим полем, может превысить порог ионизации вещества. Столкновение такого «горячего» носителя с электронами валентной зоны приведет к образованию пары электрон — дырка. Если образовавшиеся вторичные носители тоже ускорятся до энергии, превышающей порог ионизации, то они создадут другие носители и т. д., как показано на рис.5. В результате проводимость нарастает за счет образования лавины носителей заряда.
Рис. 5 Лавинное умножение генерированных светом носителей заряда в p-n переходе, смещенном в обратном направлении
 |
Поглощение фотона является началом процесса, вызвавшего лавину. Коэффициент лавинного умножения М сильно зависит от напряжения смещения U. Эта зависимость может быть представлена эмпирической формулой
где показатель степени n принимает значения от 2 до 6 в зависимости как от характеристики полупроводникового материала, так и от структуры p-n-перехода. При U=Uпр с повышением напряжения происходит резкое увеличение коэффициента умножения, который может достигать 103. Обычно используют рабочие напряжения, при которых M= 10...100. Очевидно, что коэффициент лавинного умножения М и характеристики фотодиода сильно изменяются при изменении не только напряжения, но и температуры. Поэтому в электрической схеме смещения ЛФД необходимо предусматривать жесткие меры, устраняющие влияние этих изменений.
Процесс образования лавины носит вероятностный характер. Величина М изменяется случайным образом, флуктуируя около своего среднего значения. Это создает дополнительный шум, который весьма нежелателен. Для его уменьшения необходимо, чтобы коэффициенты ионизации электронов и дырок различались как можно более сильно, а лавинный пробой стимулировался носителями заряда, обладающими более высокими их значениями. Обычно такими носителями являются электроны.
Отношение коэффициентов ионизации электронов и дырок К=ап/ар в кремнии зависит от напряженности электрического поля, изменяясь примерно от 0,1 при E= 3 • 10s В/см до 0,5 при E=6-105 В/см. Поэтому для получения минимальных шумов желательно низкое значение напряженности электрического поля лавинного пробоя.
В германии коэффициент ионизации электронов и дырок сравнимы, K= 1 и среднеквадратичный дробовой шумовой ток изменяется по закону М3. Поэтому германиевые ЛФД обладают худшей обнаружительной способностью и меньшей D*, чем аналогичные диоды из кремния.
Рис.6 Зависимость тока I и коэффициента умножения М от напряжения для лавинного фотодиода
Наибольшее различие в коэффициентах ионизации и минимальное К достигается в таких материалах, в которых значение спин-орбитального расщепления валентной зоны Dco примерно равно или немного меньше ширины запрещенной зоны E8. Это условие реализуется, в частности, в твердом растворе AlxGa1-xSb. В лавинных фотодиодах на основе этого материала при М=100 шум-фактор увеличивается всего в 3 раза. Аналогичная ситуация может быть реализована и в некоторых других полупроводниковых твердых растворах, а также в структурах на основе сверхрешеток.
Для получения максимального отношения сигнал/шум в лавинном фотодиоде необходимо подбирать оптимальную величину напряжения обратного смещения, регулируя тем самым коэффициент умножения М. Поясним это с помощью рис. 6, где в двойном логарифмическом масштабе представлены зависимости мощности сигнала и мощности различных видов шумов от коэффициента лавинного умножения М. Мощность полезного сигнала растет пропорционально М2 (поскольку Р~Р). При небольших значениях М дробовой шум лавинного умножения обычно меньше теплового шума, величина которого остается постоянной. Поэтому увеличение М приводит к росту отношения сигнал/шум до той поры, пока дробовой шум не превысит тепловой. Оптимальный коэффициент умножения Мот, при котором отношение сигнал/шум максимально, достигается тогда, когда дробовой шум примерно в два раза превысит тепловой (рис.7). На практике оптимальный коэффициент лавинного умножения Мопт подбирают регулировкой напряжения смещения. Для разных фотодиодов эта величина колеблется от 10 до 150 В.
Рис. 7 Зависимости мощности выходного сигнала и мощности шумов от коэффициента умножения М в лавинном фотодиоде:
1- мощность шума; 2- мощность теплового шума; 3- мощность дробового шума; 4- суммарная мощность шумов;
Конструкции ЛФД могут меняться в зависимости от свойств применяемых материалов. Поскольку эти приборы работают в предпробойном режиме, то основным требованием является очень высокое качество и однородности как самого материала, так и p-n-структуры. Недопустимы утечки тока и появление самопроизвольных микроплазм в дефектных областях. В качестве примера на рис.8 приведена структура кремниевого лавинного фотодиода.
Рис. 8 Структура лавинного фотодиода на основе кремния:
1- омические контакты; 2- антиотражающее покрытие;
Для уменьшения отражения света рабочая поверхность покрывается просветляющей диэлектрической пленкой. Защитное кольцо по периметру p-n-перехода служит для предупреждения локальных лавинных пробоев и достижения равномерного по площади лавинного усиления. В фотодиодах на основе кремния глубина проникновения света велика вследствие малости показателя поглощения. Поэтому область обедненного слоя по аналогии с p-i-n-фотодиодом формируют в виде слаболегированного высокоомного p---слоя (p-слоя). К этой области примыкает р-слой с высокой концентрацией носителей, образующий лавинную область с большой напряженностью электрического поля. В фотодиодах на основе прямозонных полупроводников A3B5 показатель поглощения велик, необходимость в создании широкого обедненного слоя отсутствует и они могут быть выполнены в виде простой p+-n-структуры. Лавинные фотодиоды обладают очень высоким быстродействием, достигающим (0,2...0,5) нc. Они имеют максимальное произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания, составляющее 100 ГГц и более. В то же время ЛФД значительно дороже, требуют специального источника питания, они капризнее в эксплуатации, чем p-i-n- фотодиоды. Они применяются в оптоэлектронике для регистрации слабых оптических потоков, промодулированных высокочастотным сигналом.
Таб.2 ЛАВИННЫЕ ФОТОДИОДЫ на основе германия (Ge) и кремния (Si)
Гетероструктурные диоды и диоды с барьером Шотки.
При использовании прямозонных и непрямозонных материалов вдали от порога коэффициент поглощения может быть очень большим более 106 м-1. Тогда при изготовлении диода необходимо обеспечить очень тонкий и сильно легированный (хорошо проводящий) поверхностный слой. При этом появляются трудности, обусловленные относительно высокой скоростью поверхностной рекомбинации. Большая часть рождающихся в поверхностном слое носителей рекомбинирует на поверхности, прежде чем успеет диффундировать к контактам. Следовательно, ухудшается квантовый выход. Найдено два способа преодоления этой трудности: диод с барьером Шотки (рис. 9, а) и гетероструктурный диод (рис. 9, б).
Рис. 9 Схематическое поперечное сечение GaAs фотодиодов, использующих:
А- выпрямляющий контакт металл – полупроводник (барьер Шотки). Поверхность утечки уменьшена путем пассивирования SiO2. б- GaAs/GaAlAs гетероструктура, в которой p+GaAs частично вытравлен и излучение попадает непосредственно на прозрачный p+GaAlAs слой.
В диоде с барьером Шотки используется отрицательно смещенный выпрямляющий слой металл полупроводник. Это не всегда возможно; например, в германии обратный ток возрастает слишком быстро с ростом напряжения. Конечно, пленка металла должна быть достаточно прозрачной для излучения. Практически это означает, что ее толщина не должна превышать 10 нм.
Гетероструктурные диоды больше подходят для использования в оптической связи на длинных волнах. Образующий поверхностный слой полупроводник должен иметь широкую запрещенную зону, чтобы поглощение излучения было слабым. Поглощение становится значительным при попадании света в узкозонный материал гетероструктуры, где электрическое поле максимально. Если скорость рекомбинации не слишком велика, можно получить высокий квантовый выход. Обычно работают с двумя системами, а именно
(In Ga As P)1/(In Ga As P)2/InP и (Ga Al As Sb)1/(Ga As Sb)/Ga Sb
в которых можно выделить три области — поверхностный слой, дрейфовую область и подложку. В системе InGaAsP в состав поверхностного слоя может входить InP.
Гетерофототранзисторы.
Весьма перспективными для интегрально-оптических и оптоэлектронных схем оказываются биполярные фототранзисторы с широкозонным гетероэмиттером гетерофототранзисторы (ГФТ), реализация которых стала возможной благодаря успехам эпитаксиальной технологии.
Рис. 10 Принципиальное устройство ГФТ
Принципиальное устройство ГФТ показано на рис. 10 (его зонная диаграмма эмиттер база на рис. 11. Заштрихованной показана так называемая легированная плоскость, которая представляет собой тонкий (~0,1 мкм) сильно легированный акцепторами (Nа~1О11 см-2) слой, вводимый при резком гетеропереходе для снижения рекомбинационных потерь на границе раздела база эмиттер. Широкозонный гетероэмиттер является прозрачным окном для излучения, поглощаемого в относительно узкозонной базе. Наличие пичкового потенциального барьера Dxc для неосновных носителей базы на границе гетероперехода позволяет независимо выбирать уровни легирования эмиттера Na и базы Ns так, чтобы N3<<N6, разделить области поглощения и переноса.
Рис.11 Энергетическая диаграмма резкого p-n перехода эмиттер(Э)- база (Б).
При этом удается достигнуть практически максимальной добротности фотоприемника (100 ГГц) при G>100. Гетерофототранзистор двухполюсный прибор, который не имеет подключенной базы.
Как высокодобротный фотоприемник ГФТ является альтернативой лавинным фотодиодам, отличающейся большей технологичностью и менее жесткими допусками на разброс его параметров, в том числе напряжения смещения. По Ропор ГФТ существенно (на порядки величин) уступает лавинным фотодиодам. Однако для интегрально-оптических схем этот параметр в ряде случаев не является критичным.
 |
Схема включения ГФТ соответствует схеме с общим эмиттером, для которой
где vб , v3 — средние скорости электронов около эмиттерного края базы и дырок около базового края эмиттера соответственно; 5vб/vз<50; Dxv= q(Up—Un)=DEg—DxC— скачок потенциала валентной зоны на границе гетероперехода; Dxс — скачок потенциала для зоны проводимости на границе гетероперехода; DEg = = ЕЭ—Еб разница ширины запрещенных зон эмиттера и базы (рис. 55). Из выражения следует, что для получения больших G при Nэ/Nб<<1 и Vб/Vэ<50 необходимо выбирать гетеропары, у которых Dxc/Dxc велико и Dxv>>kT. Для AlxGa1-x As/GaAs при x = 0,28 Dxс=0,3 эВ, а Dxv = 0,053 эВ (~2 kT при T=300° С).
При комнатной температуре такой гетеропереход дает сравнительно небольшой выигрыш в G, что вынуждает повышать уровень легирования эмиттера вплоть до NЭ=1017 см-3. Эффективность гетероперехода значительно возрастает, если он плавный. Плавный гетеропереход получают, задавая x=var у перехода. При этом G возрастает примерно в exp (Dxc / kT) раз, что позволяет получать коэффициенты усиления фототока 300—600 при задержке >50 пс.
У гетеропары Gax In1-x_P/GaAs при x=0 величина ступеньки Dxv= 0,29 эВ (~11 kT), а Dxс=0,16 эВ, что позволяет практически нелегировать эмиттер. Могут быть также использованы структуры InGaAsP/InP, в которых в качестве широкозонного эмиттера используется фосфид индия. У двух последних пар в гетерофототранзисторах наблюдается значительный темновой ток, что практически исключает их применение в качестве низкопороговых скоростных фотоприемников. Высокий уровень легирования базы (Nб = IO18—1019 см~3)' позволяет получать объемное время жизни неосновных носителей t0>1 пс. При этом поле в базе Еб = Dxв /qWб= 104 В/см, что превышает пороговые значения для GaAs и InP. При таких полях перенос носителей происходит почти баллистическим путем при Vб= (1,5—2,5) • 107 см/с. При низких уровнях легирования эмиттера снижается его емкость СЭ=N1/2Э, что адекватно снижению уровня шумов приемника. Чтобы при этом не возрастало последовательное сопротивление эмиттера, его толщину уменьшают до нескольких десятых долей микрометра.
Гетерофототранзистор весьма сложная многослойная структура. Однако она типичная для большинства скоростных высокочувствительных приемников с вертикальной топологией.
В структуре прибора всегда есть размер в направлении движения носителей, который ограничивает его быстродействие временем пролета:
 |
где Vд max<(1—3)Vt=107—108 см/с. Из выражения следует, что для получения малых tnp необходимо сокращать критические длины, увеличивать поля в активной области прибора и выбирать материалы с большой подвижностью носителей. При этом инжектированные излучением носители должны иметь большую подвижность.
В общем случае tпр определяется как дрейфом, так и диффузией носителя. Последняя составляющая появляется тогда, когда излучение поглощается также вне активной области сильного поля. В диодных структурах это означает генерацию электронно-дырочных пар вне области пространственного заряда (ОПЗ). При этом tпр=[WOПЗ +2(Lп + Lр)]/Vднас где Ln , Lp — диффузионные длины неосновных носителей в нейтральных р- и n-областях прибора соответственно; VДНАС средняя дрейфовая скорость насыщения, определяемая скоростями носителей обоих знаков. Для большинства материалов, применяемых в быстродействующих фотоприемниках, VДНАС = VРНАС =VДНАС.
В выражении tP=tnp + tCX составляющая схемной релаксации tCX= (Rн+Rg)Cg ; Cg, Rg полные емкость и последовательное сопротивление приемника; Rн сопротивление нагрузки. При микроминиатюризации фотоприемников, что характерно для фотоприемников интегрально-оптических схем, время tcx уменьшается. Конструкция фотоприемника должна быть такой, чтобы выполнялось неравенство tСX<tnp. Такой оптимизированной диодной структурой является р—i—n-диод, в котором область сильного поля расширена за счет i-области. В режим истощения при напряжениях смещения UCM>W2i /2ee0m0r, Wi=Wt. Если при этом Won3=1/а, то при фронтальном возбуждении практически все излучение будет поглощаться в области сильного поля диода. Таким образом, при h= 0,8—0,9 размеры i-области оказываются тем меньше, чем больше коэффициент поглощения излучения а в данном материале. В соответствии с этим для p=Si с р=104 Ом-см в диапазоне l=0,8—0,9 мкм толщины Wi = 20—50 мкм при Won3 = = 10—20 мкм и Uсм = Uис = 5 В. При этом tр <150 нc и уменьшается с ростом напряжения смещения до единиц наносекунд при UCM = 100 В.
Диапазону длин волн 0,9—1, 6 мкм соответствуют материалы AiiiBv, в частности n-- lnP, -InGaAs, -InGaAsP, для которых условие Wi=1/a при R выполняется уже при толщинах 3— 10 мкм. У этих материалов наблюдаются и самые высокие подвижности носителей, достигающие при комнатных температурах 104 см3/В с. (mn =12600 см2/В с, n- Ino,53Gao,47As, lо=1,3мкм). Для приемников излучения на l<0,9 мкм, в частности на l=0,82 мкм, широко используется GaAs, AlGaAs, для которых хорошо отработаны технологии получения практически всех типов скоростных фотоприемников.
ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ.
Рассмотренные выше фотоприемники регистрируют оптическое излучение, попадающее на приемный элемент, как целое. Для регистрации оптического изображения, его последующей обработки и передачи электронными методами необходимо проводить поэлементный прием. Современные методы микроэлектроники позволяют сформировать на одном кристалле пленарную структуру в виде сетки фотодиодов с количеством элементов 1000 х 1000 и более. Если на такой многоэлементный фотоприемник спроектировать оптическое изображение, то сигнал в каждом элементе будет пропорционален освещенности в данной точке. Весь вопрос заключается в том, каким образом снять сигнал с каждого из элементов и как осуществить последовательное сканирование (выборку) этих элементов. В качестве примеров успешного решения этого вопроса рассмотрим: а) передающие телевизионные трубки типа «видикон» и
б) фоточувствительные приборы с переносом заряда. Видикон, плюмбиконы и кремниконы. Это электровакуумные приборы, представляющие собой электронно-лучевую трубку, мишень которой изготовлена из фоточувствительного материала. Они предназначены для конверсии оптического изображения в электрические сигналы и наиболее часто применяются как передающие телевизионные трубки. Схема трубки типа «видикон», поясняющая принцип ее работы, приведена на рис. 11.21. Оптическое изображение с помощью объектива формируется на тонкой фоточувствительной мишени. Эта мишень со стороны изображения покрыта электропроводящим слоем, прозрачным для оптического излучения (обычно SnO2). На этот слой через нагрузочное сопротивление Rн подается положительный потенциал Uраб порядка +50 В относительно катода. С противоположной стороны мишень сканируется электронным лучом, который управляется с помощью обычных фокусирующих и отклоняющих систем аналогично тому, как это делается в электронно-лучевой трубке. В рабочем режиме мишень действует подобно конденсатору с утечкой. При отсутствии освещения сопротивление рабочего слоя велико и электрический заряд накапливается на противоположных обкладках конденсатора. Со стороны электронного луча потенциал обкладки будет равен потенциалу катода, т. е. 0, в то время как с противоположной стороны он равен Uраб. При освещении мишени сопротивление фоточувствительного материала уменьшается и конденсатор будет разряжаться. Сопротивления слоев и их толщина подобраны таким образом,чтобы за время сканирования одного кадра растекание заряда по площади мишени было невелико. Тогда разрядка будет происходить только в том месте, куда падает свет. Когда электронный луч достигнет «разряженной» области, он будет ее дозаряжать, вызывая ток через конденсатор (рабочую мишень) и через нагрузочное сопротивление Rн. Сумма протекающего заряда будет зависеть от того, насколько разрядился конденсатор, т. е. суммой света, падающего в данном месте на фоточувствительную мишень. Электрический сигнал, снимаемый с нагрузочного сопротивления, пропорционален протекающему через мишень току, т. е. освещенности мишени в том месте, куда падает электронный луч. Сканируя электронным лучом по поверхности мишени, мы таким образом преобразуем оптическое изображение в электрический сигнал.
Недостатком описанной выше трубки типа «видикон» является большое значение темнового тока. Этот недостаток отсутствует в трубке, получившей название «плюмбикон». Принцип действия этой трубки такой же, но рабочая мишень «плюмбикона» представляет собой слоистую p-i-n-структуру, изготовленную на основе окиси свинца РЬО (отсюда — название трубки), как показано на рис.13, а. Прозрачный слой SnO2 выполняет роль контакта p-типа. С противоположной поверхности слой РЬО обогащен кислородом, что создает p-тип электропроводности. На n-SnO2 подается положительный потенциал Uраб, смещающий p-i-n-структуру в обратном направлении. Поэтому темновой ток мал.
Ширина запрещенной зоны РbО — около 2 эВ. Поэтому к красному свету с l > 0,6 мкм этот материал нечувствителен. Для повышения чувствительности в длинноволновом диапазоне добавляют тонкий слой PbS (Eg= 0,4 эВ) со стороны мишени, обращенной к электронному лучу.
Дальнейшее совершенствование мишени привело к замене сплошных фоточувствительных слоев сеткой из кремниевых фотодиодов, как показано на рис. 11.22, б. Передающая электронно-лучевая трубка с мишенью в виде кремниевой фотодиодной
Рис.12 Передающая телевизионная трубка типа «Видикон»:
1-катод; 2-электронный пучок; 3-фокусирующие и отклоняющие системы; 4-фотопроводящая мишень; 5-прозрачный электрод; 6-защитное окно; 7-обьектив; 8-выходной сигнал;
матрицы, предназначенная для преобразования оптического изображения в электрический сигнал, называется кремниконом. Мозаика p-n-переходов общим числом 106 и более (до 108) изготавливается на кремниевой пластине методом диффузии илиионной имплантацией. На поверхность, обращенную к электронному лучу, наносится тонкая проводящая пленка, предохраняющая пленку SiO2 от накопления заряда.
На n-область мишени через контактный n+-слой подается небольшое положительное напряжение Uраб~5... 10 В, смещающее p-n-переходы в обратном направлении и заряжающее их емкости. Освещение приводит к появлению фототока и разрядке емкостей p-n-переходов. При сканировании электронным пучком происходит их дозарядка. Протекающий через сопротивление Rн ток формирует видеосигнал, в котором закодировано изображение.
Темновой ток, искажающий видеосигнал, в кремниконе очень мал и находится на уровне 10 нА. Устройство обладает хорошей чувствительностью в спектральном диапазоне 0,4...0,9 мкм.
Отметим, что все рассмотренные выше мишени как приемники оптических изображений работают в режиме накопления. Типичная длительность кадра tк=(1/25) с, а длительность цикла опроса t0 на 2 — 3 порядка меньше. Это позволяет повысить чувствительность приемника.
Основные недостатки рассмотренных выше приемников изображений типа «видикон» характерны для всех электровакуумных приборов и связаны с необходимостью вакуумирования, а также использования больших ускоряющих напряжений UA и сравнительно больших мощностей для управления электронным пучком. Этих недостатков лишены полностью твердотельные приемники оптических изображений, основанные на использовании эффекта переноса заряда в приборах с зарядовой связью (ПЗС).
Приемники изображения на ГОС. Это растровые безвакуумные приемники оптических изображений. Они осуществляют восприятие изображения, его разложение на элементарные фрагменты, поэлементное электронное считывание (сканирование) и формирование на выходе видеосигнала, адекватного изображению. Поэлементное считывание происходит за счет управляемого перемещения макроскопических зарядовых пакетов вдоль полупроводниковой подложки в приборах с переносом заряда при подаче на них определенной последовательности тактовых импульсов.
Фотоприемник на ПЗС представляет собой специальную фоточувствительную МДП (или МОП)* — микросхему с регулярной системой электродов, расположенных на поверхности диэлектрика настолько близко друг к другу, что за счет перекрытия электрических полей соседних электродов внутри полупроводника становится существенным их взаимодействие. Основу прибора составляет элементарный конденсатор со структурой металл — диэлектрик — полупроводник (МДП-конденсатор). Наиболее часто в качестве полупроводника используется кремний, а функцию диэлектрика выполняет его окисная пленка SiO2.
На рис. 13, а изображен такой МОП-конденсатор: металлический электрод, нанесенный на термически окисленную подложку из p-кремния. Если к металлическому электроду приложить положительное напряжение Uo относительно p-подложки, то на границе раздела SiO2-Si образуется потенциальная яма для неосновных носителей заряда
Рис.13 МОП-конденсатор как фотоприемник:
А) поперечное сечение; б)условное изображение потенциальной ямы; в)энергетическая диаграмма МОП-структуры при действии света и приложении положительного напр к металлическому электроду.
(электронов). Распространение потенциальной ямы вдоль границы раздела, т. е. вдоль поверхности кремния, ограничивается специально созданными р+-областями полупроводника, имеющими тот же тип проводимости, что и подложка, но степень легирования на несколько порядков выше. Их называют областями стоп-диффузий. Ограничение обеспечивается тем, что в низкоомных областях стоп-диффузий поверхностный потенциал на границе раздела близок нулю (рис. 13, б). При воздействии света с hw>Eg возникающие в полупроводнике неосновные носители заряда (электроны) собираются в потенциальной яме вблизи границы раздела и образуют инверсионный слой толщиной порядка 10 нм. Это пояснено на рис. 13, в. Процесс идет аналогично тому, как это происходит в фотодиоде, с той разницей, что сквозному движению носителей заряда препятствует потенциальный барьер на границе диэлектрик — полупроводник. Поэтому в потенциальной яме накапливается заряд Q, который пропорционален интенсивности и времени воздействия света. При увеличении заряда Q в яме поверхностный потенциал уменьшается, как это показано сплошной линией на рис. 13, б. Обедненная область схлопывается, а емкость электрод — подложка увеличивается.
Таким образом, в течение промежутка времени, меньшего времени релаксации, МДП (МОП)-конденсатор может служить запоминающим элементом для аналоговой информации. Это прибор динамического типа, а носителем информации в нем является зарядовый пакет, который определяется интегралом от светового потока по времени накопления с учетом разрядки за счет процессов рекомбинации и возможных утечек.
Пусть теперь два МДП-конденсатора, изготовленные на общей подложке с общим диэлектрическим слоем, расположены настолько близко друг к другу, что их обедненные области перекрываются и потенциальные ямы взаимодействуют («связываются»). Тогда подвижный заряд неосновных носителей будет накапливаться в том месте, где выше значение поверхностного потенциала, т. е. где глубже яма. Если изменять потенциал во времени, то заряд будет перетекать в наиболее глубокую часть потенциальной ямы. В этом и состоит идея управляемого переноса заряда от одного электрода к другому. Она проиллюстрирована на рис. 14 на примере ставшей классической трехкратной (трехфазной) схемы.
Электроды в ПЗС-фотоприемной матрице располагаются в виде линейки (строки) или матрицы, как показано на рис. 14, а. Зазор между электродами 1...2 мкм и менее. Число электродов в линейке обычно 5 • 102...2-103, а в матрице может достигать 106 и более. Электроды изготавливаются из алюминия или поликремния (для улучшения прозрачности). Одна строка от другой в матричном приемнике отделяется узкими областями p+-стоп-канальной диффузии. Одна элементарная ячейка фотоприемника на ПЗС включает три соседних электрода одной строки, обозначенные Э1 — ЭЗ на рис. 14, а. Каждый из однотипных электродов подсоединен к своей шине тактового питания. Функцию фотоприемника выполняет одна структура, например, первая. Две другие служат для считывания, коммутации и вывода сигнала.
В течение первой фазы (диаграмма «а» на рис. 14) происходит прием оптического сигнала в каждой из Э1-структур. К электроду 1 прикладывается положительное напряжение смещения Uo около 10...20 В. За это время в каждой из Э1-структур происходит накопление заряда пропорционально освещенности в данной точке.
Во время второго цикла (диаграмма «б») к электроду 2 прикладывается напряжение считывания исч>и0. Происходит перетекание накопленного зарядового пакета в более глубокую потенциальную яму, т. е. под электрод Э2.
Во время третьей фазы (диаграмма «в») потенциал с электрода 1 снимается и заряд полностью перетекает под электрод Э2. Третий электрод ЭЗ играет роль буфера, обеспечивающего однонаправленное перемещение заряда. Если бы он отсутствовал, то зарядовый пакет из ячейки Э1 мог бы равновероятно перетекать как вправо, так и влево.
Итак, зарядовый пакет перенесен на один шаг вправо и подготовлен к следующему перемещению. Чтобы переместить его на полную ступень (элементарную ячейку), надо произвести три переноса из ямы в яму, для чего требуется три отдельных тактовых импульса, как показано на временных диаграммах рис. 14, г.
В конце каждой строки имеется элемент вывода, не показанный на рис. 14. Таким элементом может быть, например, n+-область под последним электродом. Когда очередной зарядовый пакет достигнет этой области, он свободно пройдет через р-п+-переход, создавая на нагрузочном сопротивлении выходной сигнал. Таким образом все зарядовые пакеты могут детектироваться с помощью единственного выходного диода, изготовленного на той же подложке. В этом состоит одно из существенных достоинств приборов с переносом заряда.
Для удобства технической реализации перечисленных выше функций обычно их пространственно разделяют, для чего имеются секции накопления, хранения и выходной регистр. Единичный кадр возбуждается в секции накопления (Э1) в течение 1/25 или 1/30 с (ТВ-стандарты), затем быстро (10~4...10~7 с) параллельно сдвигается в секцию хранения, из которой в течение времени накопления последующего кадра последовательно построчно переносится в выходной регистр. Обычно применяют два способа считывания из секции накопления: строчно-кадровый, при котором зарядовый пакет пробегает всю строку, и адресный или координатный, при котором зарядовый пакет от каждого элемента матрицы накопления передается в соседний с ним элемент матрицы хранения. В
Рис.14 Принцип работы твердотельного приемника изображения на ПЗС-матрице:
Схема трехфазного n-канального ПЗС на p-Si и поперечные сечения потенциальных ям в момент времени t=t1, соответствующий режиму накопления; потенциальные ямы в моменты времени t2 и t3, соответствующие режимам переноса заряда (б) и его хранения (в); г)временные диаграммы тактовых импульсов.
последнем случае обе матрицы как бы вставлены друг в друга. Такие структуры называют фоточувствительными приборами с зарядовой инжекцией.
Зарядовый пакет сохраняется ограниченное время (порядка 10-1...10-3 с). Рекомбинация и захват электронов на объемные и поверхностные центры приводит к искажению хранимой информации. При передаче зарядового пакета из ячейки в ячейку также происходит некоторая потеря информации вследствие взаимодействия электронов зарядового пакета с поверхностными ловушками, а также неполного перетекания зарядов. Для уменьшения этих нежелательных эффектов применяют ряд мер как в системе электрического питания устройства, так и при его технологическом исполнении. Кроме рассмотренной на рис. 14 простейшей структуры типа приборах поверхностным каналом и одноярусным расположением электродов, существует много других разновидностей матричных фотоприемников на ПЗС, в том числе поверхностные фоточувствительные ПЗС с двух-и трехъярусным расположением электродов, фоточувствительные ПЗС с объемным (скрытым) каналом и др. Принцип их работы остается аналогичным рассмотренному выше.
Твердотельные приемники изображения делятся на две группы: линейные (однострочные) и двумерные (матричные). Для получения двумерного изображения с помощью линейного приемника нужно применять механическое сканирование, например, вращающимся зеркалом. В матричных фотоприемниках накопление заряда происходит в течение всего времени кадра, поэтому их фоточувствительность выше, чем линейных приемников, где время накопления заряда ограничено проходом одной строки. Современные матричные приемники оптических изображений на основе ПЗС характеризуются следующими основными параметрами: напряжение питания (амплитуда рабочих импульсов) — 10...30 В; фронты управляющих трапецеидальных импульсов — 0,01...0,1 мкс; максимальная тактовая частота — (1...50) МГц; относительные потери при единичном акте передачи — 10-3...10-5; минимальная (пороговая) экспозиция, различимая на фоне шумов,— (0.1...1) нДж/см2; динамический диапазон ~60 дБ; плотность темнового тока — (5...20) нА/см2; чувствительность S= 0,1...0,4 А/Вт в спектральном диапазоне — 0,4... 1,1 мкм для кремниевых приборов; разрешающая способность — (10...50) лин/мм. Основные области применения матричных фотоприемников на ПЗС — это телевизионная техника, распознавание образов, оптические измерения, фототелеграфия, ночное видение и т. д.
Шумы фотодиодов.
А. Шумы в отсутствие лавинного усиления
В данном случае фототок пропорционален вызывающей его световой мощности. Такое соотношение выполняется в среднем, поскольку, как показывает более детальный анализ, фототок есть случайная величина, которая, как и всякая другая случайная величина, характеризуется различными моментами распределения вероятностей: средним значением, среднеквадратичным и т. д. Это и понятно, так как ток на выходе фотодиода равен сумме отдельных токов, соответствующих движению носителей заряда, возникающих в разные моменты времени.
Этот шум, который будет добавляться к шумам цепей усиления и обработки информации, искажает сигнал и так же, как потери в оптических волокнах, ограничивает дальность оптической связи.
Обозначим через p(t) мощность светового импульса, падающего на фотодиод, через {tn}--последовательность моментов времени, в которые рождается пара электрон — дырка, а через u(t) — импульс напряжения на нагрузочном резисторе фотодиода, создаваемый парой носителей в момент t = 0). Полное напряжение на нагрузочном резисторе будет равно
 |
где N — полное число пар носителей заряда, генерируемых световым импульсом. Как показано, процесс генерации носителей, с которым связаны случайные переменные {tn} и N, описывается распределением Пуассона с параметром l(t), зависящим от времени. Таким образом, вероятность того, что в промежутке времени (t, t+ T) возникнет п пар носителей заряда, равна
 |
В таком случае среднее напряжение на выходе равно:
 |
а его дисперсия такова:
Добавленное здесь слагаемое s2t учитывает шумы, главным образом тепловые, которые вносят электронные схемы, включенные на выходе фотодиода.
Положив p(t) = const = р0, можно написать выражение для отношения сигнала к шуму:
Допустим также, что u(t)—импульсный отклик идеального фильтра низких частот с полосой пропускания Df; тогда окончательно получим
Следовательно, существует такое значение световой мощности р0, при котором шум равен сигналу, т. е. S/B = 1 (или О дБ). Такая мощность называется эквивалентной мощностью шума. Чем меньше эквивалентная мощность шума, тем меньше оптическая мощность на входе приемника, необходимая для обеспечения заданного отношения сигнала к шуму. Обычно тепловой шум пропорционален полосе пропускания Df, и поэтому эквивалентная мощность шума измеряется в единицах Вт*Гц-1/2 .
Б. Шумы при наличии лавинного усиления
 |
Полученные выражения показывают ту важную роль, которую играют собственные шумы фотодиода в уменьшении полного отношения сигнала к шуму. Для уменьшения этого влияния можно использовать лавинный фотодиод с внутренним коэффициентом усиления М. Коэффициент усиления — случайная величина, распределение вероятности которой зависит от типа носителя заряда, вызывающего ионизацию. Обозначим через Мn значение коэффициента усиления в момент времени tn когда рождается первая пара электрон — дырка. Полное напряжение на нагрузочном резисторе будет равно
 |
Не вдаваясь в детали довольно сложного расчета, напишем сразу формулу для среднего квадрата:
 |
где M — среднее значение величины Мn , a F(M)— коэффициент шума, характеризующий отклонения от постоянного коэффициента усиления, равного М. При данных условиях выражение (13.25) принимает вид
Аналогичным образом можно определить эквивалентную мощность шума для системы фотодиод — нагрузка. Отметим, что она зависит от коэффициента усиления М. Если предположить, что F(M) = MX то легко показать, что существует оптимальное значение M, при котором эквивалентная мощность шума минимальна.
Уровень принятого сигнала и BER
Один из первых шагов при проектировании звена ВОСП - установить пороговый уровень принимаемого сигнала, заданный характеристиками конкретного приемника. Для каждого типа приемника производитель дает кривую или семейство кривых, где представлена зависимость BER от уровня сигнала, выраженного обычно в дБм. Рассматриваемый пороговый уровень может изменяться от 10-9 до 10-12, в зависимости от организации, исследователя или оператора сети/системы. Например, оператор Sprint устанавливает порог на уровне 10-12, исследователь Agrawal — на уровне 10-9, стандарт MIL-HDBK-415 - на уровне 10-9, стандарт ITU-T G.957 - на уровне 10-10, a Telcordia TSGR - на уровне 2 10-10 (интерфейс DSX). Мы предполагаем, что эти уровни соответствуют всей системе в целом для сигнала, переданного «из конца в конец». Следовательно, лежащая в основе ВОСП сеть, по которой передаются сигналы, рассчитанные на эти пороги, должна иметь значительно лучшие характеристики. Если мы представим, например, что число мультиплексных (ввода-вывода) и регенераторных секций, соединенных в тандемном соединении, чтобы пересечь континентальную часть США, равно 100, то для каждого звена в этом соединении потребуется BER порядка 2 10-12 для того, чтобы получить на приемном конце уровень BER порядка 10-10, при условии случайных ошибок.
Табл. 3 Уровни приема и значения BER для используемых скоростей передачи.
