Способ стабилизации лавинного режима фотодиода
METHOD FOR STABILIZING THE AVALANCHE MODE OF A PHOTODIODE

Предлагаемое изобретение относится к приему оптических сигналов, в частности, к технике приема сигналов с помощью лавинных фотодиодов, и может быть использовано в локации, связи и других фотоэлектронных системах.
Известен способ приема оптических сигналов с помощью лавинных фотодиодов [1]. Известны также способы стабилизации лавинного режима фотодиода, например, путем термокомпенсации рабочей точки напряжения смещения [2].
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ стабилизации режима лавинного фотодиода, напряжение смещения которого поддерживают путем стабилизации частоты шумовых импульсов, возникающих в фотодиоде в процессе лавинного умножения [3].
Недостатком этого способа является возможность введения фотодиода в режим микроплазменного пробоя [4]. Микроплазменные импульсы тока имеют прямоугольную форму и постоянную амплитуду, которая возрастает по мере увеличения обратного напряжения. Увеличение тока накачки сопровождается увеличением длительности импульсов и уменьшением скважности [5]. В таком режиме шум лавинного фотодиода состоит из двух независимых составляющих - нормального шума [6] и «телеграфного» шума микроплазм. Микроплазменная составляющая шума фотодиода не сопоставима по статистическим характеристикам с нормальной составляющей, и ее участие в процессе регулирования смещения фотодиода непредсказуемо [7]. При некоторых температурных условиях регулировка лавинного режима по частоте шумовых выбросов фотодиода включая микроплазмы, может привести к выходу системы на неоптимальный режим лавинного умножения, т.е. к ухудшению пороговой чувствительности фотоприемного устройства или к недопустимой вероятности ложных срабатываний, вызванных микроплазмами.
Задачей изобретения является достижение предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации с учетом микроплазм и нормального шума фотоприемного канала.
пор1
пор2
пор1
см
см
max
min
Указанная задача решается за счет того, что в известном способе стабилизации лавинного режима фотодиода, включающем пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов с помощью порогового устройства при превышении принятым сигналом заданного порога срабатывания U, контролируют частоту f микроплазменных импульсов относительно порога U>U, а напряжение смещения U фотодиода постепенно повышают до уровня U, при котором частота f сначала растет до максимального значения f, а затем снижается до предельно допустимого значения f, после чего приступают к приему сигналов.
пор1
Порог срабатывания U порогового устройства может быть установлен с помощью шумовой автоматической регулировки порога.
см
На фиг. 1 представлена схема фотоприемного устройства, реализующего данный способ. На фиг. 2 - графики коэффициента лавинного умножения М и вероятности регистрации микроплазм W в зависимости от напряжения смещения U лавинного фотодиода. На фиг. 3 показаны примеры реализации шума на выходе приемного тракта в разных фазах регулирования напряжения смещения фотодиода:
а) до появления микроплазм;
б) в режиме импульсных микроплазменных пробоев;
в) в рабочем режиме.
Там же указаны нижний амплитудный уровень 9 микроплазм и уровень 10 рабочего порога, реализуемого пороговым устройством.
Реализующее способ фотоприемное устройство (фиг. 1) содержит последовательно включенные лавинный фотодиод 1, усилитель 2 и пороговое устройство 3. Напряжение смещения подается на фотодиод I от последовательно включенных источника питания 4 и схемы смещения 5. Пороговое устройство 3 охвачено цепью обратной связи в виде схемы шумовой автоматической регулировки порога (ШАРП) 6, включенной между выходом порогового устройства и его управляющим входом. Схема смещения управляется переключателем лавинного режима 7. Синхронизация работы производится блоком управления 8, связанным с блоками 6 и 7.
Способ осуществляется следующим образом.
у
ш
2
По команде от блока управления 8 включаются схема смещения 5 и схема ШАРП 6. Схема смещения повышает напряжение смещения фотодиода, обеспечивая увеличение коэффициента лавинного умножения до предварительного уровня. Порог срабатывания порогового устройства 3 с помощью схемы ШАРП [8] поддерживает частоту шумовых превышений порога на заданном уровне, отрабатывая увеличение среднеквадратического значения нормального шума К I, где
у
К - коэффициент передачи тракта от фотодиода до входа порогового устройства;
0
2
I* - квадрат неумножаемого шумового тока;
е - заряд электрона;
1
I - первичный обратный ток фотодиода;
Δf - полоса пропускания приемного тракта;
М - коэффициент лавинного умножения;
α
М - шум-фактор лавинного умножения;
α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода [6].
ш
2
Постоянная времени схемы ШАРП должна обеспечивать постоянное отношение порог/шум при заданной скорости изменения I [8, 9].
0
r
m
2
2
2
Неумножаемый шум I*=I+I не зависит от напряжения смещения и включает тепловой шум нагрузки
где K - коэффициент шума, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, R - сопротивление нагрузки,
и дробовой шум насыщенных микроплазм
m0
где I - постоянный ток микроплазменного пробоя.
M
2
По мере роста напряжения смещения фотодиода увеличивается не только нормальная составляющая (2) умножаемого шума I, но и вероятность W(Uсм) возникновения микроплазменных пробоев [7] (фиг. 2б). При дальнейшем росте напряжения смещения активизируются все центры, порождающие микроплазмы, и их разряд становится квазипостоянным ввиду резкого снижения вероятности выключения микроплазм: с увеличением тока на один порядок вероятность выключения уменьшается на несколько порядков [11].
см
см1
пор2
Напряжение смещения увеличивают до уровня U=U, при котором микроплазменный пробой становится постоянным (фиг. 2в), о чем свидетельствует прекращение выбросов, превышающих порог U, после чего сигналом с выхода переключателя лавинного режима 7 фиксируют напряжение смещения на достигнутом уровне в).
см
Скорость увеличения напряжения смещения должна обеспечивать надежное измерение частоты f с заданной доверительной вероятностью ошибки измерения [10] за каждый шаг приращения U.
Эффективность способа можно оценить следующим образом.
С учетом (1), (2) квадрат отношения шум/сигнал может быть записан в виде
M
1
2
где J=2eIΔƒ.
Производная (5) по М
Условие нуля производной
или
откуда
Пример
1
m0
-9
-7
7
4
Темновой ток фотодиода I=10А; постоянный ток микроплазм I=10 А [4]; температура Т=300 К; коэффициент шума K=2; полоса пропускания Δf=10 Гц; сопротивление нагрузки R=10 Ом; коэффициент α=0,5.
При этих исходных данных
M
x
2
-19
-9
7
-21
2
J=2eIΔƒ=2⋅1,6⋅10⋅10⋅10=3,2⋅10 А;
m
m0
2
-19
-7
7
-19
2
I=2eIΔƒ=2⋅1,6⋅10⋅10⋅10=3,2⋅10 А;
Квадрат отношения шум/сигнал
m0
В отсутствие микроплазменного шума, то есть, при I=0
и
Проигрыш в отношении сигнал/шум из-за влияния квазинепрерывного микроплазменного пробоя в предлагаемом режиме равен  то есть влияние шума микроплазм практически устраняется.
Описанная процедура позволяет заблокировать взрывной характер микроплазменного процесса и, тем самым, устранить влияние микроплазм и обеспечить достоверный прием сигналов при оптимальном уровне лавинного умножения.
Таким образом, решается задача изобретения - достижение предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации с учетом микроплазменных пробоев.
Источники информации
1 Росс М. Лазерные приемники. - «Мир», М., 1969 г.
2 Патент РФ №2 248670. Устройство включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения. 2005 г.
3 US pat. 4,077,718. Receiver for optical radar. 1978. - прототип.
4 Филачев A.M., Таубкин И.И., Тришенков M.A. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. Москва, Физматгиз. 2007, - С. 345.
5 Вишневский А.И., Руденко В.С., Платонов А.П. Силовые ионные и полупроводниковые приборы. Учебное пособие для вузов. Под редакцией В.С. Руденко. Москва, Высшая школа, 1975.
6 Вильнер В.Г., Лейченко Ю.А., Мотенко Б.Н. Анализ входной цепи фотоприемного устройства с лавинным фотодиодом и противошумовой коррекцией. Оптико-механическая промышленность, 1981, №9, - с. 59.
7. Шашкина А.С. и др. Лавинный пробой p-n-перехода в задачах радиотехники. - Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2016, том 16, №5, с. 864-871.
8 Вильнер В.Г. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. - Оптико-механическая промышленность, 1984, №5, с. 39-41.
9 Патент РФ №2718856. Способ автоматической стабилизации частоты пересечения порогового уровня выбросами шумового процесса, 2020 г.
10 Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. Москва, Высшая школа, 1977, - 480 С.
11 Мусаев A.M. Механизм выключения микроплазм при лавинном пробое p-n-структур кремния. - Физика и техника полупроводников, 2016, том 50, вып. 10, с. 1370-1373.