ЛАВИННЫЙ ФОТОДИОД
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. 11.17. В результате проводимость нарастает за счет образования лавины носителей заряда.
![](image/inde_3.jpg)
Поглощение фотона является началом процесса, вызвавшего лавину.
Коэффициент лавинного умножения М сильно зависит от напряжения смещения U. Эта зависимость может быть представлена эмпирической формулой
![](image/inde_4.jpg)
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 (11.29). 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.
![](image/inde_5.jpg)
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. 11.19, 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. 11.19). На практике оптимальный коэффициент лавинного умножения Мопт подбирают регулировкой напряжения смещения. Для разных фотодиодов эта величина колеблется от 10 до 150 В.
![](image/inde_6.jpg)
Конструкции ЛФД могут меняться в зависимости от свойств применяемых материалов. Поскольку эти приборы работают в лредпробойном 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. 11.20 приведена структура кремниевого лавинного фотодиода.
![](image/inde_7.jpg)
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. Спектральные характеристики некоторых типов фотодиодов приведены на рис. 11.8.
Кроме рассмотренных примеров существуют другие разновидности ЛФД, в том числе на основе гетероструктур, с варизонной активной областью, с активной областью на сверхрешетках, канальные ЛФД и др. Характерные параметры наиболее распространенных типов фотодиодов представлены в табл. 11.2.
![](image/inde_8.jpg)