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.

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 (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.

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.

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.

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.