Лавинные фотодиоды

         

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.

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.