6.8. Лавинные фотодиоды

6.8.1. Принципы действия

Лавинные фотодиоды используют детекторы с полупроводниковым переходом с внутренним усилением посредством лавинного умножения тока. К p-n-переходу прикладывается очень большое обратное смещение (50-300 вольт). В обедненной области поглощается фотон, создавая свободный электрон и свободную дырку. Эти заряды ускоряются в сильном электрическом поле. Когда они сталкиваются в нейтральными атомами в кристаллической решетке, их кинетическая энергия достаточна для перехода электронов через запрещенную зону и создания дополнительных пар электрон-дырка. Эти вторичные заряды также ускоряются, создавая дополнительные пары электронов и дырок.

Таким способом ток, созданный одним фотоном, умножается.

6.8.2. Строение лавинного фотодиода

Одной из форм лавинного диода является пробойный (reach-through) диод, изображенный на рис. 6.12. р⁺- и n⁺-слои являются сильно легированными областями с очень незначительным падением напряжения. Обедненная область легирована очень слабо и близка к чистому материалу. Большинство фотонов поглощается в этой области, образуя пары электрон - дырка. Электроны движутся к р-области, которая была очищена от свободных зарядов большим обратным напряжением смещения. Обедненная область в р-n⁺ переходе фактически проходит прямо через р-область. Сильное электрическое поле в р-области вызывает лавинное умножение электронов. Дырки создают слабый ток через π-область по направлению к p+-электроду но не вызывают дальнейшего умножения. Поскольку такое строение ограничивает умножение носителей заряда лишь электронами, у нее меньший уровень шума

Рис. 6.12. Лавинный фотодиод

6.8.3. Рабочие параметры

Длина волны отсечки

Лавинные фотодиоды являются разновидностью p-i-n-диодов, поэтому материи спектральные характеристики и длина волн отсечки те же, что и для p-i-n-диодов. Вольтамперная характеристика

Типичные кривые вольтамперной характеристики для лавинного фотодиода приведена рис. 6.13.

Рис. 6.13. Кривые вольтамперной характеристики лавинного фотодиода

Скорость ответа

Скорость ответа ограничивается временем прохождения носителя заряда и постоянной времени RC, как для p-i-n-диодов. Лавинные диоды с ограниченным временем прохода со временем реагирования порядка нескольких десятых наносекунды. Достижимо время реакции менее 100 пикосекунд.

Динамический диапазон

Подобно p-i-n-диодам, у лавинных диодов отличные линейные характеристики на большом диапазоне мощностей, обычно от долей нановатта до нескольких микроватт.

Усиление

Усиление лавинного фотодиода зависит от температуры, обычно уменьшаясь по мере роста температуры. Для устройств, работающих в расширенных температурных диапазонах, может потребоваться ее стабилизация. Типичны значения усиления от 20 до 150.

6.8.4. Использование лавинных фотодиодов

Лавинному фотодиоду требуется снабжение стабильным высоким напряжением и более сложная схема смещения. Это повышает стоимость и снижает надежность. Лавинные диоды обычно менее надежны, чем стандартные p-i-n-диоды. Из этого следует, что p-i-n-диоды обычно являются более предпочтительными устройствами для нормального использования. У лавинных диодов чувствительность повышена от 5 до 10 дБ, а время ответа снижено вдвое по сравнению со стандартными p-i-n-диодами. Такие лавинные диоды необходимы, когда у системы большие потери и она должна работать при низких отношениях уровня сигнал/шум, как в линиях связи на больших расстояниях. В таких системах экономия за счет дополнительных повторителей перевешивает недостатки.