2.4 Фотодіод p–I–n-типу

Фотодіоди p–i–n-типу є найбільше широко використовуваними детекторами у волоконних системах. Такий діод має широку i-область із власного напівпровідника між p- і n-областями, як показано на рисунку 2.4. Шар власної провідності не має вільних носіїв заряду, так що його опір великий. Тому більша частина напруги зміщення діода прикладена до цієї області й електричне поле в ній має велику напруженість. Оскільки шар власної провідності дуже широкий, то мається висока імовірність, що фотони будуть поглинені саме в ньому, а не в тонких p- чи n-областях. Це збільшує квантову ефективність і швидкість відгуку в порівнянні з p–n-фотодіодом.

Гранична довжина хвилі

Щоб створювати пари носіїв електрон-дірка фотон, що приходить повинен мати енергію достатню, щоб електрон подолав заборонену зону напівпровідника. Це вимагає виконання умови h  W_з, що дає значення граничної довжини хвилі (червоної границі фотоефекта).

_ч = 1,24/W_з, (2.9)

де _ч підставляється в мкм, а W_з – енергія забороненої зони в еВ. Цей вираз аналогічний співвідношенню (2.4) для вакуумного фотодіода.

Матеріали

Кремній є найбільш широко використовуваним матеріалом для волоконно-оптичних детекторів, що працюють у першому вікні прозорості (  0,85 мкм). Однак його не можна використовувати в другому вікні прозорості (довжина хвилі близько 1,3 мкм). Діоди з германію і InGaAs вносять більше шумів, чим кремнієві, але вони чутливі в другому вікні прозорості. У таблиці 2.1 наведені дані щодо області спектральної чутливості, довжини хвилі максимального відгуку і значення максимального струмового відгуку p–i–n-фотодіодів з найбільш розповсюджених напівпровідникових матеріалів. Спектральні характеристики фотодіодів із кремнію а) і InGaAs б) показані на рисунку 2.5. Зниження відгуку на більш коротких довжинах хвиль викликано збільшенням поглинання фотонів у p- і n-областях (короткохвильова або ультрафіолетова границя фотоефекту).

Таблиця 2.1 – Параметри p–i–n-фотодіодів

Матеріал	Область спектральної чутливості, мкм	Довжина хвилі максимального відгуку, мкм	Максимальний струмовий відгук, А/Вт
Кремній (Si)	0,3…1,1	0,8	0,5
Германій (Ge)	0,5…1,8	1,55	0,7
InGaAs	1,0…1,7	1,7	1,1

К ремній і InGaAs мають максимальну квантову ефективність близько 0,8. Підставляючи це значення в рівняння (2.7), одержуємо для кремнію на  = 0,8 мкм струмовий відгук 0,5 A/Вт. Для фотодіода з InGaAs на  = 1,7 мкм при квантовій ефективності 80 % одержуємо струмовий відгук 1,1 A/Вт. Згідно з кривою спектральної чутливості на рисунку 2.5,б струмовий відгук складає приблизно 70 % від цієї величини, або 0,77 A/Вт на  = 1,3 мкм. Максимальний відгук германію має місце поблизу   1,55 мкм, де його квантова ефективність складає приблизно 55 %. Співвідношення (2.7) дає в цьому випадку максимальний струмовий відгук 0,7 A/Вт.