2.5 Лавинний фотодіод

Лавинний фотодіод (ЛФД) – це напівпровідниковий прилад на основі p–n-переходу, який має внутрішній коефіцієнт підсилення струму. Це збільшує значення струмового відгуку порівняно з p–n- чи p–i–n-приладами. Наявність внутрішнього підсилення робить ЛФД більш чутливими детекторами, ніж p–i–n-фотодіоди.

Лавинне множення відбувається в такий спосіб. Поглинений у збідненій області фотон, створює вільні електрони і дірку. Високе електричне поле, що існує в збідненій області, змушує носії заряду прискорюватися, що збільшує їхню кінетичну енергію. Коли заряди, що швидко рухаються, зіштовхуються з нейтральними атомами, вони створюють додаткові електронно-дірочні пари, тобто частина їхньої кінетичної енергії використовується, щоб надати зв'язаним електронам енергію, достатню для подолання забороненої зони. Один прискорений заряд може згенерувати декілька вторинних. Вторинні заряди також можуть прискорюватися і створювати ще більшу кількість електронно-дірочних пар. Це явище називається лавинним множенням.

Електричне поле, що прискорює носії, повинне бути сильним, щоб надати зарядам значну кінетичну енергію. Це забезпечується за допомогою великої зворотної напруги зміщення (кілька сотень вольтів у деяких приладах). Коефіцієнт підсилення збільшується зі зростанням напруги зміщення U_зм у відповідності з апроксимуючим виразом Міллера

, (2.12)

де U_пр – зворотна напруга пробою діода, n – експериментальний параметр, значення якого більше одиниці. Напруга пробою лежить в інтервалі від 20 до 500 В для приладів зроблених з різних матеріалів.

Струм, що генерує ЛФД з коефіцієнтом підсилення М відношення числа первинних носіїв заряду до вторинних)

, (2.13)

де  – квантова ефективність при коефіцієнті підсилення, рівному одиниці. Струмовий відгук ЛФД

. (2.14)

Типові значення струмового відгуку в лавинному режимі лежать в інтервалі від 20 до 80 A/Вт., тобто в 40 … 100 разів більш ніж у p–i–n-діода.

Л авинні фотодіоди звичайно є модифікаціями p–i–n-діодів. Використовувані матеріали й області спектральної чутливості є однаковими. Один з варіантів ЛФД, називаний діодом із проникненням поля, показаний на рисунку 2.8. Тут p⁺- і n⁺-шари є високолегованими низькоомними областями, на яких відбувається дуже мале падіння напруги. -область трохи легована, тобто має майже власну провідність. Більшість фотонів поглинаються в цьому шарі, створюючи електронно-дірочні пари. Як показано на рисунку, фотоелектрони рухаються в p-область, що збіднена вільними носіями заряду внаслідок великої зворотної напруги зміщення. У дійсності, збіднена область p–n⁺-переходу «проникає» у -область. Найбільш сильне падіння напруги відбувається в області p–n⁺-переходу, де велике електричне поле викликає лавинне множення. У цьому приладі множення починається електронами. Дірки, сгенеровані в -області, дрейфують до p⁺-шару і не приймають участі в процесі множення. Структура, у якій процес множення починається носіями заряду одного типу, має кращі шумові характеристики.

Як і у фотодіоді без множення, швидкість відгуку ЛФД обмежена часом прольоту носіїв заряду і RC постійною часу. Час прольоту в лавинних фотодіодах, що відповідає часу наростання, складає декілька десятих часток наносекунди. Час наростання менше 100 пс досягнуто і для кремнієвих, і для германієвих ЛФД.

Лавинні фотодіоди мають добру лінійність щодо оптичної потужності в інтервалі від часток нВт до декількох мкВт. Якщо потужність, що приходить на приймальний пристрій, може перевищувати мікроват, то ЛФД звичайно не використовують. При такій потужності p–i–n-діоди забезпечують необхідний відгук і досить велике відношення сигнал/шум у більшості випадків.

Коефіцієнт підсилення ЛФД залежить від температури, зменшуючись при її підвищенні. Це відбувається тому, що середня довжина вільного пробігу носіїв між зіткненнями зменшується зі зростанням температури. При цьому багато носіїв заряду втрачають можливість досягнення високих швидкостей, необхідних для створення вторинних носіїв. У приймальному пристрої з ЛФД, що працює в широкому інтервалі температур, може знадобитися стабілізація температури, чи компенсація зміни коефіцієнта лавинного підсилення шляхом автоматичного регулювання напруги зворотного зміщення.

Хоча є багато детекторів з різними характеристиками, наведемо типові значення найбільш важливих параметрів фотодіодів, таблиця 2.4. Струмовий відгук у таблиці наведений для області довжин хвиль, у якій використовується детектор, тобто для (0,8 мкм для кремнію і 1,3 і 1,5 мкм для германію і InGaAs відповідно. Струмовий відгук зменшується, якщо довжина хвилі наближається до границь області спектральної чутливості, як показано на рисунку 2.4.

Таблиця 2.4 – Типові параметри напівпровідникових фотодіодів

Матеріал	Структура	tн, нс	Область чутливості, мкм	i, А/Вт	Iт, нА	М
Кремній	p–i–n	0,5	300…1100	0,5	1	1
Германій	p–i–n	0,1	500…1800	0,7	200	1
InGaAs	p–i–n	0,3	900…1700	0,6	10	1
Кремній	ЛФД	0,5	400…1000	75	15	150
Германій	ЛФД	1,0	1000…1600	35	700	50
InGaAs	ЛФД	0,25	1000…1700	12	100	20