5.7 Процесс образования носителей тока в p-I-n фотодиоде и распределение электрического поля в структуре.

Рисунок 5.7 – Процесс образования носителей тока в p-i-n-фотодиоде, возникновение фототока и распределение электрического поля в структуре

5.9 Структура продольного сечения лфд.

Предельная чувствительность p-i-n-фотодиода определяется хаотическими флуктуациями напряжения и тока на выходе, которые имеются в присутствии оптического сигнала, а так же без него. В случае p-i-n-диода – это тепловой и дробовой шум и шум темнового тока. Значительного увеличения пороговой чувствительности можно добиться в лавинных фотодиодах (ЛФД), работа которых основана на лавинном умножении носителей, ибо в этом случае возникает внутреннее усиление. При этом умножатся шумы диода, хотя суммарный эффект останется положительным. Такое умножение можно получить в лавинном процессе при высоких значениях электрического поля в лавинном фотодиоде.

Рисунок 5.9 – Структура продольного сечения ЛФД

Особенностью ЛФД является наличие защитного кольца в виде глубоко диффундированной n-области на краю n⁺-p-перехода. Защитное кольцо уменьшает ток утечки вблизи краёв перехода и предотвращает низковольтный пробой. Структура материалов, образующих ЛФД, его топологическая схема и технология изготовления обеспечивают работоспособность устройства в таком режиме.

5.10 Процесс образования носителей тока в лфд, возникновение фототока и распределение электрического поля в структуре

Рисунок 5.10 – Процесс образования носителей тока в ЛФД, возникновение фототока и распределение электрического поля в структуре

Допустим что смещение достигает величины, при которой в запирающем p-n⁺-слое электрическое поле превысит значение критической напряженности E_кр. Тогда образованные фотонами первичные электроны и дырки получают энергию, достаточную для того, чтобы посредством ударной ионизации образовывать новые пары носителей. Это умножение носителей происходит узкой области δ вблизи пика электрического поля. Первичные электроны и дырки на длине свободного пробега в кристаллической решётке получают от электрического поля кинетическую энергию, равную ширине запрещённой зоны. Вторичные носители заряда, в свою очередь, способствуют ударной ионизации и образованию новых пар. Таким образом, первоначально слабый фототок возрастает лавинообразно. ЛФД работает при напряжениях смещения U больше критического напряжения U_кр, соответствующего критической напряжённости E_кр: U > U_кр

В отличие от p-i-n - ФД у ЛФД поглощение фотона приводит к появлению не одной электронно-дырочной пары, а М пар. Величина М называется коэффициентом лавинного умножения. Поэтому увеличение тока можно охарактеризовать с помощью этого коэффициента. Для обычного р-n-перехода коэффициент лавинного умножения, равный кратности увеличения фототока, определяется по формуле:

где U – внешнее смещение, U_кр – критическое напряжение перехода, γ = 1,5 – 4 для кремния и γ = 2,5 – 9 для германия.

5.11 Зависимость квантовой эффективности от длины волны для германиевого и кремниевого фотодиодов.

Квантовой эффективностью (выходом) фотодиода – один из параметров фотодиоданазывается отношение числа рождающихся в секунду электронов к числу фотонов, падающих на ФД:

где I_ф – фототок, e – заряд электрона, h – постоянная Планка, ν – частота излучения, P – мощность оптического излучения. Таким образом, средний ток, протекающий через нагрузку, определяется соотношением

Рисунок 5.11 – Зависимость квантовой эффективности от длины волны для германиевого и кремниевого фотодиодов

Для образования электронно-дырочной пары энергия hν поглощаемого кванта должна быть достаточной для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости, т.е. должно выполняться условие hν ≥ E_з. Фотодиоды, выполненные из германия, работают при длинах волн короче 1,8мкм, из кремния – при длинах волн короче 1,2мкм, из арсенида галлия – до 0,87мкм.