Лавинный фотодиод (лфд)

Л авинный фотодиод (ЛФД) состоит из четырех областей: сильнолегированных n+, p+, слаболегированной p и i – области (рис. 5.14).

Если увеличить внешнее смещение до величины, когда в запирающем n-p - слое электрическое поле приблизиться к пробивной напряженности (5∙10⁵...1∙10⁶ В/см), то электроны приобретают в таком поле энергию, большую, чем они теряют при столкновениях с атомами решетки. Если полученная электроном энергия превышает энергию ионизации E_i (обычно ΔE < E_i < 1,5 ΔE), то электрон может создать новую электронно-дырочную пару.

При достаточно протяженной области поля возникшие электрон и дырка тоже могут ускориться до энергии E_i и совершить новые ионизации, т. е. будет наблюдаться лавинное нарастание числа носителей заряда.

Это умножение носителей происходит в узкой области вблизи пика электрического поля. Электроны приобретают кинетическую энергию, равную ширине запрещенной зоны. Т.к. вновь появившиеся носители, в свою очередь, участвуют в ударной ионизации, первоначально слабый фототок возрастает лавинообразно. Для ЛФД:

. (5.1)

_{где М – коэффициент лавинного умножения. Как видно из (5.1), фототок пропорционален М, но при возрастании коэффициента лавинного умножения растет постоянная времени (время переходного процесса), а, следовательно, уменьшается полоса пропускания. Так, для кремниевого ЛФД при М ≈ 100 постоянная времени увеличивается в 3 раза, во столько же раз уменьшается полоса пропускания.}

Для устранения этого недостатка i – область заменяют слаболегированной π - областью. ЛФД с π - областью имеют постоянную времени как у p-i-n –ФД, а коэффициент усиления, как у ЛФД (рис. 5.15).

Фотодиоды с поверхностными барьерами

Ф отоприемники с поверхностным барьером Шоттки также обладают высокими быстродействием и эффективностью. Подобные барьеры, образующиеся на контакте металла с полупроводником (рис. 5.14), могут быть получены и на материалах, в которых невозможно создать p-n-переходы.

Если электронный полупроводник контактирует с металлом, у которого работа выхода электронов меньше работы выхода полупроводника, то часть электронов переходит из полупроводника в металл.

Ионизованная донорная примесь в полупроводнике образует слой объемного положительного заряда, обладающий высоким сопротивлением. При включении диода в запирающем направлении (минус на металле) ширина барьера увеличивается в соответствии с формулой

,

где ε - диэлектрическая проницаемость; ε₀ - электрическая постоянная; U_k - контактная разность потенциалов; U - внешнее напряжение; N_D - концентрация доноров.

Е сли N_D = 10¹⁷ см^-3, то при напряжении в несколько вольт d = 10^-5 см. Тонкий слой металла толщиной 10^-6 см, может быть нанесен на полупроводник методом вакуумного распыления. Свет направляют на кристалл сквозь эту почти прозрачную пленку.

Чтобы предупредить сильное отражение света от поверхности диода, на нее наносят просветляющее покрытие, например пленку сульфида цинка с коэффициентом преломления 2,3 для λ = 0,63 мкм. Толщину пленки устанавливают такой, чтобы при интерференции лучей, отраженных от ее границ, получался минимум, т.е. чтобы отражение отсутствовало для лучей данной длины волны λ.

Лавинное умножение фотоносителей получено как в p-n-переходах, так и в поверхностных барьерах (рис. 5.15).