4.1. Задачи лабораторной работы

Измерить вольт-амперную характеристику лавинного фотодиода в тем- новом режиме и при освещении, определить напряжение лавинного пробоя и зависимость коэффициента умножения лавинного фотодиода от напряжения смещения.

4.2. Теоретическая часть

4.2.1. Лавинный процесс в р-п переходе

Лавинные фотодиоды (ЛФД) используются в тех случаях, когда необхо­димо увеличить чувствительность фотоприемной части оптоэлектронной системы. Особенно это важно для протяженных линий, где применение ЛФД позволяет увеличить расстояние между ретрансляторами и тем самым уменьшить стоимость системы. Увеличение чувствительности в ЛФД дости­гается за счет внутреннего усиления возбужденных светом неосновных носи­телей заряда. Для реализации ударной ионизации необходимо выполнить два условия:

1. электрическое поле Е области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега 4 носитель заряда набрал энергию, большую, чем ширина запрещенной зоны полупроводника

E_g:

eEl_ > 3/2 E_g;

2. ширина области пространственного заряда W должна быть сущест­венно больше, чем длина свободного пробега: W>>1%.

Процесс ударной ионизации характеризуется коэффициентом лавинного умножения М, определяемым через отношение:

М = I/I₀, (4.1)

где I - ток фотодиода в режиме ударной ионизации; I₀ - ток при малых об­ратных напряжениях, когда умножения носителей еще нет.

Коэффициент умножения М лавинного фотодиода можно рассчитать по эмпирической формуле Миллера в зависимости от напряжения обратного смещения U:

, (4.2)

где R - общее сопротивление электрической цепи (включая область умноже­ния лавинного фотодиода и сопротивление нагрузки, Рисунок 3.2); U₀ - на­пряжение лавинного пробоя, когда М стремится к бесконечности; п - показа­тель степени, значения которого лежат в широком диапазоне (обычно от 2 до 6) и зависят от коэффициентов ударной ионизации электронов _п и дырок _р. В приближении постоянного электрического поля внутри слоя умножения коэффициент умножения М может быть выражен через коэффициенты удар-

ной ионизации и толщину слоя умножения d_M

. (4.3)

Как известно, для низкого уровня шумов, высоких быстродействия и ко­эффициента умножения в ЛФД необходимо, чтобы коэффициенты ударной ионизации _п и _p как можно больше отличались друг от друга, что верно, например, для Si. К сожалению, используемый в качестве поглощающего слоя в диапазоне длин волн от 1,0 мкм до 1,6 мкм индий-галлий-мышьяк InGaAs имеет почти равные коэффициенты ударной ионизации, поэтому со­временные высокоскоростные ЛФД имеют сложную гетероструктуру с раз­деленными областями поглощения на основе InGaAs и умножения на основе материала с отличающимися коэффициентами ионизации, например фосфи­дом индия InP. Рисунок 4.1 показывает типичную структуру современного ЛФД, предназначенного для работы в указанном диапазоне длин волн.

Рисунок 4.1. - Типичная структура ЛФД

При небольших напряжениях смещения ЛФД работает как p-i-n фотоди­од и его коэффициент усиления равен 1 (Рисунок 4.2). Усиление появляется только при больших напряжениях смещения, когда напряженность электри­ческого поля в слое умножения достаточна для развития ударной ионизации (обычно больше 10⁷ В/м), поэтому для уменьшения темнового тока и увели­чения надежности ЛФД необходимо обеспечить условия, при которых удар­ная ионизация в активной области фотодиода будет доминирующим процес­сом пробоя фотодиода. Для исключения краевой ударной ионизации ЛФД конструируют так, чтобы напряженность электрического поля в центре фо­тодиода оказалась на порядок больше чем на краю и у поверхности, для чего обычно используют охранные кольца и создают сложный профиль легирова­ния р⁺-области. Следует отметить, что ток насыщения ЛФД, как правило, не превышает величины 10100 мкА, и сами фотодиоды используются при мощностях оптического излучения не более 110 мкВт.

Рисунок 4.2. - Зависимость фототока и коэффициента усиления ЛФД

от напряжения смещения

Быстродействие ЛФД определяется RC постоянной времени цепи фото­диода, временем дрейфа фотоносителей и временем образования лавины _M, которое в приближении постоянного электрического поля внутри слоя умно­жения толщиной d_M равно:

,

где _n и _р – скорость электронов и дырок в слое умножения.

Для увеличения рабочей полосы частот ЛФД необходимо уменьшать как толщину поглощающего слоя, теряя при этом в эффективности, так и толщи­ну слоя умножения. Однако, если минимальная толщина поглощающего слоя ограничена только малым значением квантовой эффективности, то толщина слоя умножения ограничена туннельными токами и минимальным расстоя­нием необходимым для того, чтобы носитель заряда приобрел энергию, не­обходимую для возникновения ударной ионизации. Поэтому полоса частот современных ЛФД ограничена временем образования лавины и не превыша­ет 30 ГГц. При увеличении коэффициента усиления рабочая полоса частот ЛФД уменьшается, потому что увеличивается время образования лавины.