8.4.2 Типы apd.
Фотодиоды, типа APD, изготавливаются для длин волн, лежащих в диапазоне от 300 до 1700 нм. Кремниевые APD могут быть использованы для длин волн в диапазоне от 300 до 1100 нм, германиевые APD покрывают область 800 – 1600 нм, a InGaAs APD – область 900 – 1700 нм.
InGaAs APD существенно дороже, чем германиевые, и могут иметь значительно более низкий ток, демонстрировать расширенную до 1700 нм спектральную характеристику и обеспечивать расширенную в область высоких частот характеристику при той же активной области.
8.4.3 Apd с разделением процессов поглощения и умножения (sam apd).
Обычные APD имеют ряд недостатков. Для достижения лавинного умножения (с коэффициентом М) требуется достаточно сильные электрические поля. Ввиду узости запрещенной зоны (для InGaAs – 0,75 эВ), существует большой ток утечки за счет туннельного эффекта, наблюдаемого при электрических полях, уровень которых ниже того, что требуется для достижения достаточного коэффициента умножения в данном материале.
Для решения этих проблем была принята структура APD с разделением процессов поглощения и умножения (SAM APD). При использовании этого подхода, выполнение процессов поглощения и умножения осуществляется в различных слоях APD. В этой структуре реализован также новый слой управления полем. Он состоит из умеренно легированного InP, для того чтобы поддержать низкий уровень электрического поля в слое поглощения InGaAs с одной стороны и высокий уровень электрического поля в слое умножения InP – с другой. Это можно видеть на рис.8.6 и рис.8.8.
Рис.8.8. Схематическое представление механизма действия SAM APD
Более широкая запрещенная зона InP (1,35 эВ) обеспечивает умножение без туннельного эффекта. Такие приборы работают на длинах волн выше 950 нм.
Структура SAM была использована практически во всех промышленно выпускаемых APD, применяемых для длинных секций. Однако, если рассмотреть детали реализации APD (отвлекаясь от факта использования всеми производителями указанного решения), то окажется, что они существенно отличаются от производителя к производителю. В отличие от PIN-диода, APD типа InGaAs/InP существуют во многих вариантах.
Еще одной проблемой в этом типе APD является торцевой пробой. Ключевым моментом в ослаблении торцевого пробоя является снижение интенсивности электрического поля в районе торцов этих приборов. Существует множество подходов к решению этой проблемы. Среди них:
снижение плотности легирования у краев переходов;
управление полным профилем заряда в слое управления полем;
управление профилем перехода.
Другой проблемой при проектировании высокоскоростных устройств (> 2,5 Гбит/с) является обеспечение достаточно широкой полосы пропускания. Например, для операций на скорости 10 Мбит/с требуется ширина полосы как минимум 7 – 8 ГГц, чтобы иметь возможность поддержать работу с большим коэффициентом усиления. Максимальная чувствительность при этом обнаруживается при коэффициенте умножения М порядка 10. Этот коэффициент диктует иметь величину произведения коэффициента усиления на полосу пропускания на уровне 80 ГГц. Толщина эпитаксиального слоя и постоянная времени RC не ограничивает требуемую ширину полосы в 8 ГГц. Если APD не является элементом, ограничивающим ширину полосы в приемнике, то усиление оптимизируется по величине чувствительности (т.е. М ~ 10) и проектировщик может выбрать компромиссное значение низкого усиления при высоком произведении коэффициента усиления на полосу пропускания, в результате чего динамический диапазон приемника будет улучшен. Приемники APD, спроектированные таким образом, могут иметь чувствительность на уровне – 26 дБм при величине BER равной 10–10. Эти приемники используют псевдоморфный GaAs транзистор с высокой подвижностью электронов (р-НЕМТ). Характеристики этого приемника демонстрируют улучшение чувствительности на 5 – 6 дБ по сравнению с характеристиками аналогичного приемника на основе PIN-диода. На рис. 3.4.7 схематически представлен механизм действия SAM APD.