6.2.2. Лавинные фотодиоды

Лавинные ФД по своей структуре отличаются от р-i-n ФД тем, что кроме легированных n и р областей, и i-области содержит слабо легированную р-область (рисунок 6.25). Обратное напряжение U_g ЛФД выбирается такой величины, чтобы пик напряженности электрического поля в р-n переходе (рисунок 6.25) приближался к пробивной напряженности Е_п.

Рисунок 6.25

Если на i-область направить излучение, то, как и в случае p-i-n ФД, в этой области образуется пара носителей зарядов: электроны и дырки, которые в сильном электрическом поле в р-n переходе приобретают избыточную (кинетическую) энергию, достаточную для создания новых пар носителей зарядов за счет ударной ионизации. В результате в переходе вблизи пика напряженности поля происходит умножение носителей. Вновь появившиеся носители в свою очередь способствуют ударной ионизации, фототок лавинообразно нарастает.

Процесс увеличения носителей зарядов характеризуется коэффициентом умножения

(6.26)

где U_п – напряжение пробоя ЛФД,

m – показатель определяемый материалом фотодиода (для Si m=1,5 4, для германия m=2,5 9).

Реальная величина коэффициента умножения для кремниевых ЛФД М=50 100, для германиевых ЛФД М=2 15, для арсенидгалиевых М=10 35.

Фототок и чувствительность ЛФД увеличивается в М раз по сравнению с р-i-n ФД:

,

При производстве ЛФД необходимы особые меры, обеспечивающие равномерное образование лавины носителей по всей площади ФД, в том числе и на краях, где возможно резкое увеличение напряженности поля. Одна из конструкций ЛФД представлена на рисунке 6.26, в которой n-область выполнена в виде кольца, которое уменьшает ток утечки вблизи краев перехода и предотвращает низковольтный пробой.

Рисунок 6.26

Главное достоинство ЛФД заключается в высоком коэффициенте умножения и быстродействии, что позволяет приборы использовать с арсенидгалиевой основой на скоростях передачи 10 Гбит/с и выше.

Недостатком ЛФД считают высокое приложенное напряжение (до 500 В) и сложенность схемы управления для поддержания температуры и стабильности источника питания.

6.2.3 Шумы фотодиодов

При анализе шумовых свойств ФД необходимо учитывать следующие шумы: квантовый (дробовой), тепловой, фоновый и темновой.

Дробовой шум – шум, возникающий при детектировании светового потока, так как появляющийся при этом фототок I_ф является суммой фототоков от отдельных электронно-дырочных пар, возникающих в случайные моменты времени, такой шум называется дробовым или квантовым.

Мощность квантового шума Р_кш пропорциональна фототоку. Для p-i-n ФД:

(6.27)

где g – заряд электрона

Δf – полоса частот, в которой оценивается квантовый шум

I_ф – фототок p-i-n ФД.

Из (6.27) видно, что этот шум существует только вместе с полезным сигналом. В лавинном фотодиоде квантовый шум значительно выше, чем в p-i-n ФД, так как мощность шума зависит еще и от квадрата коэффициента умножения М и коэффициента шума ЛФД F(M), величина которого F(M) 6 10:

(6.28)

где I_ф – фототок ЛФД при М=1.

Тепловой шум, вызван случайным тепловым движением электронов в нагрузке ФД. Всякий рассеивающий энергию элемент системы вносит шумы, то есть любое сопротивление в цепи приводит к появлению теплового шума, обусловленного случайным тепловым движением носителей заряда. Это движение носителей заряда можно наблюдать в виде флуктуаций тока или соответствующих ему флуктуаций напряжения на выходе. Средний квадрат спектральной плотности тока на резисторе с сопротивлением R . Мощность теплового шума в резисторе:

(6.29)

где k – постоянная Больцмана

Т – температура в градусах Кельвина.

Фоновый шум возникает при попадании на фотодиод светового потока от постороннего, как правило, некогерентного источника света, создающий некогерентный фоновый ток I_к. По своей природе этот шум тоже является дробовым и его мощность Р_к пропорциональна току I_к.

Темновой ток I_т также создает дробовой шум, мощность Р_т пропорциональна I_т.

Таким образом, при преобразовании фотодиодом оптического сигнала в электрический возникает суммарный шум мощностью

(6.30)

Контрольные вопросы:

- Что такое источник оптического излучения?

- Принцип действия СИД?

- В чем отличие торцевого СИДа от поверхностного?

- Какие характеристики имеет СИД?

- Какое устройство называется лазером?

- Принцип действия полупроводникового лазера?

- Какие характеристики имеет полупроводникового лазера?

- Принцип действия лазера с гетероструктурой?

- Какой прибор называется фотодетектором?

- Как устроен р-i-n фотодиод?

- Какие преимущества имеет лавинный фотодиод перед p-i-n?

- Виды шумов в фотодиоде?

- Принцип действия лавинный фотодиода?