37,38. Лавинные фотодиоды и их применение.

Если к фотодиоду приложить достаточно высокое обратное напряжение, то напряженность электрического поля в барьере оказывается настолько высокой (5·105 – 1·106 В/см), что развиваются процессы ударной ионизации атомов решетки ускоренными в электрическом поле электронами. Это приводит к росту обратного тока фотодиода при данном потоке оптического излучения Ф. При достаточно протяженной области электрического поля возникшие электрон и дырка тоже могут ускориться до энергии Еi и совершить новые ионизации, т.е. будет наблюдаться лавинное нарастание числа носителей заряда. Среднее число электронно-дырочных пар, создаваемых первичным носителем на единице пройденного пути, называется коэффициентом ударной ионизации. Увеличение тока вследствие ионизации при больших напряженностях электрического поля характеризуется коэффициентом умножения носителей М = I/ , где I – ток при больших напряжениях U, а – ток при малых U, когда умножения носителей еще нет. Квантовый выход ионизации зависит от коэффициентов ударной ионизации (числа пар, созданных электроном на 1 см пути) для электронов (α1) и дырок (β1), а также от ширины d области электрического поля. Лавинное умножение фотоносителей получено как в поверхностных барьерах ,так и в p-n-переходах. При больших U сильные токи приводят к разогреву полупроводника, что увеличивает темновой ток и уменьшает фототок (электрический пробой переходит в тепловой). Коэффициент умножения определяет и коэффициент внутреннего усиления фотодиода (Z = М). Из-за сильной зависимости М(U) для лавинных фотодиодов требуется высокостабильное напряжение питания. Лавинные фотодиоды являются наиболее совершенными фотоприемниками для регистрации оптических сигналов в волоконно-оптических системах. В спектральном диапазоне 0,8 – 0,9 мкм оптимальным является кремниевый лавинный фотодиод, превосходящий фотоприемники на других материалах по надежности, электрическим и оптическим характеристикам, отработанности технологии и дешевизне. В спектральном диапазоне 1,0 – 1,6 мкм в настоящее время практически используются германиевый и InGaAs лавинные фотодиоды. Вклад в фототок дают не все генерированные оптическим излучением носите- ли заряда. Первые три постоянные времени в основном зависят от ширины области пространственного заряда, которая выбирается в зависимости от коэффициента поглощения полупроводникового материала. Следовательно, в кремниевых фотодиодах ширина области пространственного заряда должна быть 30 – 50 мкм и быстродействие определяется, в основном, временем пролета через эту область. В германиевых фотодиодах ширина этой области 2 – 3 мкм, время пролета носителей в ней примерно 5·10–11 с и не ограничивает быстродействие фотодиода. В германиевых лавинных фотодиодах быстродействие определяется постоянной RC и временем, затрачиваемым на умножение носителей.Установлено, что для получения низкого уровня шума при большом внутреннем усилении необходимо, чтобы коэффициенты ударной ионизации электронов α и дырок β значительно различались между собой. В большинстве соединений АIIIВ V отношение α/β ≈ 1, что приводит к значительному шуму при умножении. Поэтому большое практическое значение имеют методы, позволяющие в указанных материалах увеличить отношение α/β. Одним из способов достижения этого является создание структур типа сверх- решеток, использующих явление ударной ионизации на разрыве энергетических зон. Горячий электрон, ускоряющийся в барьерном слое широкозонного полупроводника, влетая в узкозонный слой, резко увеличивает энергию на величину разрыва зоны проводимости ∆Eс. Это эквивалентно тому, что он «видит» энергию ионизации, уменьшенной на ∆Eс по сравнению с пороговой энергией в массивном узкозонном полупроводнике. Так как коэффициент ударной ионизации α с уменьшением пороговой энергии экспоненциально растет, следует ожидать резкого увеличения его эффективного значения. В следующем барьерном слое пороговая энергия увеличивается на ∆Eс, уменьшая тем самым α в этом слое. Но так как α1 << α2 (индексы 1 и 2 относятся соответственно к широкозонному и узкозонному материалам), то экс- поненциальный рост α2 приводит к тому, что и среднее значение значительно увели- чивается. Если разрывы в валентной зоне ∆Eν значительно меньше разрывов в зоне про- водимости, то подобный эффект для дырочного коэффициента β будет значительно меньше. Окончательным результатом будет сильное увеличение отношения α/β, что и приводит к уменьшению шума лавинного фотодиода без уменьшения чувствительности.