7.4. Специальные типы фотодиодов

7.4.1. Для повышения чувствительности и быстродействия созданы p-i-n фотодиоды, лавинные фотодиоды (ЛФД) и гетерофотодиоды (ГФД).

Схема p-i-n фотодиода показана на рис.7.6,а, где р⁺, п⁺- области с высокой концентрацией носителей; i- высокоомная область с собственной проводимостью ПП (без примесей). В этом случае область объемного заряда распространяется на всю i область. Повышение быстродействия у p-i-n фотодиодов происходит за счёт уменьшения барьерной ёмкости перехода и сопротивления р⁺, п⁺- областей и перехода от процессов диффузии фотоносителей к дрейфу с большой скоростью в сильном электрическом поле. Повышение чувствительности происходит за счёт снижения потерь рекомбинации (т.е. К_соб1) и возможности поглощения длинноволновых фотонов из-за увеличения области объёмного заряда.

Конструкции p-i-n фотодиодов показаны на рис.7.6 б, в, где 1- просветляющее покрытие; 2- омические контакты; 3- отражающее покрытие. Обычно в качестве материала используется Si. p-i-n ФД имеют следующие параметры при =0,9 мкм: f_гр- несколько ГГц; S0,5 А/Вт; I_T5 мкА; u_обр300 В. Недостатками p-i-n ФД являются: повышенные темновые токи I_T, низкая воспроизводимость, радиационная стойкость и повышенный уровень шума (за счёт Ф_дроб).

Рис.7.6. Варианты p-i-n ФД

7.4.2. У идеального ФД при К_соб=1 для мощности излученияР=1 нВт фототокI_Ф 1 нА. Такие сигналы трудно усиливать из-за соизмеримости с шумами усилителя. Значительного увеличения пороговой чувствительности можно добиться в лавинных фотодиодах (ЛФД), работа которых основана на лавинном умножении носителей приu_обрu_проб, так как в этом случае возникаетвнутреннее усиление.

Эффект лавинного умножения состоит в том, что фотоносители приобретают дополнительную энергию, достаточную для ионизации узлов решетки с образованием новых электронно-дырочных пар. Коэффициент умножения

,

где m=1,5-2 для p-Si; m=3,4–4 для n-Si. Хотя возможно значение M_у10⁵, оптимальными являются M_у=20-200 при U_проб =15-60 В. ВАХ ЛФД можно записать как I_Ф=I_ФД M_у (f  100ГГц ), где I_ФД – фототок обычного фотодиода.

Конструкции ЛФД подобна конструкциям p-i-n ФД, кроме Si и Ge используется GaAs. ЛФД являются основным типом ФП для ВОЛС большой протяженности.

Недостатком ЛФД является требование жёсткой стабилизации питающего напряжения (0,0010,1)% и температуры 0,1⁰C. ЛФД и p-i-n ФД имеют низкую пороговую чувствительность в коротковолновой области из-за сильного поглощения света в приповерхностных слоях за счёт роста дробовых шумов (Ф_дробМ_у^23).

7.4.3. Наиболее перспективными ФП являются гетерофотодиоды (ГФД), так как в них принципиально возможна эффективность преобразования 100%. Это достигается использованием многослойной структуры с широкозонным окном (Е₁hf), через которое освещается узкозонный материал (Е₂hf), и тем, что удаётся добиться практически полного совмещения зоны поглощения и области объёмного заряда. Процессы рекомбинации вне этой области отсутствуют. Спектральные характеристики имеют П-образную форму, ограниченную значениями Е₁ и Е₂, которые можно обеспечить любые.

ЛФД имеют высокие КПД, чувствительность и малую постоянную времени. В качестве материалов используются прямозонные двухкомпонентные ПП типа А_IIIB_V, А_IIB_VI и более сложные трёх и четырёх компонентные соединения.

Из других типов ФД следует отметить фотоварикапы.

7.4.4. В ВОЛС ФПрУ объединяется в фотоприёмный модуль, примерная функциональная схема которого показана на рис.7.7, где 1-ФД с оптической системой и оптическим разъёмом для ВОЛС; 2- предварительный усилитель с термостабилизацией и регулировкой чувствительности;

Рис. 7.7. Фотоприёмный модуль

3- усилитель с АРУ; 4-демодулятор (восстановитель формы импульса) с цифровым (1) и аналоговым (2) выходами; 5- стабилизатор питания.