15. Які параметри фотодіода можна визначити з результатів вимірювання сімейства вольт-амперних характеристик?

Сім'ю ВАХ кремнієвого фотодіода, що має відгук 0,5 А/Вт наведено на рисунку.

Якщо на діод подана напруга зворотнього ззміщення, то кажуть, що він працює у фотодіодному (фотовентильному) режимі. У цьому випадку сила сила фотоструму є пропорційною оптичній потужності. Коли зворотнє зміщення відсутнє, тоді, як показано на рисунку, прийнята оптична потужність приводить до виникнення на електродах діода напруги прямого зміщення. Це фотогальванічний режим, в якому працюють фотодіоди у ВО системах.

При відсутності оптичної потужності і наявності зворотнього зміщення через зворотно-зміщений діод тече малий зворотній струм, що зветься темновим струмом. Він позначений і_Т на рис.

Темновий струм, викликаний тепловою генерацією вільних носіїв заряду в діоді. Він тече в усіх діодах, де традиційно називається зворотнім струмом витоку. Максимальне його значення, що спостерігається при великих негативних напругах, є зворотним струмом насичення. Темновий струм має теплову природу і швидко збільшуеться з температурою, практично подвоюючи своє знання на кожні 10 °С збільшення температури. Значення темнових струмів становлять від частки наноампера до кількох сотень наноампер. Кремнієві фотодіоди мають найнижчий темновий струм. У діодах із ІnGаАs він трохи більший, а германієві діоди мають найбільший темновий струм. У цьому одна з основних причин, чому кремнієвим ФД віддають перевагу.

Очевидно, що слабкий оптичний сигнал не може бути виявлений фотодіодом, оскільки малий фотострум, що він генерує, маскується великим темповим струмом.

Великим темновий струм впливає на відношення сигнал/шум і ймовірність помилки приймального пристрою.

16. Пояснити механізм лавинного множення носіїв заряду в лавинному фотодіоді. Як забезпечити лавинний режим роботи фотодіода?

Головною відмінністю лавинного фотодіода від p-i-n-фотодіода є внутрішнє підсилення сигналу, що базується на лавинному електронному помноженні. На відміну від структури p-i-n-фотодіода у ЛФД додається р-шар, який підсилює рух зарядів до полюсів (рис.5.13) [6, 31].

Підсилення збільшує значення струмового відгуку порівняно з р-п- або p-i-n-приладами. Наявність підсилення у ЛФД робить його схожим на вакуумний фотоелектронний підсилювач (ФЕП), проте коефіцієнт лавинного підсилення є набагато меншим, ніж у ФЕП. Вінобмеженийзначеннями в кількасотеньразів,абой менше. Проте,наявністьвнутрішньогопідсиленняробить ЛФД значночутливішимприймачем, ніжp-i-n-фотодіод. Внутрішнєпідсиленнязабезпечуєнабагатобільшевідношення сигнал/шум на виходіприймального пристрою, ніжзовнішнєпідсилення.

Рисунок 5.13 – Перерізнапівпровідниковоїструктури і принцип дії лавинного фотодіода з проникненням поля

Лавиннемноженнявідбувається в такийспосіб. Поглинений в збідненійобласті фотон створюєвільнуелектронно-діркову пару (ЕДП). Профільрозподілулегуючихдомішоквибирається так, щобнайбільшийопір, а отже й найбільшунапруженостьелектричного поля (рис.5.14) мавp – шар[6]. При впливісвітла на i-шар утворюються электронно-діркові пари. Завдяки невеликому за напруженістю електричному полю відбуваєтьсяспрямованийрухносіїв до відповіднихполюсів. Після попаданнявільнихелектронів з і-шару в p– шар їхнєприскореннястаєбільшевідчутним через високеелектричне поле в p - шарі. Прискорюючись у зоніпровідностіp – шару, такіелектронинакопичуютьенергію, якої вже достатньо длявибиванняіншихелектронів з валентноїзони в зону провідності.

Коли заряди, щошвидкорухаються, зіштовхуються з нейтральними атомами, вони створюютьдодатковіелектронно-діркові пари (ЕДП), тобточастинаїхкінетичноїенергіївикористовується, щобпередатизв'язаним (з атомами) електронаменергію, якої достатньо для подоланнязабороненоїзони. Один прискорений заряд можестворитидекількавторинних. Вторинні заряди такожможутьприскорюватися і створюватищебільшукількість ЕДП. Цеявищеназиваєтьсялавинниммноженнямносіїв заряду.

Рисунок 5.14 – Структура включення і розподілпотенціалу

електричного поля ЛФД

Електричне поле, щоприскорюєносії, має бути сильним, щобнадати зарядам значнукінетичнуенергію. Цезабезпечується за допомогоювеликоїнапругизворотнього зміщення (кількасотень вольт для деякихприладів). Коефіцієнтмноження (підсилення)М збільшуєтьсязізростаннямнапругизміщення на діодівідповідно до апроксимуючоговиразуМіллера[4]:

, (5.4)

де та– число вторинних та первиннихносіїв заряду, відповідно, –зворотняпробійнанапругадіода; n - експериментальний параметр, значенняякогобільшеодиниці. Значення= 20...500 В для різнихматеріалів.

Лавинні фотодіоди звичайно є модифікаціями р-i-n-діодів. Матеріали, яківикористовуються при виготовленні таких фотодіодів, а такожобластіїхспектральноїчутливості є однаковими.

Як і у фотодіоді без множення, швидкістьвідгуку ЛФД обмежена часом прольотуносіїв заряду і RC-сталою часу. Час прольоту в ЛФД, щовідповідає часу наростання, становить кількадесятихчастокнc. Час наростанняменший,ніж 100 пс.досягнуто і для кремнієвих, і для германієвих ЛФД.

ЛФД маютьвисокушвидкодію, однаквипадкова природа лавинного струму призводить до виникнення шуму. На відмінувідкорисного сигналу, щопідсилюєтьсяпропорційнодо М, шум підсилюєтьсябільше (приблизно як 2,1М). У результатіцьоговибираєтьсяоптимальнезначеннякоефіцієнтамноження в межах від 30 до 100 [30].

Особливістюроботи ЛФД є більшвисоканапруга (кількасотень вольт) у порівнянні з p-i-n-фотодіодом.

Лавинніфотодіодимають добру лінійністьвідноснооптичноїпотужності в iнтервалівідчасток нВт до кількох мкВт. Якщопотужність, щонадходить на приймальнийпристрій, можеперевищувати 1 мкВт, то ЛФД звичайно не використовують. При такійпотужностір-i-n-діодизабезпечуютьпотрібнийвідгук і достатньовеликевідношення сигнал/шум у більшостівипадків.

Коефіцієнтпідсилення ЛФД залежитьвідтемператури.Він зменшується при їїпідвищенні тому, щосереднядовжинавільногопробігуносіївміжзіткненнямизнижуєтьсязізростаннямтемператури,в результаті багатоносіїв заряду втрачаютьможливістьдосягнутивисокихшвидкостей, які потрібні для створеннявториннихносіїв. У приймальномупристрої з ЛФД, щопрацює в широкому інтервалі температур, можезнадобитисястабілізаціятемпературиабокомпенсаціязміникоефіцієнта лавинного підсилення за рахунок автоматичного регулюваннянапругизворотногозміщення.