14.4.6 P-I-n-фотодиоды и лавинные фотодиоды

Фотодиоды – малоинерционные фотоприемники. Инерционность их зависит от емкости р-n-перехода, условий разделения электрон­но-дырочных пар и сопротивления нагрузки. В оптических линиях связи, системах воспроизведения звука с компакт-дисков и других устройствах требуются фотоприборы с высоким быстродействием (несколько наносекунд и менее). К фотоприборам, обладающим малой инерционностью, относятся p-i-n-фотодиоды и лавинные фотодиоды. В р-i-n-фотодиоде (рис. 14.25,a) на подложке n⁺ сформирован слаболеги­рованный i-слой и слой p⁺ толщиной до 0,3 мкм. При подаче обратного напряже­ния обедненным оказывается весь i-слой. В результате емкость пе­рехода уменьшается, расширяется область поглощения падающего излучения и повышается чувствительность прибора. Поглощаемое излучение в структуре затухает по экспоненте в зависимости от ко­эффициента поглощения и вызывает появление фотовозбужден­ных носителей. Электрическое поле обедненного слоя (напряжен­ность поля около 10³ В/см), ускоряет носители до скорости насыще­ния (около 10⁷ см/с). За пределами обедненного слоя носители двигаются диффузионно с относительно низкой скоростью (при­мерно 10⁴ см/с). За счет этого быстродействие несколько снижает­ся, поэтому необходимо сконцентрировать поглощение излучения в обедненном слое, что достигается особенностями структуры р-i-n-диода (слой p⁺ делают очень тонким, а слой i -– больше длины поглощения излучения).

В лавинном фотодиоде (рис. 14.25,б) излучение также поглоща­ется в обедненном слое. Эффективное лавинное размножение по­лучается при условии, что толщина обедненной области с участком сильного электрического поля превышает длину свободного пробе­га носителя.

Для создания ударной ионизации фотовозбужденными носите­лями рядом с р-n-переходом формируют область с высокой напря­женностью электрического поля (более 10⁵ В/см), в которой проис­ходит лавинное умножение носителей. Коэффициент умножения при напряжении, близком к напряжению пробоя, может достигать 1000. При напряжении 100... 150 В быстродействие лавинного фото­диода примерно равно 0,3 нс.

Лавинный фотодиод принципиально отличается от других спо­собностью усиливать фототок генерируемых неравновесных носи­телей, поэтому он используется в фотоприемниках для обнаруже­ния слабых оптических сигналов, сравнимых с шумами фотодиода.

14.4.7. Фототранзисторы

Биполярный фототранзистор является приемником излуче­ния и одновременно усилителем фототока. Чувствительность фототранзистора гораздо больше, чем у фотодиода, и может достигать сотен микроампер на люмен. Световой поток, который является входным сигналом для фототранзистора, направляют на область базы через специальное окно, сделанное в корпусе транзистора. Обычно биполярный фототранзистор включают по схеме с общим эмиттером с отключенной базой и резистором в цепи коллектора (рис. 14.26,а). Вольт-амперные характеристики фототранзистора со световым потоком а качестве параметра показаны на рис. 14.26,б. В соответствии с полярностью источников Е на рис. 14.26,а транзи­стор работает в нормальном активном режиме, т.е. эмиттерный пе­реход включен в прямом, а коллекторный – в обратном направле­нии. Под действием падающего света происходит генерация пар но­сителей заряда в базовой области. Электроны и дырки диффунди­руют к коллекторному переходу, поле которого разделяет их. Дырки идут из базы в коллектор и увеличивают ток коллектора, а электро­ны накапливаются в базе и компенсируют заряд неподвижных ионов примесей на границе эмиттерного перехода. Потенциальный барь­ер на границе перехода понижается, что приводит к увеличению инжекции носителей через эмиттерный переход. Соответственно уве­личивается количество неосновных носителей, прошедших базу и втянутых полем коллекторного перехода в коллектор. Ток инжекти­рованных носителей и соответствующий ему коллекторный ток во много раз больше, чем первоначальный фототек, образованный но­сителями, появившимися за счет генерации.

Из теории транзисторов известно, что коллекторный ток при = 0 (база отключена) в (+1) раз больше, чем [см. (5.18)]. В этом случае через транзистор идет сквозной коллекторный ток . Следовательно, ток фототранзистора при = 0 и об­ратном включении коллекторного перехода будет равен

=( + )

где – темновой ток фототранзистора; =Ф – световой ток фототранзистора; – интегральная фоточувствительность фото­транзистора, которая в раз больше, чем у фотодиода, при прочих равных условиях.

Следует заметить, что у фототранзистора можно дополнительно использовать вывод базы для электрического управления фототранзистором, например для компенсации посторонних внешних воздействий.