Лавинный фотодиод

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Структура лавинного фотодиода на основе кремния: 1 — омические контакты, 2 — антиотражающее покрытие

Лави́нные фотодио́ды (ЛФД; англ. avalanche photodiode — APD) — высокочувствительные полупроводниковые приборы, преобразующие свет в электрический сигнал за счёт фотоэффекта. Их можно рассматривать в качестве фотоприёмников, обеспечивающих внутреннее усиление посредством эффекта лавинного умножения.

С функциональной точки зрения они являются твердотельными аналогами фотоумножителей. Лавинные фотодиоды обладают большей чувствительностью по сравнению с другими полупроводниковыми фотоприёмниками, что позволяет использовать их для регистрации малых световых мощностей (≲ 1 нВт).

Принцип работы[править | править вики-текст]

При подаче сильного обратного смещения (близкого к напряжению лавинного пробоя, обычно порядка нескольких сотен вольт для кремниевых приборов), происходит усиление фототока (примерно в 100 раз) за счёт ударной ионизации (лавинного умножения) генерированных светом носителей заряда. Суть процесса в том, что энергия образовавшегося под действием света электрона увеличивается под действием внешнего приложенного поля и может превысить порог ионизации вещества, так что столкновение такого «горячего» электрона с электроном из валентной зоны может привести к возникновению новой электрон-дырочной пары, носители заряда которой также будут ускоряться полем и могут стать причиной образования всё новых и новых носителей заряда.

Зависимость тока (I) и коэффициента умножения (M) от обратного напряжения (U) на ЛФД.

Существует ряд формул для коэффициента лавинного умножения (M), довольно информативной является следующая:

где L — длина области пространственного заряда, а  — коэффициент ударной ионизации для электронов (и дырок). Этот коэффициент сильно зависит от приложенного напряжения, температуры и профиля легирования. Отсюда возникает требование хорошей стабилизации питающего напряжения и температуры, либо учёт температуры задающей напряжение схемой.

Ещё одна эмпирическая формула показывает сильную зависимость коэффициента лавинного умножения (M) от приложенного обратного напряжения[1]:

где  — напряжение пробоя. Показатель степени n принимает значения от 2 до 6, в зависимости от характеристик материала и структуры p-n-перехода.

Исходя из того, что в общем случае с возрастанием обратного напряжения растёт и коэффициент усиления, существует ряд технологических приёмов при изготовлении, позволяющих повысить напряжение пробоя до более чем 1500 В и получить таким образом усиление начального фототока более чем в 1000 раз. Следует иметь в виду, что простое повышение напряженности поля в p-n-переходе без предпринятия дополнительных мер может привести к увеличению шумов.

Если требуются очень высокие коэффициенты усиления (105 — 106), возможна эксплуатация некоторых типов ЛФД при напряжениях выше пробойных. В этом случае требуется подавать на фотодиод ограниченные по току короткие быстро спадающие импульсы. Для этого могут использоваться активные и пассивные стабилизаторы тока. Приборы, действующие таким образом работают в режиме счётчика Гейгера (Geiger mode). Этот режим применяется для создания детекторов, реагирующих на единичные фотоны (при условии, что шумы достаточно малы)

Применение[править | править вики-текст]

Типичное применение ЛФД — лазерные дальномеры и оптоволоконные линии связи. Среди новых применений можно назвать позитронно-эмиссионную томографию и физику элементарных частиц[2].

В настоящее время уже появляются коммерческие образцы массивов (фоточувствительных матриц) лавинных фотодиодов.

Сфера применения и эффективность ЛФД зависят от многих факторов. Наиболее важными являются:

  • квантовая эффективность, которая показывает, какая доля падающих фотонов приводит к образованию носителей заряда и возникновению тока;
  • суммарный ток утечек, который складывается из темнового тока и шумов.

Шумы[править | править вики-текст]

Электронные шумы могут быть двух типов: последовательные и параллельные. Первые являются следствием дробовых флуктуаций и в основном пропорциональны ёмкости ЛФД, тогда как параллельные связаны с механическими колебаниями прибора и поверхностными токами утечки. Другим источником шума является фактор избыточного шума (англ. excess noise factor), F. В нём описываются статистические шумы, которые присущи случайному процессу лавинного умножения M в ЛФД. Обычно он выражается следующим образом:

где  — соотношение коэффициентов ударной ионизации для дырок и электронов. Таким образом, увеличение асимметрии коэффициентов ионизации приводит к уменьшению этих помех. К этому стремятся на практике, так как F(M) вносит основной вклад в ограничение разрешающей способности приборов по энергии.

Ограничения по быстродействию[править | править вики-текст]

Ограничения на скорость работы накладывают ёмкости, времена пролёта электронов и дырок через полупроводниковую структуру и время лавинного умножения. Ёмкость прибора увеличивается с ростом площади переходов и уменьшением толщины. Время пролёта электронов и дырок возрастает с увеличением толщины, что заставляет идти на компромисс между паразитной ёмкостью и временем пролёта. Задержки, связанные с лавинным умножением, определяются структурой диодов и применяемыми материалами, существует зависимость от .

Технологии изготовления[править | править вики-текст]

Зонная диаграмма лавинного фотодиода на гетероструктуре InP-InGaAs. Фототок образован дырками[3].

Для создания этих приборов могут использоваться различные полупроводники:

  • Кремний используется для работы в ближнем ИК-диапазоне, при этом имеет малые шумы, связанные с умножением носителей.
  • Германий чувствителен к инфракрасным волнам длиной вплоть до 1,7 мкм, но приборы на его основе имеют заметные шумы.
  • Арсенид галлия обеспечивает приём волн длиной до 1,6 мкм, при этом имеют шумы меньшие, нежели у германиевых приборов.
    • Обычно арсенид галлия используется для изготовления лавинных фотодиодов с гетероструктурами, также включающих фосфид индия в качестве подложки и второго слоя для создания гетероструктуры[4]. Эта гетероструктура имеет рабочий диапазон в пределах 0,7—0,9 мкм.
    • Арсенид галлия-индия (InGaAs) имеет высокий коэффициент поглощения на длинах волн, обычно используемых в волоконно-оптических линиях связи, поэтому достаточно даже микронных слоёв InGaAs для полного поглощения излучения[4].
Эти материалы обеспечивают небольшие задержки и малые шумы, что позволяет получить устройства с полосой частот более 100 ГГц для простой InP/InGaAs системы[5] и до 400 ГГц для InGaAs в гетероструктуре на кремнии[6], что делает возможным передачу данных на скоростях, превышающих 10 Гбит/с[7].

Лавинные диоды на сверхрешетках[править | править вики-текст]

Зонная диаграмма лавинного фотодиода на сверхрешётке[3].

Причина применения сверхрешёток для построения лавинных фотодиодов заключается в том, что большие различия между коэффициентами ударной ионизации для электронов и дырок приводят к сокращению шумов.

Ещё одно преимущество подобных структур в том, что процесс лавинного размножения более локализован, что также уменьшает помехи. Толщины отдельных слоёв в сверхрешётке лежат между 100 и 500 Å.

См. также[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]

  1. Оптическая и квантовая электроника: учебник для ВУЗов / А. Н. Пихтин — М.: Высшая школа, 2001, страница 522
  2. Recent Progress of Photosensor
  3. 1 2 Kwok K. Ng. Complete Guide to Semiconductor Devices. — 2. — Wiley-Interscience, 2002.
  4. 1 2 Semiconductors and Semimetals / Tsang, W.T.. — Academic Press, 1985. — Vol. Vol. 22, Part D "Photodetectors".
  5. Tarof, L.E. (1991). «Planar InP/GaAs Avalanche Photodetector with Gain-Bandwidth Product in Excess of 100 GHz». Electronics Letters 27: 34–36. DOI:10.1049/el:19910023.
  6. Wu, W.; Hawkins, A.R.; Bowers, J.E. (1997). «Design of InGaAs/Si avalanche photodetectors for 400-GHz gain-bandwidth product». Proceedings of SPIE 3006: 36–47. DOI:10.1117/12.264251.
  7. Campbell, J. C. (2007). «Recent advances in Telecommunications Avalanche Photodiodes». IEEE Journal of Lightwave Technology 25: 109–121. DOI:10.1109/JLT.2006.888481.

Литература[править | править вики-текст]