Фотодиоды структуры p-i-n и лавинные фотодиоды

К особой группе фотодиодов, отличающихся очень малой инерционностью и высокой чувствительностью, относятся p-i—n- фотодиоды и лавинные фотодиоды.

В волоконно-оптических линиях связи от фотодиода требуется высокая чувствительность и высокое быстродействие (менее наносекунды). Такие фотодиоды необходимы также в цифровых телевизионных системах, системах записи и воспроизведения звука с компакт-дисков и др. В подобных устройствах применяют/?—/— л-фотодиоды и лавинные фотодиоды.

Рис. 7.8. Фотодиод структуры p—i—n: а — функциональная схема с ослаблением света; б — его полупроводниковая конструкция; 1 — просветляющая пленка; 2 — металлическое кольцо.

Полупроводниковая структура и схема включения p—i— «-фотодиода показана на рис. 7.8. На подложке с проводимостью п⁺ сформирован /-слой чистого (не легированного) полупроводника с очень малой собственной проводимостью и слой с проводимостью толщиной до 0,3 мкм. При подаче обратного смещения обедненным оказывается весь /-слой. В результате емкость перехода уменьшается, расширяется область поглощения падающего излучения и повышается чувствительность прибора. Падающее излучение в полупроводниковой структуре затухает по экспоненте (см. рис. 7.8, а)_у причем скорость затухания зависит от коэффициента поглощения и вызывает появление фотовозбужденных носителей зарядов. Электрическое поле обедненного /-слоя, в котором напряженность поля больше или равна 10³ В/см, ускоряет их до скорости насыщения дрейфа (около 10⁷ см/с). Эту область /-слоя называют пространством дрейфа.

За пределами обедненного /-слоя движение носителей имеет диффузионный характер с относительно низкой скоростью (примерно 10⁴ см/с), что приводит к снижению быстродействия фотодиода. Для его повышения необходимо сконцентрировать поглощение излучения в обедненном слое. Для этого слой /?⁺ делают очень тонким, а толщину /-слоя — больше длины ослабления излучения /_с в е «2,7 раза (/_с= 1/а, где, а — коэффициент ослабления). Длина ослабления излучения для кремния на длине волны 0,8 мкм равна примерно 10…20 мкм, а рабочее напряжение, при котором обедненный /-слой имеет требуемое пространство дрейфа, нс превышает 10…20 В. Фотодиоды структуры p—i—n могут регистрировать излучение мощностью около 10 нВт.

В лавинном фотодиоде (рис. 7.9) излучение также поглощается в обедненном слое. Для создания ударной ионизации фотовозбужденными носителями зарядов рядом с р — «-переходом формируют слаболегированную/?» -область с высокой напряженностью электрического поля (более 10⁵ В/см). Под воздействием света в ней.

Рис. 7.9. Лавинный фотодиод:

а — конструкция и полупроводниковая структура; б — схема включения; / — просветляющая пленка; 2 — металлическое кольцо возникают возбужденные электроны и дырки. Электроны ускоряются электрическим полем, соударяются с атомами полупроводника и происходит лавинное умножение носителей зарядов. Коэффициент умножения, при напряжении смешения близком к напряжению пробоя, может достигать 1000. Благодаря этому лавинный фотодиод позволяет регистрировать сигналы мощностью примерно 1 нВт. Значение коэффициента умножения зависит от температуры. От нес также зависит напряжение пробоя. Температурный коэффициент изменения напряжения пробоя составляет для кремния и германия примерно 0,2% на 1 °C.

Для уменьшения отражения света поверхность окна фотодиода покрывают просветляющей пленкой 1 (см. рис. 7.8 и 7.9). По периметру рабочей поверхности формируют металлическое кольцо 2, создающее равномерное распределение электрического поля. Хорошие характеристики фотодиодов достигаются путем расчета и экспериментального подбора состава полупроводников, легирующих присадок и геометрических размеров слоев.

Быстродействие />—/—я-фотодйодов ограничено временем пробега фотоинициированных носителей и постоянной времени 0 = R_HC. Время пробега носителей при скорости 10⁷ см/с и ширине обедненного слоя 100 мкм составляет примерно 1 нс. При меньшей ширине обедненного слоя может быть достигнута граничная частота до нескольких гигагерц. Емкость диода состоит из паразитной емкости корпуса и емкости перехода. Для p—i—/7-фотодиодов она составляет 1 …2 пФ. Сопротивление нагрузки для быстродействующих схем выбирают равным 50 Ом. Это позволяет получить постоянную времени 0 = 0,05…0,1 нс и обеспечить частоты приема сигналов с частотой соответственно 20 и 10 ГГц.

Постоянная времени лавинного фотодиода, при рабочем напряжении 100… 150 В, оказывается равной примерно 0,3 нс, что позволяет работать с частотами до 3 ГГц.

Темновой ток/?—/'—я-фотодиодов и лавинных фотодиодов представляет собой сумму обратного тока и тока поверхностной утечки. Он вызывает тепловой дробовой шум. У кремниевых фотодиодов темновой ток мал (около 10^-12 А), поэтому и уровень шума относительно невысок. Шумовые характеристики германиевых приборов заметно хуже, и для них желательно применять охлаждение.

Фототок в р—/— я-фотодиодах зависит от мощности падающего излучения Р_пм и энергии фотона hr.

где г — квантовый выход; е — заряд электрона; P_nM/(hv) — число падающих фотонов; И — постоянная Планка; v — частота фотона.

Квантовый выход, в свою очередь, определен следующим соотношением: где К₀тр — коэффициент отражения светового потока от рабочей поверхности прибора; К_пс — коэффициент поглощения света; Ь— ширина области поглощения.

Рис. 7.10. Зависимость квантового выхода от длины волны для кремниевого и германиевого фотодиодов.

Зависимость квантового выхода от длины волны излучения для германиевых и кремниевых р— /—/i-фотодиодов позволяет определить их границы чувствительности (рис. 7.10). В области длинных волн ее определяет ширина запрещенной зоны фоточувствительного материала. Снижение чувствительности в области коротких волн происходит вследствие затухания света вблизи поверхности и поверхностной рекомбинации фотовозбужденных носителей зарядов.