Русская Википедия:Лавинный фотодиод
Лави́нные фотодио́ды (ЛФД; Шаблон:Lang-en — Шаблон:Lang-en2) — 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
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.
Существует ряд формул для коэффициента лавинного умножения (M), довольно информативной является следующая:
- <math>M = \frac{1}{1 - \int_0^L\alpha(x)\, dx}</math>
где L — длина области пространственного заряда, а <math>\alpha</math> — 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]:
- <math>M = \frac{1}{1 - (U / U_b)^n}</math>
где <math>U_b</math> — 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
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
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 (Шаблон:Lang-en), F. В нём описываются статистические шумы, которые присущи случайному процессу лавинного умножения M в ЛФД. Обычно он выражается следующим образом:
- <math>F = \kappa M + \left( 2 - \frac{1}{M} \right) \left( 1 - \kappa \right)</math>
где <math>\kappa</math> — 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
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 <math>\kappa</math>.
Технологии изготовления
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 Шаблон:Num, но приборы на его основе имеют заметные шумы.
- Арсенид галлия обеспечивает приём волн длиной до Шаблон:Num, 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—0,9Шаблон:Nbspмкм.
- 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].
- Диоды на основе нитрида галлия используются для работы в ультрафиолетовом диапазоне волн.
- Шаблон:Iw (HgCdTe) применяется для изготовления диодов, работающих в ближней инфракрасной части спектра, обычно максимальная длина волны достигает до Шаблон:Num. Но при этом такие приборы требуют охлаждения для снижения темновых токов. Охлаждение способно обеспечить очень низкий уровень помех.
Лавинные диоды на сверхрешетках
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 Шаблон:Num.
См. также
Ссылки
Литература
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Selecting the right APD
- Pulsed Laserdiodes and Avalanche Photodiodes for Industrial Applications
Шаблон:Полупроводниковые диоды
- ↑ Оптическая и квантовая электроника: учебник для ВУЗов / А. Н. Пихтин — М.: Высшая школа, 2001, страница 522
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ 3,0 3,1 Шаблон:Книга
- ↑ 4,0 4,1 Шаблон:Книга
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
