Лавинные фотодиоды



На рисунке показано устройство кремниевого лавинного фотодиода с р-п переходом, изготовленного методами планарной технологии, а также платиново-кремниевого фотодиода с барьером Шоттки. В обоих приборах фоточувствительная область выполнена в виде круглого окна малого диаметра (40-60 мкм). Небольшие размеры этой области обусловлены одним из основных требований к прибору: лавинообразное размножение носителей должно возникать при некотором обратном напряжении во всем объеме кристалла вблизи облучаемой поверхности. При больших размерах фоточувствительной площадки трудно получить однородную по толщине и структуре тонкую (0,1-0,3 мкм) пленку n+-Si или PtSi на поверхности кристалла. В неоднородной пленке возможно образование микроучастков с пониженным напряжением лавинного пробоя, вследствие чего лавинное раз-мнржение носителей будет происходить лишь в небольшом объеме кристалла и плотность фототока существенно уменьшится.
Предотвращению локального лавинного пробоя при пониженных напряжениях у краев пленки служит так называемое охранное кольцо - кольцеобразный слой с проводимостью того же знака, что и проводимость основного кристалла, но с меньшей концентрацией примеси. Вследствие меньшего градиента концентрации примесей и большего радиуса кривизны пробой по периметру охранного кольца возникает при более высоких напряжениях, чем в активной области.
Физические процессы в лавинном фотодиоде отличаются по сравнению с обычным фотодиодом дополнительным лавинным размножением генерированных светом носителей в запирающем слое электронно-дырочного перехода. Вследствие этого процесса ток внешней цепи фотодиода увеличивается по сравнению с током

, обусловленным световой генерацией пар зарядов и темновым током, в М раз, где
М=


М-коэффициент умножения носителей.
Увеличение фототока в результате лавинного размножения иногда в литературе называют усилением первичного фототока или фотоумножением. Коэффициент М, определяется отношением числа дырок (или электронов), появившихся в результате развития лавины, к числу первичных дырок (или электронов), вызвавших развитие лавинного процесса. Развитие лавины носителей того или иного знака определяется особенностями поглощения квантов света в приборе. Значение коэффициента поглощения различно для разных длин волн. Для кремния 47.gif при длине волны 48.gif 0.4 мкм, а при длине волны 48.gif 0,85 мкм его значение снижается до 7-102 см-1. Поскольку поглощение происходит в слое толщиной w49.gif, то в случае коротковолнового облучения (48.gif 0,4 мкм) кванты света поглощаются в54.gif -р .диоде в приповерхностном кислое; через переход движутся неосновные носители - дырки и в результате развивается лавина дырок. В случае длинноволнового облучения основные акты поглощения протекают за переходом и, следовательно, в область объемного" заряда, создавая лавину, приходят электроны.
Связь между величиной коэффициента умножения и приложенным к прибору напряжением описывается зависимостью:

,


где - напряжение на переходе; R - последовательное объемное сопротивление фотодиода.
Из этого соотношения можно получить формулу для максимального коэффициента умножения