Глава 5. фотодетекторы

5.5 Лавинные фотодиоды

Лавинный фотодиод – это фотоприемник, в котором повышение квантовой эффективности реализуется за счет внутреннего усиления благодаря лавинному умножению в обратно смещенном p-n переходе.

Рисунок 5.8 Принцип действия лавинного фотодиода.

Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:

  •  Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещенной зоны:

(5.5.1)
  • Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега

(5.5.2)

Значение коэффициентов внутреннего усиления   составляет M=10-100 в зависимости от типа фотодиодов.

На рисунке 5.9 представлен лавинный фотодиод на германиевой подложке для длин волн 1300nm. Данный вид лавинного фотодиода является одним из самых распространенных, ввиду свой простоты в изготовлении и высоких характеристик.

Рисунок 5.9 Конструкция лавинного фотодиода.

Диод состоит из высоко легированной германиевой подложки p-типа (p~ 5*1015 cm-3) со связанными зарядами n+ на поверхности полученными при помощи диффузии или ионной имплантации. Чтобы избежать поверхностного пробоя n+ слой окружен слабо легированным n носителями охранным кольцом. Область регистрации инфракрасного света имеет диаметр 100mm, и из-за присутствия охранного кольца, она меньше чем площадь поверхности связанных зарядов. Просветляющее покрытие увеличивает квантовую эффективность этого диода.

Требование высоких значений внутреннего усиления накладывают достаточно жесткие ограничения на качество и однородность полупроводникового материала, поскольку коэффициент умножения экспоненциально сильно зависит от напряженности электрического поля.

Требование высоких обратных напряжений и прецизионной установки напряжения питания усложняют их эксплуатацию. Обычно сочетают преимущества лавинного и pin-фотоприемника. На рисунке 5.10 как раз приведена такая конструкция – гетероструктура InGaAsP на подложке InP позволяет реализовать быстродействующие FPU с напряжением питания от 300 до 400 вольт.

Рисунок 5.10 Конструкция лавинного фотодиода на гетероструктуре.