Лавинные и p-i-n фотодиоды

Фотодетекторы — полупроводниковые приборы, регистрирующие оптическое излучение и преобразующие оптический сигнал на входе в электрический сигнал на выходе фотодетектора. Существуют различные типы их, рассмотрим фотодиоды.

При попадании кванта света с энергией hν в полосе собственного поглощения в полупроводнике возникает пара неравновесных носителей – электрон и дырка. При регистрации электрического сигнала необходимо зарегистрировать изменение концентрацией носителей. Очевидно, что при прочих равных условиях зарегистрировать изменение концентрации неосновных носителей проще. В фотоприемных устройствах как правило используется принцип регистрации неосновных носителей заряда. Наиболее распространенные фотоприемники реализуются на основе диодных структур.

Конструкции наиболее распространенных фотодиодов

а) фотодиод на основе p-n перехода,

б) p-i-n фотодиод,

в) фотодиод на основе барьера Шоттки,

г) фотодиод основе p-n перехода с лавинным умножением,

д) фотодиод на основе p-i-n гетероструктуры

В фотодиодах на основе p-n переходов используется эффект разделения на границе электронно-дырочного перехода созданных оптическим излучением неосновных неравновесных носителей. Схематически фотодиод изображен на рисунке ниже

Такой фотодиод является самым простым, однако две характеристики p-n фотодиодов ограничивают их применение в большинстве волоконно-оптических приложений. Во-первых, обедненная зона составляет достаточно малую часть всего объема диода и большая часть поглощенных фотонов не приводит к генерации тока во внешнем контуре. Возникающие при этом электроны и дырки рекомбинируют на пути к области сильного поля. Для генерации тока достаточной силы требуется мощный световой источник. Во-вторых, наличие медленного отклика, обусловленного медленной диффузией, замедляет работу диода, делая его непригодным для средне- и высокоскоростных применений. Это позволяет использовать диод только в килогерцовом диапазоне.

Указанные недостатки фотодиода на основе p-n перехода устраняются в фотодиодах, где между p- и n -областями расположен i -слой с собственной проводимостью. Толщина этого слоя выбирается достаточно большой W >> L p с тем, чтобы поглощение света происходило в этой области. Поскольку в i -слое свободные носители отсутствуют, при обратном смещении p-n перехода все приложенное напряжение будет падать на i -слое. Фотогенерированные носители в i -слое будут разделяться в сильном электрическом поле и фотоотклик таких диодов будет быстрым.

Конструкция п-и-н фотодиода.

Принцип действия.

Ширина i -слоя составляет обычно 500–700 мкм. В отличие от i -зоны, легированные слои сделаны очень тонкими. Все вместе это сделано для того, чтобы все оптическое излучение поглощалось в i -слое и сокращалось время переноса зарядов из i -зоны в легированные области. В результате падающие фотоны возбуждают ток во внешнем контуре более эффективно и с меньшим запаздыванием. Носители, образующиеся внутри обедненной зоны, мгновенно сдвигаются в сильном электрическом поле к p - и n -областям диода соответственно. Квантовая эффективность таких диодов обычно достигает 80 %. Для диодов, сконструированных для применения в оптоволоконных линиях емкость перехода равна 0,2 пФ, при рабочей поверхности диода 200 мкм.

Итак, основное преимущество p-i-n фотодиода заключается в высоких скоростях переключения, так как поглощение излучения происходит в i -слое, где за счет дрейфового переноса реализуются высокие скорости для носителей заряда. Другим преимуществом является высокая квантовая эффективность, поскольку толщина i -слоя обычно больше обратного коэффициента поглощения и все фотоны поглощаются в i -слое.

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

Принцип действия лавинного фотодиода

Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:

1. электрическое поле E области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега λ электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещенной зоны E_g

2. ширина области пространственного заряда W должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега λ: W>> .

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.

55, 56. Про сигнал/шум в фотодиодах (используем и предыдущий ответ)

Принцип работы:

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода Cp-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

фотогальванический — без внешнего напряжения

фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Особенности:

простота технологии изготовления и структуры

сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия

малое сопротивление базы

малая инерционность

Параметры и характеристики фотодиодов

Параметры:

чувствительность

отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.

; — токовая чувствительность по световому потоку

; — вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку

шумы

помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.