Лавинный фотодиод: различия между версиями

[непроверенная версия]

[отпатрулированная версия]

Содержимое удалено Содержимое добавлено

Линейный

Текущая версия от 02:59, 27 марта 2020

Структура лавинного фотодиода на основе кремния: 1 — омические контакты, 2 — антиотражающее покрытие

Лави́нные фотодио́ды (ЛФД; англ. avalanche photodiode — APD) — 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.

Зависимость тока *(I)* и коэффициента умножения *(M)* от обратного напряжения *(U)* на ЛФД.

Существует ряд формул для коэффициента лавинного умножения (M), довольно информативной является следующая:

M={\frac {1}{1-\int _{0}^{L}\alpha (x)\,dx}}

где L — длина области пространственного заряда, а $\alpha$ — 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]:

M={\frac {1}{1-(U/U_{b})^{n}}}

где $U_{b}$ — 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 (англ. excess noise factor), F. В нём описываются статистические шумы, которые присущи случайному процессу лавинного умножения M в ЛФД. Обычно он выражается следующим образом:

F=\kappa M+\left(2-{\frac {1}{M}}\right)\left(1-\kappa \right)

где $\kappa$ — 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 $\kappa$ .

Технологии изготовления

Зонная диаграмма лавинного фотодиода на гетероструктуре InP-InGaAs. Фототок образован дырками^[3].

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 1,7 мкм, но приборы на его основе имеют заметные шумы.
Арсенид галлия обеспечивает приём волн длиной до 1,6 мкм, 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—0,9 мкм.
- 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.
Теллурид ртути-кадмия^[англ.] (HgCdTe) применяется для изготовления диодов, работающих в ближней инфракрасной части спектра, обычно максимальная длина волны достигает до 14 мкм. Но при этом такие приборы требуют охлаждения для снижения темновых токов. Охлаждение способно обеспечить очень низкий уровень помех.

Лавинные диоды на сверхрешетках

Зонная диаграмма лавинного фотодиода на сверхрешётке^[3].

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 500 Å.

См. также

Ссылки

↑ Оптическая и квантовая электроника: учебник для ВУЗов / А. Н. Пихтин — М.: Высшая школа, 2001, страница 522
↑ Recent Progress of Photosensor (неопр.). Дата обращения: 18 декабря 2009. Архивировано из оригинала 3 августа 2007 года.
↑ ¹ ² Kwok K. Ng. Complete Guide to Semiconductor Devices (неопр.). — 2. — Wiley-Interscience, 2002.
↑ ¹ ² Semiconductors and Semimetals (неопр.) / Tsang, W.T.. — Academic Press, 1985. — Т. Vol. 22, Part D "Photodetectors".
↑ Tarof, L.E. Planar InP/GaAs Avalanche Photodetector with Gain-Bandwidth Product in Excess of 100 GHz (англ.) // Electronics Letters^[англ.] : journal. — 1991. — Vol. 27. — P. 34—36. — doi:10.1049/el:19910023.
↑ Wu, W.; Hawkins, A.R.; Bowers, J.E. Design of InGaAs/Si avalanche photodetectors for 400-GHz gain-bandwidth product (англ.) // Proceedings of SPIE : journal. — 1997. — Vol. 3006. — P. 36—47. — doi:10.1117/12.264251.
↑ Campbell, J. C. Recent advances in Telecommunications Avalanche Photodiodes (англ.) // IEEE Journal of Lightwave Technology : journal. — 2007. — Vol. 25. — P. 109—121. — doi:10.1109/JLT.2006.888481.

Литература

Kagawa, S. Fully ion-implanted p+-n germanium avalanche photodiodes (англ.) // Applied Physics Letters : journal. — 1981. — Vol. 38. — P. 429. — doi:10.1063/1.92385.
Hyun, Kyung-Sook; Park. Breakdown characteristics in InP/InGaAs avalanche photodiode with p-i-n multiplication layer structure (англ.) // Journal of Applied Physics : journal. — 1997. — Vol. 81. — P. 974. — doi:10.1063/1.364225.
Selecting the right APD
Pulsed Laserdiodes and Avalanche Photodiodes for Industrial Applications

[1] Оптическая и квантовая электроника: учебник для ВУЗов / А. Н. Пихтин — М.: Высшая школа, 2001, страница 522

[2] Recent Progress of Photosensor (неопр.). Дата обращения: 18 декабря 2009. Архивировано из оригинала 3 августа 2007 года.

[autogenerated1-3] ¹ ² Kwok K. Ng. Complete Guide to Semiconductor Devices (неопр.). — 2. — Wiley-Interscience, 2002.

[tsang-4] ¹ ² Semiconductors and Semimetals (неопр.) / Tsang, W.T.. — Academic Press, 1985. — Т. Vol. 22, Part D "Photodetectors".

[5] Tarof, L.E. Planar InP/GaAs Avalanche Photodetector with Gain-Bandwidth Product in Excess of 100 GHz (англ.) // Electronics Letters^[англ.] : journal. — 1991. — Vol. 27. — P. 34—36. — doi:10.1049/el:19910023.

[6] Wu, W.; Hawkins, A.R.; Bowers, J.E. Design of InGaAs/Si avalanche photodetectors for 400-GHz gain-bandwidth product (англ.) // Proceedings of SPIE : journal. — 1997. — Vol. 3006. — P. 36—47. — doi:10.1117/12.264251.

[7] Campbell, J. C. Recent advances in Telecommunications Avalanche Photodiodes (англ.) // IEEE Journal of Lightwave Technology : journal. — 2007. — Vol. 25. — P. 109—121. — doi:10.1109/JLT.2006.888481.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

@@ Строка 1: / Строка 1: @@
+[[Файл:APD.png|300px|thumb|Структура лавинного фотодиода на основе кремния: 1 — омические контакты, 2 — антиотражающее покрытие]]
-'''Лавинные фотодиоды, ЛФД''' (avalanche photodiode (APD)) — это высокочувствительные полупроводниковые приборы, преобразующие свет в электрический сигнал за счёт [[фотоэффект]]а. Их можно рассматривать в качестве [[фотоприёмник]]ов, обеспечивающих внутреннее усиление по средствам [[Лавинный пробой | эффекта лавинного умножения]]. С функциональной точки зрения они являются твердотельными аналогами [[фотоумножитель | фотоумножителей]]. Лавинные светодиоды обладают большей чувствительностью по сравнению с другими полупроводниковыми фотоприёмниками, что позволяет использовать их для регистрации малых световых мощностей (≲ 1 нВт).
+'''Лави́нные фотодио́ды''' ('''ЛФД'''; {{lang-en|avalanche photodiode}} — {{lang-en2|APD}}) — высокочувствительные [[полупроводниковые приборы]], преобразующие свет в электрический сигнал за счёт [[фотоэффект]]а. Их можно рассматривать в качестве [[фотоприёмник]]ов, обеспечивающих внутреннее усиление посредством [[Лавинный пробой|эффекта лавинного умножения]].
-== Принцип работы==
+С функциональной точки зрения они являются твердотельными аналогами [[Фотоэлектронный умножитель|фотоумножителей]]. Лавинные фотодиоды обладают большей чувствительностью по сравнению с другими полупроводниковыми фотоприёмниками, что позволяет использовать их для регистрации малых световых мощностей (≲ 1 нВт).
-При подаче сильного обратного смещения (близкого к напряжению лавинного пробоя, обычно порядка нескольких сотен вольт для [[кремний | кремниевых]] приборов), происходит усиление фототока (примерно в 100 раз) за счёт [[ударная ионизация | ударной ионизации]] ([[Лавинный пробой | 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.
+== Принцип работы ==
+При подаче сильного обратного смещения (близкого к напряжению лавинного пробоя, обычно порядка нескольких сотен вольт для [[кремний|кремниевых]] приборов), происходит усиление фототока (примерно в 100 раз) за счёт [[ударная ионизация|ударной ионизации]] ([[Лавинный пробой|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.
+[[Файл:APD2.png|300px|thumb|Зависимость тока ''(I)'' и коэффициента умножения ''(M)'' от обратного напряжения ''(U)'' на ЛФД.]]
 Существует ряд формул для коэффициента лавинного умножения ''(M)'', довольно информативной является следующая:
-:<math>M = \frac{1}{1 - \int_0^L\alpha(x)\, dx}</math>
+: <math>M = \frac{1}{1 - \int_0^L\alpha(x)\, dx}</math>
-где L - длина обрасти пространственного заряда, а <math>\alpha</math> — коэффициент умножения 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.
+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 формула эмпирическая формула показывает сильную зависимость коэффициента лавинного умножения ''(M)'' от приложенного обратного напряжения:
+Ещё одна эмпирическая формула показывает сильную зависимость коэффициента лавинного умножения ''(M)'' от приложенного обратного напряжения<ref>Оптическая и квантовая электроника: учебник для ВУЗов / А. Н. Пихтин — М.: Высшая школа, 2001, страница 522</ref>:
+: <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-переход]]а.
-:<math>M = \frac{1}{1 - (U - U_b)^n}</math>
+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 [[Вольт|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.
-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-переход]]а.
+Если требуются очень высокие коэффициенты усиления (10<sup>5</sup> — 10<sup>6</sup>), 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 [[Счётчик Гейгера|счётчика Гейгера]] (Geiger mode). Этот режим применяется для создания детекторов, реагирующих на единичные фотоны (при условии, что шумы достаточно малы)
-Исходя из того, что в общем случае с возрастанием обратного напряжения растёт и коэффициент усиления, существует ряд технологий, позволяющих повысить напряжение пробоя до более чем 1500 вольт, и получить таким образом усиление более чем в 1000 раз. Следует иметь ввиду, что простое повышение напряженности поля без предприятия дополнительных мер может привести к увеличению шумов.
+== Применение ==
-В случаях, когда требуются очень высокие коэффициенты усиления (10<sup>5</sup> — 10<sup>6</sup>), возможна эксплуатация некоторых типов ЛФД при напряжениях выше пробойных.
+Типичное применение ЛФД — [[Лазерный дальномер|лазерные дальномеры]] и [[Оптическое волокно|оптоволоконные]] [[Волоконно-оптическая связь|линии связи]]. Среди новых применений можно назвать [[Позитронно-эмиссионная томография|позитронно-эмиссионную томографию]] и [[Физика элементарных частиц|физику элементарных частиц]]<ref>{{Cite web |url=http://kaon.kek.jp/~scintikek/pdf/0311_KEK_School-Photosensor.pdf |title=Recent Progress of Photosensor |accessdate=2009-12-18 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20070803175820/http://kaon.kek.jp/~scintikek/pdf/0311_KEK_School-Photosensor.pdf |archivedate=2007-08-03 |deadlink=yes }}</ref>.
+В настоящее время уже появляются коммерческие образцы массивов (фоточувствительных матриц) лавинных фотодиодов.
+Сфера применения и эффективность ЛФД зависят от многих факторов. Наиболее важными являются:
-If very high gain is needed (10<sup>5</sup> to 10<sup>6</sup>), certain APDs can be operated with a reverse voltage above the APD's [[breakdown voltage]]. In this case, the APD needs to have its signal current limited and quickly diminished. Active and passive current quenching techniques have been used for this purpose. APDs that operate in this high-gain regime are in Geiger mode. This mode is particularly useful for single photon detection provided that the dark count event rate is sufficiently low.
+* [[квантовая эффективность]], которая показывает, какая доля падающих фотонов приводит к образованию носителей заряда и возникновению тока;
+* суммарный ток утечек, который складывается из [[Темновой ток|темнового тока]] и шумов.
+== Шумы ==
-A typical application for APDs is [[laser rangefinder]]s and long range [[fiber optic]] [[telecommunication]]. New applications include [[positron emission tomography]] and [[particle physics]].<ref>[http://kaon.kek.jp/~scintikek/pdf/0311_KEK_School-Photosensor.pdf Recent Progress of Photosensor]</ref> APD arrays are becoming commercially available.
+Электронные шумы могут быть двух типов: последовательные и параллельные. Первые являются следствием [[Дробовой шум|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 ({{lang-en|excess noise factor}}), ''F''. В нём описываются статистические шумы, которые присущи [[Случайный процесс|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>
-APD applicability and usefulness depends on many parameters. Two of the larger factors are: [[quantum efficiency]], which indicates how well incident optical photons are absorbed and then used to generate primary charge carriers; and total leakage current, which is the sum of the dark current and photocurrent and noise. Electronic dark noise components are series and parallel noise. Series noise, which is the effect of shot noise, is basically proportional to the APD capacitance while the parallel noise is associated with the fluctuations of the APD bulk and surface dark currents. Another noise source is the excess noise factor, ''F''. It describes the statistical noise that is inherent with the stochastic APD multiplication process.
+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.
-==Materials==
-In principle any semiconductor material can be used as a multiplication region:
-*Silicon will detect in the visible and near infrared, with low multiplication noise (excess noise).
-*[[Germanium]] (Ge) will detect [[infrared]] out to a wavelength of 1.7 µm, but has high multiplication noise.
-*[[InGaAs]] will detect out to longer than 1.6&nbsp;µm, and has less multiplication noise than Ge. It is normally used as the multiplication region of a [[heterostructure]] diode, most typically involving [[Indium phosphide|InP]] as a substrate and as a multiplication layer.<ref name=tsang>{{cite book|title=Semiconductors and Semimetals|volume=Vol. 22, Part D "Photodetectors"|editor=Tsang, W.T.|publisher=Academic Press|year=1985}}</ref> This materials system is compatible with an absorption window of roughly 0.9-1.7 µm. [[Indium gallium arsenide|InGaAs]] exhibits a high [[absorption coefficient]] at the wavelengths appropriate to high-speed telecommunications using [[optical fiber]]s, so only a few microns of [[InGaAs]] are required for nearly 100% light absorption.<ref name=tsang/> The excess noise factor is low enough to permit a gain-bandwidth product in excess of 100 GHz for a simple InP/InGaAs system,<ref>{{cite journal|author=Tarof, L.E.|title=Planar InP/GaAs Avalanche Photodetector with Gain-Bandwidth Product in Excess of 100 GHz|journal=Electronics Letters|volume= 27|pages=34–36|year=1991|doi=10.1049/el:19910023}}</ref> and up to 400 GHz for InGaAs on silicon.<ref>{{cite journal|author=Wu, W.; Hawkins, A.R.; Bowers, J.E.|title=Design of InGaAs/Si avalanche photodetectors for 400-GHz gain-bandwidth product|journal=Proceedings of SPIE|volume=3006|pages=36–47|year=1997|doi=10.1117/12.264251}}</ref> Therefore high speed operation is possible: commercial devices are available to speeds of at least 10 Gbit/s.<ref>{{cite journal|author=Campbell, J. C.|title=Recent advances in Telecommunications Avalanche Photodiodes|journal=IEEE Journal of Lightwave Technology|volume=25|pages=109–121|doi=10.1109/JLT.2006.888481|year=2007}}</ref>
-*[[Gallium nitride]] based diodes have been used for operation with [[ultraviolet]] light.
-*[[HgCdTe]] based diodes operate in the infrared, typically out to a maximum wavelength of about 14&nbsp;µm, but require cooling to reduce dark currents. Very low excess noise can be achieved in this material system.
+== Ограничения по быстродействию ==
-==Excess noise==
+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>.
-As mentioned above, this is the noise due to the multiplication process at a gain, ''M'' and is denoted by ''F(M)'' and can often be expressed as:
-:<math>F = \kappa M + \left(2 - \frac{1}{M}\right)\left(1 - \kappa\right)</math>
+== Технологии изготовления ==
-where <math>\kappa\,</math> is the ratio of the hole impact ionization rate to that of electrons. For an electron multiplication device it is given by the hole impact ionization rate divided by the electron impact ionization rate. It is desirable to have a large asymmetry between these rates to minimize ''F(M)'', since ''F(M)'' is one of the main factors that limit, among other things, the best possible energy resolution obtainable.
+[[Файл:APD3.png|300px|thumb|Зонная диаграмма лавинного фотодиода на гетероструктуре InP-InGaAs. Фототок образован дырками<ref name=autogenerated1>{{книга |заглавие=Complete Guide to Semiconductor Devices |издание=2 |издательство=[[John Wiley & Sons|Wiley-Interscience]] |год=2002 |язык=und |автор=Kwok K. Ng}}</ref>.]]
+Для создания этих приборов могут использоваться различные полупроводники:
+* [[Кремний]] используется для работы в ближнем [[Инфракрасное излучение|ИК-диапазоне]], при этом имеет малые шумы, связанные с умножением носителей.
+* [[Германий]] чувствителен к инфракрасным волнам длиной вплоть до {{num|1.7|мкм}}, но приборы на его основе имеют заметные шумы.
+* [[Арсенид галлия]] обеспечивает приём волн длиной до {{num|1.6|мкм}}, при этом имеют шумы меньшие, нежели у германиевых приборов.
+** Обычно арсенид галлия используется для изготовления лавинных фотодиодов с [[гетероструктура]]ми, также включающих [[фосфид индия]] в качестве подложки и второго слоя для создания гетероструктуры<ref name=tsang>{{книга |заглавие=Semiconductors and Semimetals |том=Vol.{{nbsp}}22, Part{{nbsp}}D "Photodetectors" |издательство=[[Academic Press]] |год=1985 |язык=und |ответственный=Tsang, W.T.}}</ref>. Эта гетероструктура имеет рабочий диапазон в пределах 0,7—0,9{{nbsp}}мкм.
+** [[Арсенид галлия-индия]] (InGaAs) имеет высокий коэффициент поглощения на длинах волн, обычно используемых в [[Волоконно-оптическая связь|волоконно-оптических линиях связи]], поэтому достаточно даже микронных слоёв InGaAs для полного поглощения излучения<ref name=tsang/>.
+: Эти материалы обеспечивают небольшие задержки и малые шумы, что позволяет получить устройства с полосой частот более 100 ГГц для простой InP/InGaAs системы<ref>{{статья |заглавие=Planar InP/GaAs Avalanche Photodetector with Gain-Bandwidth Product in Excess of 100 GHz |издание={{Нп3|Electronics Letters}} |том=27 |страницы=34—36 |doi=10.1049/el:19910023 |язык=en |тип=journal |автор=Tarof, L.E. |год=1991}}</ref> и до 400 ГГц для InGaAs в гетероструктуре на кремнии<ref>{{статья |заглавие=Design of InGaAs/Si avalanche photodetectors for 400-GHz gain-bandwidth product |издание=[[Proceedings of SPIE]] |том=3006 |страницы=36—47 |doi=10.1117/12.264251 |язык=en |тип=journal |автор=Wu, W.; Hawkins, A.R.; Bowers, J.E. |год=1997}}</ref>, что делает возможным передачу данных на скоростях, превышающих 10 Гбит/с<ref>{{статья |заглавие=Recent advances in Telecommunications Avalanche Photodiodes |издание=IEEE Journal of Lightwave Technology |том=25 |страницы=109—121 |doi=10.1109/JLT.2006.888481 |язык=en |тип=journal |автор=Campbell, J. C. |год=2007}}</ref>.
+* Диоды на основе [[Нитрид галлия|нитрида галлия]] используются для работы в [[Ультрафиолетовое излучение|ультрафиолетовом диапазоне]] волн.
+* {{iw|Теллурид ртути-кадмия|||Mercury cadmium telluride}} (HgCdTe) применяется для изготовления диодов, работающих в ближней [[Инфракрасное излучение|инфракрасной]] части [[спектр]]а, обычно максимальная длина волны достигает до {{num|14|мкм}}. Но при этом такие приборы требуют охлаждения для снижения темновых токов. Охлаждение способно обеспечить очень низкий уровень помех.
+== Лавинные диоды на сверхрешетках ==
-==Performance limits==
+[[Файл:APD4.png|300px|thumb|Зонная диаграмма лавинного фотодиода на [[Сверхрешётка|сверхрешётке]]<ref name=autogenerated1 />.]]
-In addition to excess noise, there are limits to device performance associated with the capacitance, transit times and avalanche multiplication time.<ref name=tsang/> The capacitance increases with increasing device area and decreasing thickness. The transit times (both electrons and holes) increase with increasing thickness, implying a tradeoff between capacitance and transit time for performance. The avalanche multiplication time times the gain is given to first order by the gain-bandwidth product, which is a function of the device structure and most especially <math>\kappa\,</math>.
+Причина применения [[Сверхрешётка|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 {{num|500|[[Ангстрем|Å]]}}.
 == См. также ==
@@ Строка 51: / Строка 68: @@
 * [[Фоторезистор]]
 * [[Оптрон]]
-* [[pin диод|pin-диод]]
+* [[pin-диод]]
+* {{iw|Однофотонный лавинный фотодиод||en|Single-photon avalanche diode}}
-==Ссылки==
+== Ссылки ==
-{{reflist|2}}
+{{примечания|2}}
+== Литература ==
-==Дополнительная литература==
-*{{cite journal|doi=10.1063/1.92385|title=Fully ion-implanted p+-n germanium avalanche photodiodes|year=1981|last1=Kagawa|first1=S.|journal=Applied Physics Letters|volume=38|pages=429}}
+* {{статья |doi=10.1063/1.92385 |заглавие=Fully ion-implanted p+-n germanium avalanche photodiodes |издание=[[Applied Physics Letters]] |том=38 |страницы=429 |язык=en |тип=journal |автор=Kagawa, S. |год=1981}}
-*{{cite journal|doi=10.1063/1.364225|title=Breakdown characteristics in InP/InGaAs avalanche photodiode with p-i-n multiplication layer structure|year=1997|last1=Hyun|first1=Kyung-Sook|last2=Park|journal=Journal of Applied Physics|volume=81|pages=974}}
+* {{статья |doi=10.1063/1.364225 |заглавие=Breakdown characteristics in InP/InGaAs avalanche photodiode with p-i-n multiplication layer structure |издание=[[Journal of Applied Physics]] |том=81 |страницы=974 |язык=en |тип=journal |автор=Hyun, Kyung-Sook; Park |год=1997}}
-*[http://www.lasercomponents.com/de/fileadmin/user_upload/home/Datasheets/lc/applikationsreport/avalanche-photodiodes.pdf Selecting the right APD]
+* [https://web.archive.org/web/20110713184642/http://www.lasercomponents.com/de/fileadmin/user_upload/home/Datasheets/lc/applikationsreport/avalanche-photodiodes.pdf Selecting the right APD]
-*[http://www.lasercomponents.com/de/fileadmin/user_upload/home/Datasheets/lc/veroeffentlichung/progress-through-photonics.pdf Pulsed Laserdiodes and Avalanche Photodiodes for Industrial Applications]
+* [https://web.archive.org/web/20110713184653/http://www.lasercomponents.com/de/fileadmin/user_upload/home/Datasheets/lc/veroeffentlichung/progress-through-photonics.pdf Pulsed Laserdiodes and Avalanche Photodiodes for Industrial Applications]
+{{Полупроводниковые диоды}}
-{{elec-stub}}
-{{Электроника}}
 [[Категория:Полупроводниковые диоды]]
 [[Категория:Оптоэлектроника]]
+[[Категория:Светочувствительные приборы]]
-[[cs:Lavinová fotodioda]]
-[[de:Lawinenfotodiode]]
-[[et:Laviinfotodiood]]
-[[es:Fotodiodo de avalancha]]
-[[it:Fotodiodo a valanga]]
-[[ja:アバランシェフォトダイオード]]
-[[pl:Fotodioda lawinowa]]
-[[sv:Avalanche Photo Diode]]
-[[zh:雪崩光電二極管]]
-[[en:Avalanche photodiode]]

Полупроводниковые диоды
По назначению	Светодиоды Фотодиоды Полупроводниковые лазеры Выпрямительные Импульсные Высокочастотные Сверхвысокочастотные Стабилитроны
Светодиоды	Суперлюминесцентный диод Органический светодиод Синий светодиод Белый светодиод
Выпрямительные	Селеновый выпрямитель Медно-закисный выпрямитель
Генераторные диоды	Лавинно-пролётный диод Туннельный диод Диод Ганна
Источники опорного напряжения	Стабилитрон Со скрытой структурой Лавинный диод Стабистор
Прочие	Диод Шоттки Обращённый диод pin-диод Фотодиод Лавинный фотодиод Фотоматрица Варикап Варактор Магнитодиод Точечный диод
См. также	Лямбда-диод Кристаллический детектор Диодный мост p-n-переход

Лавинный фотодиод: различия между версиями

Текущая версия от 02:59, 27 марта 2020

Содержание

Принцип работы

Применение

Шумы

Ограничения по быстродействию

Технологии изготовления

Лавинные диоды на сверхрешетках

См. также

Ссылки

Литература

Навигация

Лавинный фотодиод: различия между версиями

Текущая версия от 02:59, 27 марта 2020

Принцип работы

Применение

Шумы

Ограничения по быстродействию

Технологии изготовления

Лавинные диоды на сверхрешетках

См. также

Ссылки

Литература

Навигация

Поиск