Лавинный фотодиод

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 фотоэффекта. Их можно рассматривать в качестве фотоприёмников, обеспечивающих внутреннее усиление посредством эффекта лавинного умножения. С функциональной точки зрения они являются твердотельными аналогами фотоумножителей. Лавинные светодиоды 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 обрасти пространственного заряда, а $\alpha$ — 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.

Ещё одна формула эмпирическая формула показывает сильную зависимость коэффициента лавинного умножения (M) от приложенного обратного напряжения  :

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

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 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.

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 быстро спадающие импульсы. Для этого могут использоваться активные и пассивные стабилизаторы тока. Приборы, действующие таким образом работают в режима Гейгера (Geiger mode). Этот режим применяется для создания однофотонных детекторов (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 . В настоящее время уже появляются коммерческие образцы массивов лавинных светодиодов.

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.

Материалы

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 µm, and has less multiplication noise than Ge. It is normally used as the multiplication region of a heterostructure diode, most typically involving InP as a substrate and as a multiplication layer. This materials system is compatible with an absorption window of roughly 0.9-1.7 µm. InGaAs exhibits a high absorption coefficient at the wavelengths appropriate to high-speed telecommunications using optical fibers, so only a few microns of InGaAs are required for nearly 100% light absorption. The excess noise factor is low enough to permit a gain-bandwidth product in excess of 100 GHz for a simple InP/InGaAs system, and up to 400 GHz for InGaAs on silicon. Therefore high speed operation is possible: commercial devices are available to speeds of at least 10 Gbit/s.
• 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 µm, but require cooling to reduce dark currents. Very low excess noise can be achieved in this material system.

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 самого прибора и поверхностными токами утечки. Другим источником шума является фактор избыточного шума (excess noise factor),F. В нем описываются статистические шумы, которые присущи стохастическому процессу лавинного умножения в APD.

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:

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

where $\kappa \,$ 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.

Ограничения по быстродействию

In addition to excess noise, there are limits to device performance associated with the capacitance, transit times and avalanche multiplication time. 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 $\kappa \,$.

См. также

• Фототранзистор
• Фототиристор
• Фоторезистор
• Оптрон
• PIN-диод

Литература

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