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 волоконные 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.

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 (excess noise factor),F. В нем описываются статистические шумы, которые присущи стохастическому 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 транзита электронов и дырок и время лавинного умножения. Ёмкость увеличивается с ростом площади переходов и уменьшением толщины. Время транзита электронов и дырок возрастает с увеличением толщины, что заставляет идти на компромисс между емкостью и временем. Задержки, связанные с лавинным умножением определяются структурой диодов применяемыми материалам, существует зависимость от $\kappa \,$.

Технологии изготовления

Зонная диаграмма лавинного фотодиода на гетероструктуре InP-InGaAs. Фототок образован дырками.

Для создания данного класса приборов может быть использован широкий круг полупроводников:

• Кремний используется для работы в ближнем ИК-диапазоне, при этом имеет малые шумы, связанные с умножением носителей.
• Германий принимает инфракрасные волны длиной до 1.7 мкм, но приборы на его основе имееют заметные шумы.
• InGaAs обеспечивает приём волн длиной от 1.6 мкм, при этом имея меньшие нежели у германия шумы. Обычно этот материал используется для изготовления лавинных фотодиодов на гетероструктурах, также включающих InP в качестве подложки и второго компонента для создания гетероструктуры. Эта система имеет рабочий диапазон в пределах 0,9 — 0,7 мкм. У InGaAs высокий коэффициент поглощения на длинах волн, используемых в телекоммуникации через волоконно-оптические линии связи, таким образом достаточно даже микронных слоёв InGaAs для полного поглощения излучения .. Эти материалы обеспечивают небольшие задержки и малые шумы, что позволяет получить устройства с полосой частот более 100 ГГц для простой InP / InGaAs системы и до 400 ГГц для InGaAs на кремнии . Это делает возможным передачу данных на скоростях, превышающих 10 Гбит/с

• Диоды на основе Нитрида галлия используются для работы в ультрафиолетовом диапазоне волн.
• HgCdTe применяется для изготовления диодов, работающих в инфракрасной части спектра, обычно максимальная длина волны составляет около 14 µm. При этом они требуют охлаждения для сокращения темновых токов. Такая система способна обеспечить очень низкий уровень помех.

Лавинные диоды на сверхрешетках

Зонная диаграмма лавинного фотодиода на сверхрешетке.

Причина применения сверхрешеток 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 лежат между 100 и 500 Å.

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