Структура продольного сечения ЛФД.
Предельная чувствительность p-i-n-фотодиода определяется хаотическими флуктуациями напряжения и тока на выходе, которые имеются в присутствии оптического сигнала, а так же без него. В случае p-i-n-диода – это тепловой и дробовой шум и шум темнового тока. Значительного увеличения пороговой чувствительности можно добиться в лавинных фотодиодах (ЛФД), работа которых основана на лавинном умножении носителей, ибо в этом случае возникает внутреннее усиление. При этом умножатся шумы диода, хотя суммарный эффект останется положительным. Такое умножение можно получить в лавинном процессе при высоких значениях электрического поля в лавинном фотодиоде.
Рисунок 5.9 – Структура продольного сечения ЛФД
Особенностью ЛФД является наличие защитного кольца в виде глубоко диффундированной n-области на краю n+-p-перехода. Защитное кольцо уменьшает ток утечки вблизи краёв перехода и предотвращает низковольтный пробой. Структура материалов, образующих ЛФД, его топологическая схема и технология изготовления обеспечивают работоспособность устройства в таком режиме.
5.10 Процесс образования носителей тока в ЛФД, возникновение фототока и распределение электрического поля в структуре
Рисунок 5.10 – Процесс образования носителей тока в ЛФД, возникновение фототока и распределение электрического поля в структуре
Допустим что смещение достигает величины, при которой в запирающем p-n+-слое электрическое поле превысит значение критической напряженности Eкр. Тогда образованные фотонами первичные электроны и дырки получают энергию, достаточную для того, чтобы посредством ударной ионизации образовывать новые пары носителей.
Это умножение носителей происходит узкой области δ вблизи пика электрического поля. Первичные электроны и дырки на длине свободного пробега в кристаллической решётке получают от электрического поля кинетическую энергию, равную ширине запрещённой зоны. Вторичные носители заряда, в свою очередь, способствуют ударной ионизации и образованию новых пар. Таким образом, первоначально слабый фототок возрастает лавинообразно. ЛФД работает при напряжениях смещения U больше критического напряжения Uкр, соответствующего критической напряжённости Eкр: U > Uкр
В отличие от p-i-n - ФД у ЛФД поглощение фотона приводит к появлению не одной электронно-дырочной пары, а М пар. Величина М называется коэффициентом лавинного умножения. Поэтому увеличение тока можно охарактеризовать с помощью этого коэффициента.
Для обычного р-n-перехода коэффициент лавинного умножения, равный кратности увеличения фототока, определяется по формуле:
где U – внешнее смещение, Uкр – критическое напряжение перехода, γ = 1,5 – 4 для кремния и γ = 2,5 – 9 для германия.