Фотодіод

Принцип дії фотодіодів (напівпровідникових фотоприймачів з р-п-переходом) ґрунтується на просторовому розділенні нерівноважних електронів і дірок потенціальним бар'єром неоднорідної напівпровід­никової структури. Якщо концентрація акцепторів в p-області дорівнює концентрації донорів в n-області, електронно-дірковий перехід є симетричним. У приймачах випромінювання найчастіше викорис­товують несиметричні переходи, коли ступені легування р- і n-областей різні. При освітленні ФД створюється електрорушійна сила (фотогальванічний, чи вентильний режим - (рис. 5.1, б), або при наявності джерела живлення в колі фотодіода змінюється його зворотній струм (фотодіодний режим - рис. 5.1, в).

а б в

Рис. 5.1. Схеми ввімкнення фоторезистора (а) і фотодіода в фотогальванічному (б) і фотодіодному (в) режимах. R_ф - опір ФР, R_н - опір навантаження, U_ж - напруга живлення

Фотодіоди (ФД) виготовляють на основі:

• одного p-n-переходу на основі одного матеріалу;

• гетеропереходу який утворюється на межі двох областей різних матеріалів з домішками протилежного типу;

• контактного бар'єру, що виникає на межі метал–n-напівпровідник і метал–p-напівпровідник;

- різних МДН-структур (бар'єру Шотткі) і низки інших схем.

Намагання збільшити чутливість і зменшити постійну часу привело

до розробки p-i-n–фотодіодів. Типовий p-i-n–фотодіод складається із трьох послідовних областей: з тонкої сильно легованої n-області, більш товстого шару з дуже малою концентрацією домішки (i-область) і сильно легованої p-області. У результаті звільнення і-області від носіїв при дії зворотного зміщення у ній встановлюється сильне і майже постійне електричне поле. Падаюче випромінювання поглина­ється в і- і n-областях і створює електронно-діркові пари. Електрони і дірки розділяються електричним полем і покидають i-область, а пари, що виникають в n-області, дифундують до переходу, де дірки захоплюються сильним прискорюючим електричним полем і проходять через перехід, а електрони залишаються в n-області. При падінні світлового потоку потужністю Р, який складається із Р/h фотонів за одиницю часу утворюються носії з квантовим виходом  ; в результаті виникає імпульсний струм з середнім значенням

, (5.1)

де q - заряд носіїв.

Лавинний фотодіод

Якщо на звичайний p-n-фотодіод (рис. 5.2) подається настільки велике зміщення у зворотному напрямку, що пік трикутного розподілу електричного поля у запірному шарі наближається до пробивної напруги Е_п, то генеровані фотонами електрони і дірки створюють нові пари носіїв заряду за рахунок ударної іонізації. Це помноження носіїв відбувається у запірному шарі тільки поблизу піку електричного поля, тобто у тій зоні p-n-переходу, в якій носії заряду на довжині вільного пробігу у кристалічній гратці отримують від електричного поля кіне­тичну енергію, яка дорівнює ширині забороненої зони. Оскільки додаткові носії у свою чергу сприяють ударній іонізації, початково слабкий фотострум збільшується лавиноподібно. При такому лавинному помноженні фотострум помітно підсилюється і чутливість ФД зростає. Коефіцієнт помноження М, який дорівнює кратності збільшення фото­струму І, визначається для звичайного p-n-переходу за формулою:

, (5.2)

де U- зовнішнє зміщення; U_п - пробивна напруга переходу; m = (r + 1)/2 і r - показники експоненти у законі А(Е) = КE^r залежності ступеня іонізації А від напруженості електричного поля Е.

Рис. 5.2. Розподіл електричного поля в запірному шарі з лавинною областю (ЛО) на p+-n–переході

Останнє рівняння спра­ведливе, якщо ступені іонізації електронів і дірок відрізняються не більше, ніж у 10 разів. Для кремнію m = 1,05-4, для германію m = 2,5-9. Періодичні коливання фотоструму не відтворюються з повним підсиленням М, визначеним для постійного струму, а послаблюються і затримуються за рахунок інерції в утворенні лавини. Для змінної компоненти фотоструму частотою  амплітуда

І_=І_оМ_о/(1+ і_L), (5.3)

де _L = М_о, а  – час вільного пробігу носіїв.

Підсилення змінного струму зменшується при  = 1/М_о в разів порівняно з помноженням М_о для постійного струму. Звідси можна отримати величину добутку підсилення струму на ширину смуги А/ при лавинному процесі:

М₀f = 1/(2). (5.4)

Для  порядку 1 пс цей добуток може дорівнювати приблизно 150 ГГц. Виробництво лавинних фотодіодів (ЛФД) вимагає особливих заходів, які забезпечують рівномірний лавинний режим по всій площі діода і відсутність локальних дефектів і спотворень. Особливо небезпечними є краї, вони повинні бути захищеними від перевищення напруженості поля відповідним формуванням профілю легування.