Особенности устройства и работы лавинно-пролётного фотодиода

Особенности устройства и работы PIN-фотодиода

Эти диоды созданы для расширения частотного диапозона фотодиода без снижения его чувствительности. Напомним, что в этих диодах между P - и N -областями находится область собственной проводимости(I). Так как I -область создается достаточно щирокой, то уменьшаются барьерная емкость PN- перехода и время заряда этой емкости. Кроме того, если в обычных фотодиодах происходит перемещение носителей заряда к границе P и N -областей в результате диффузии, то в PIN -диодах основная генерация возникает в I -области, в которой сопротивление в 10⁶-10⁷ раз больше, чем в P - и N -областях, и поэтому обратное напряжение создает сильное электрическое поле в этой области. При этом в области I возникает большая напряженность E, скорость перемещения зарядов увеличивается, а время пролета носителей заряда соответственно уменьшится.

Следовательно, в PIN -фотодиоде перемещение носителей заряда к границе P - и N - областей происходит за счет дрейфа в сильном электрическом поле. Таким образом, в PIN -фотодиоде барьерная емкость и время пролета носителей зарядов меньше, чем в обычном фотодиоде. Для кремниевых PIN -диодов максимальная частота достигает 1 ГГц.

Области пространственного заряда (ОПЗ) в PIN -диоде практически полностью находятся в I -области. По сравнению с обычными, PIN -диод имеет значительно большую ОПЗ, границы которой незначительно меняются в зависимости от приложенного обратного напряжения. Таким образом увеличивается объем полупроводника, где могут быть образованы электронно - дырочные пары под воздействием излучения (например, оптического - фотона). Некоторые фотодетекторы, такие как PIN -фотодиоды и фототранзисторы (в которых переход база-коллектор является PIN -диодом), используют PIN -переход для реализации функции детектирования.

В PIN структуре средняя I -область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает I -область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем PN -переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в PIN- фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при U_обр ≈0.1В PIN- фотодиод имеет преимущество в быстродействии.

В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Очень чувствительны.

Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:

а) Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны:

б) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега:

Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M =10-100 в зависимости от типа фотодиодов.

а б

Рисунок 1.59 – Структура(а) и ВАХ(б) лавинного фотодиода

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.

— 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.

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 в виду, 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.

Контрольные вопросы:

1. Почему приборы с внутренним фотоэффектом обеспечивают большую чувствительность, чем приборы с внешним фотоэффектом?

2. Дайте сравнительную оценку фоторезисторов и фотодиодов с точки зрения их применения.

3. Чем объясняется увеличение чувствительности фототранзисторов по сравнению с фотодиодами?

4. На чем основан принцип действия фототиристоров?

5. В чем заключаются основные достоинства полупроводниковых фотоприборов по сравнению с вакуумными?

Дата добавления: 2014-11-16