Принцип действия p-i-n - фотодиода и ЛФД

Приемники излучения предназначены для преобразования энергии, оптического излучения в электрическую или какую-либо другую энергию, удобную для непосредственного измерения (рис. 15.5).

В настоящее время разработано несколько разновидностей фотодиодов. В волоконно-оптических линиях связи используют p-i-n – фотодиоды и ЛФД.

p-i-n – фотодиод (рис. 15.6) состоит из 3-х областей: сильно легированной n+ - области, слоя с малой концентрацией примесей n-типа (i - область) и сильно-легированной p+ - области (знак + - область с более высоким содержанием примеси, т.е. с более высокой удельной проводимостью). На диод подается обратное напряжение, достаточное для обеднения свободными носителями заряда всего i – слоя. Под действием света в i – слое возникают пары носителей тока. Фототок в p-i-n - ФД можно записать как:

,

где η - квантовая эффективность (выход фотодетектора), q – заряд, P – мощность оптического излучения.

Значения квантовой эффективности η кремниевого и германиевого фотодетекторов приведены на рис. 15.7.

Конструктивно p-i-n - ФД выполняется так, чтобы максимально уменьшить долю поглощения излучения вне i – слоя. p-i-n – ФД просты по структуре, обладают хорошей линейностью в широком динамическом диапазоне (по мощности нВт…мВт), просты в эксплуатации и дешевы.

Лавинный фотодиод (ЛФД) состоит из четырех областей: сильнолегированных n+, p+, слаболегированной p и i – области (рис. 15.8).

Если увеличить внешнее смещение до величины, когда в запирающем n-p - слое электрическое поле приблизиться к пробивной напряженности (5∙10⁵...1∙10⁶ В/см), то электроны приобретают в таком поле энергию, большую, чем они теряют при столкновениях с атомами решетки. Если полученная электроном энергия превышает энергию ионизации E_i (обычно ΔE < E_i < 1,5 ΔE), то электрон может создать новую электронно-дырочную пару.

При достаточно протяженной области поля возникшие электрон и дырка тоже могут ускориться до энергии E_i и совершить новые ионизации, т. е. будет наблюдаться лавинное нарастание числа носителей заряда.

Это умножение носителей происходит в узкой области вблизи пика электрического поля. Электроны приобретают кинетическую энергию, равную ширине запрещенной зоны. Т.к. вновь появившиеся носители, в свою очередь, участвуют в ударной ионизации, первоначально слабый фототок возрастает лавинообразно. Для ЛФД:

. (15.2)

где М - коэффициент лавинного умножения. Как видно из (15.2), фототок пропорционален М, но при возрастании коэффициента лавинного умножения растет постоянная времени (время переходного процесса), а, следовательно, уменьшается полоса пропускания. Так, для кремниевого ЛФД при М ≈ 100 постоянная времени увеличивается в 3 раза, во столько же раз уменьшается полоса пропускания.

Для устранения этого недостатка i - область заменяют слаболегированной π - областью. ЛФД с π - областью имеют постоянную времени как у p-i-n - ФД, а коэффициент усиления, как у ЛФД (рис. 15.9).