Лави́нные фотодио́ды ( ЛФД ; англ. avalanche photodiode — APD ) — 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 фотодиоды 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.

Существует ряд формул для коэффициента лавинного умножения (M) , довольно информативной является следующая:

${\displaystyle M={\frac {1}{1-\int _{0}^{L}\alpha (x)\,dx}}}$

где L — длина области пространственного заряда, а ${\displaystyle \alpha }$ — 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.

Ещё одна эмпирическая формула показывает сильную зависимость коэффициента лавинного умножения (M) от приложенного обратного напряжения :

${\displaystyle M={\frac {1}{1-(U/U_{b})^{n}}}}$

где ${\displaystyle U_{b}}$ — 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 технологических приёмов при изготовлении, позволяющих повысить напряжение пробоя до более чем 1500 В и получить таким образом усиление начального фототока более чем в 1000 раз. Следует иметь в виду, что простое повышение напряженности поля в p-n-переходе без предпринятия дополнительных мер может привести к увеличению шумов.

Если требуются очень высокие коэффициенты усиления (10 ⁵ — 10 ⁶ ), возможна эксплуатация некоторых типов ЛФД при напряжениях выше пробойных. В этом случае требуется подавать на фотодиод ограниченные по току короткие быстро спадающие импульсы. Для этого могут использоваться активные и пассивные стабилизаторы тока. Приборы, действующие таким образом работают в режиме счётчика Гейгера (Geiger mode). Этот режим применяется для создания детекторов, реагирующих на единичные фотоны (при условии, что шумы достаточно малы)

Применение

Типичное применение ЛФД — лазерные дальномеры и оптоволоконные линии связи . Среди новых применений можно назвать позитронно-эмиссионную томографию и физику элементарных частиц .

В настоящее время уже появляются коммерческие образцы массивов (фоточувствительных матриц) лавинных фотодиодов.

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 ( англ. excess noise factor ), F . В нём описываются статистические шумы, которые присущи случайному процессу лавинного умножения M в ЛФД. Обычно он выражается следующим образом:

${\displaystyle F=\kappa M+\left(2-{\frac {1}{M}}\right)\left(1-\kappa \right)}$

где ${\displaystyle \kappa }$ — 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 пролёта электронов и дырок через полупроводниковую структуру и время лавинного умножения. Ёмкость прибора увеличивается с ростом площади переходов и уменьшением толщины. Время пролёта электронов и дырок возрастает с увеличением толщины, что заставляет идти на компромисс между паразитной ёмкостью и временем пролёта. Задержки, связанные с лавинным умножением, определяются структурой диодов и применяемыми материалами, существует зависимость от ${\displaystyle \kappa }$ .

Технологии изготовления

Для создания этих приборов могут использоваться различные полупроводники:

• Кремний используется для работы в ближнем ИК-диапазоне , при этом имеет малые шумы, связанные с умножением носителей.
• Германий чувствителен к инфракрасным волнам длиной вплоть до 1,7 мкм , но приборы на его основе имеют заметные шумы.
• Арсенид галлия обеспечивает приём волн длиной до 1,6 мкм , при этом имеют шумы меньшие, нежели у германиевых приборов.
  • Обычно арсенид галлия используется для изготовления лавинных фотодиодов с гетероструктурами , также включающих фосфид индия в качестве подложки и второго слоя для создания гетероструктуры . Эта гетероструктура имеет рабочий диапазон в пределах 0,7—0,9 мкм.
  • Арсенид галлия-индия (InGaAs) имеет высокий коэффициент поглощения на длинах волн, обычно используемых в волоконно-оптических линиях связи , поэтому 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 в гетероструктуре на кремнии , что 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 ближней инфракрасной части спектра , обычно максимальная длина волны достигает до 14 мкм . Но при этом такие приборы требуют охлаждения для снижения темновых токов. Охлаждение способно обеспечить очень низкий уровень помех.

Лавинные диоды на сверхрешетках

Причина применения сверхрешёток 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 в сверхрешётке лежат между 100 и 500 Å .

См. также

• Фототранзистор
• Фототиристор
• Фоторезистор
• Оптрон
• pin-диод

Ссылки

Литература

• Kagawa, S. Fully ion-implanted p+-n germanium avalanche photodiodes (англ.) // Applied Physics Letters : journal. — 1981. — Vol. 38 . — P. 429 . — doi : .
• Hyun, Kyung-Sook; Park. Breakdown characteristics in InP/InGaAs avalanche photodiode with p-i-n multiplication layer structure (англ.) // Journal of Applied Physics : journal. — 1997. — Vol. 81 . — P. 974 . — doi : .