Лавинный фотодиод
Как уже отмечалось, при напряженности поля в p-n-переходе порядка 107 В/м возникает электрический пробой – лавинообразное увеличение числа носителей заряда за счет эффекта ударной ионизации атомов кристаллической решетки полупроводника. Это явление используется в лавинных фотодиодах (ЛФД) для увеличения отношения сигнал/шум в ФПУ вследствие усиления сигнала в самом фотодетекторе, а не в электронном тракте ФПУ.
Процесс усиления фототока (а также и темнового тока) характеризуется коэффициентом усиления M. При этом токовая чувствительность ЛФД представляется как
где SI – токовая чувствительность фотодиода в отсутствие эффекта лавинного усиления. Для оценки значения коэффициента усиления применяют эмпирическую формулу Миллера:
где U=UП-RНI – напряжение на ЛФД, UП – напряжение питания, RН – сопротивление нагрузки фотодиода, I= IФ+ IТ – суммарный ток во внешней цепи (фото- и темновой токи), UПР – напряжение пробоя, n = 1,4-6 в зависимости от ионизационной способности электронов и дырок в полупроводнике.
На рис.4 показана теоретическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) ЛФД, на которой выделен рабочий диапазон значений обратного напряжения
на диоде, в пределах которого реализуется лавинное усиление фототока. Вследствие высокой крутизны ВАХ на участке лавинного усиления к стабильности источника питающего напряжения предъявляются жесткие требования. Эти требования усиливаются с увеличением коэффициента 13 В.Б. Пясецкий Высокочастотные фотодиоды усиления тока М. При М100 допустимая относительная погрешность стабилизации питающего напряжения составляет
Дополнительная проблема состоит в том, что напряжение UПР, при котором наблюдается электрический пробой, зависит от температуры полупроводника: с ростом температуры уменьшается длина свободного пробега носителей заряда, падает вероятность ионизации атомов и, как следствие, возрастает напряжение лавинного пробоя UПР. Коэффициент температурной зависимости напряжения UПР KU
0,2 %/°С. Поэтому схема подачи напряжения смещения на ЛФД должна учитывать и температурный фактор
На рис. 5 приведена схема подачи напряжения питания на германиевый лавинный фотодиод ЛФД-2 в фотоприемном устройстве ЛФДП-2. Характерной особенностью схемы является присутствие двух терморезисторов, позволяющих менять напряжение на диоде в зависимости от температуры окружающей среды. Параметры данного ФПУ: М=10-20, τ=100 нс, Фmax=100 мВт (импульс.) или не более 1 мВт (непрерывное излучение), скважность не менее 102 . Процесс лавинного умножения также является источником шума, но этот шум может быть заметно ниже уровня шума электронного усилителя. Параметром, который характеризует выигрыш в отношении «сигнал/шум», является шум-фактор. Шум-фактор – это отношение «сигнал/шум» на входе к «сигнал/шум» на выходе:
Полупроводниковая структура ЛФД выполняется таким образом, чтобы выполнялось общее требование к высокочастотным ФД: поглощение излучения должно происходить в дрейфовой области. Для этого применяются упомянутые выше структуры: pin, гетеропереход, диод Шоттки. Увеличение напряжения питания для достижения высокой напряженности электрического поля в дрейфовой области нецелесообразно. В частности, для pin-диодов это напряжение становится недопустимо высоким. Кроме того, в ЛФД лавинное умножение носителей заряда в освещенной принимаемым излучением площади должно быть однородным. Для этого необходимо использовать высококачественные материалы практически без дефектов. В противном случае образующиеся локальные повышения напряженности электрического поля могут стать причиной нестабильности в виде преждевременных локальных пробоев (микроплазмы) или теплового пробоя
ового пробоя. Образование микроплазмы может происходить и в однородном чистом материале, когда напряженность электрического поля приближается к пороговому значению. В области, где зарождается лавина, может образоваться и нестабильно развиваться отрицательное сопротивление. Если не ограничивать ток и длительность этого процесса, локальный лавинный пробой может перейти в тепловой, а результатом будет необратимое повреждение p-n
Вольт-амперная характеристика фотодиода при лавинном и тепловом пробое показана на рис. 6
 |
Скачать 360.54 Kb.