1. Контрольные вопросы

   1. Приведите основные характеристики фотодиодов, характеризующие его быстродействие.

   2. Объясните эквивалентную электрическую схему p-i-nфотодиода.

   3. Укажите, как влияет напряжение смещения на амплитудно-частотную характеристику p-i-nфотодиода.

   4. Укажите факторы, влияющие на быстродействие p-i-nфотодиода.

1. Лабораторная работа “Измерение фотоэлектрических характеристик лавинного фотодиода”

1. Задачи лабораторной работы

Измерить вольт-амперную характеристику лавинного фотодиода в темновом режиме и при освещении, определить напряжение лавинного пробоя и построить вольтовую характеристику коэффициента умножения темнового тока и фототока.

2. Основные характеристики и параметры лавинных фотодиодов

В стационарном режиме лавинный фотодиод описывается спектральной и вольт-амперными характеристиками, а также вольтовой характеристикой коэффициента умножения темнового тока и фототока (Рис. 2.1.).

1. Вольт-амперные характеристики лавинного фотодиода в темновом режиме и при освещении, а также вольтовая характеристика коэффициента умножения

Напряжение лавинного пробоя U_br– напряжения обратного смещения лавинного фотодиода, при котором возникает лавинный пробой. Типичные значения напряжения лавинного пробоя для современных лавинных фотодиодов на кремнии, германии или на соединенияхA^IIIB^Vсоставляют десятки вольт. В общем случае, увеличение температуры приводит к уменьшению напряжения лавинного пробоя.

Коэффициент умножения темнового токаM_dлавинного фотодиода определяется как отношение темнового тока в лавинном режиме к темновому току в нелавинном режиме:

1. . (1.1)

Коэффициент умножения фототокаM лавинного фотодиода определяется как отношение фототока в лавинном режиме к фототоку в нелавинном режиме:

2. . (1.2)

Современные лавинные фотодиоды на основе кремния или германия имеют коэффициент умножения порядка нескольких сотен, а лавинные фотодиоды на основе соединений A^IIIB^V– порядка несколько десятков.

3. Фотоэлектрические процессы в лавинном фотодиоде

Лавинные фотодиоды используются в тех случаях, когда необходимо увеличить чувствительность фотоприемной части оптоэлектронной системы. Особенно это важно для протяженных волоконно-оптических линий связи, где применение лавинного фотодиода позволяет увеличить расстояние между ретрансляторами и тем самым уменьшить стоимость всей системы связи. Увеличение чувствительности в лавинном фотодиоде достигается за счет лавинного размножения генерированных оптическим излучением носителей заряда, для возникновения которого необходимо выполнить два условия:

• электрическое поле в области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега носитель заряда набрал энергию, большую ширины запрещенной зоны полупроводника;

• ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега носителей заряда.

Процесс ударной ионизации характеризуется коэффициентом лавинного умножения, который можно рассчитать по эмпирической формуле Миллера в зависимости от напряжения обратного смещения U_bias:

1. (1.1)

где R – общее сопротивление электрической цепи (включая область умножения лавинного фотодиода и сопротивление нагрузки),n– показатель степени, значения которого лежат в широком диапазоне (обычно от 2 до 6) и зависят от коэффициентов ударной ионизации электронов_nи дырок_p. В приближении постоянного электрического поля внутри слоя умножения коэффициент умноженияМможет быть выражен через коэффициенты ударной ионизации электронов и дырок и толщину слоя умноженияd_M:

2. . (1.2)

При небольших напряжениях смещения лавинный фотодиод работает как p-i-nфотодиод и его коэффициент умножения равен 1. Умножение появляется только при больших напряжениях смещения, когда напряженность электрического поля в слое умножения достаточна для развития процесса лавинного размножения (обычно больше 10⁵В/см), поэтому для уменьшения темнового тока и увеличения надежности необходимо обеспечить условия, при которых ударная ионизация в активной области лавинного фотодиода будет доминирующим процессом лавинного пробоя. Для исключения краевой ударной ионизации в лавинном фотодиоде используют охранные кольца и/или создают сложный профиль легированияp⁺-области.

Для получения низкого уровня шумов, высокого быстродействия и коэффициента умножения лавинного фотодиода необходимо, чтобы коэффициенты ударной ионизации _nи_pкак можно больше отличались друг от друга, что верно, например, для кремния и германия. К сожалению, используемый в качестве поглощающего слоя в диапазоне длин волн от 1.0 до 1.6 мкмInGaAsимеет почти равные коэффициенты ударной ионизации, поэтому современные высокоскоростные лавинные фотодиоды имеют сложную гетероструктуру с разделенным слоем поглощения на основе InGaAs и слоем умножения на основе соединенийA^IIIB^Vили их твердых растворов, имеющих отличающиеся коэффициенты ионизации для электронов и дырок, например InP. Рис. 3.2. показывает структуру современногоInGaAs/InPлавинного фотодиода, предназначенного для работы в волоконно-оптических линиях связи.

Быстродействие лавинного фотодиода определяется RCпостоянной времени цепи фотодиода, временем дрейфа фотоносителей и временем образования лавины_M, которое в приближении постоянного электрического поля внутри слоя умножения толщинойd_Mравно:

3. , (1.3)

где _nи_p– скорость электронов и дырок в слое умножения.