Разновидности быстродействующих фотодиодов.

1. P-i-n фотодиоды. Эти фотодиоды имеют трехслойную структуру. В этой структуре между высоколегированными р ⁺ и n⁺ областями располагается слой Si – собственной проводимости (рис 4.9).

При приложении к такому диоду обратного напряжения ООЗ распространяется на всю i -область, и в ней появляется сильное электрическое поле Евн. Из-за малой толщины р⁺ - слоя основная часть излучения поглощается в i- области. При этом внутреннее электрическое поле очень быстро разделяет генерированные фотоносители.

Рис. 4.9

Это определяет очень малые рекомбинационные потери фотоносителей, т.е. высокую эффективность преобразования. На длине волны l = 0,9мкм для этих диодов практически достигается теоретический предел S_I = 0,7А/вт. При этом такие фотодиоды обладают высоким быстродействием (t_п = 10^-8 … 10^-11с). Это связано с тем, что инерционность в основном определяется временем дрейфа, а не диффузии. Кроме того, из-за сверхширокой ООЗ барьерные емкости p-i-n структуры малы.

К недостаткам этих диодов можно отнести то, что собственный кремний (i- слой) более подвержен неконтролируемым изменениям свойств, чем легированный, и поэтому p-i-n фотодиоды имеют недостаточную воспроизводимость параметров. Кроме того, i- слой обусловливает повышенное значение обратного тока, который к тому же является температурозависимым параметром. Плохо также то, что технологически p-i-n структура не совмещается с интегральными схемами.

Для создания p-i-n фотодиодов, применяемых при l=1,06 мкм, используются структуры с боковым освещением. Эти фотодиоды эффективны при работе с узкими лучами (излучение лазера, стыковка со световодом).

2. Фотодиоды с барьером Шоттки. Как известно, барьер Шоттки – это выпрямляющий контакт металл-полупроводник. Барьер Шоттки образуется в месте контакта полупрозрачной пленки золота Аu_­ и низколегированной области n -типа (рис. 4.10). Пленка сернистого цинка ZnS является одновременно просветляющим покрытием и защитным слоем.

Как и в p-i-n структуре ООЗ при приложении обратного напряжения распространяется на всю низкоомную n-область. По сравнению с p-i-n фотодиодами эти структуры обладают меньшим последовательным сопротивлением, так как слой Аu имеет меньшее сопротивление, чем р⁺ - слой p-i-n структуры.

Рис. 4.10

Кремниевые фотодиоды с барьером Шоттки используются в основном на на длине волны l = 0,63 мкм. При быстродействии t_пер =10^-9 … 10^-11с в этих фотодиодах S_I= 0,5А/Вт.

Основные достоинства этих приборов: возможность создания фотоприемников практически на всех материалах оптоэлектроники (пока практически используются лишь Si, Ge и GaAs);стандартная планарная технология; технологическая и физическая совместимость этих структур с интегральными микросхемами.

3. Гетерофотодиоды. Они представляют собой один из наиболее быстроразвивающихся классов фотоприемников. Структура и зонные диаграммы этих приборов приведены на рис. 4.11.

Рис. 4.11

Высоколегированный слой p⁺ – GaAlAs имеет DE₃ больше, чем другие слои на 0,4эВ. Он играет роль широкозонного окна, т.е. оптически прозрачен для падающего излучения, которое полностью поглощается в средней низколегированной n-GaAs-области. Структура зонной диаграммы обеспечивает беспрепятственный перенос генерированных фотоносителей в соседние области. Высокая степень чистоты активной области, низкая плотность дефектов обеспечивают малые рекомбинационные потери. Поэтому гетерофотодиоды при исключительно высоком КПД обладают, как и выше рассмотренные структуры, высокой чувствительностью и высоким быстродействием (t_пер= 10^-8…10^-10с).

Кроме того, при выборе подходящих материалов гетероструктура позволяет работать практически в любой части спектра. Это обусловлено тем, что в гетероструктуре рабочая длина волны определяется разницей в ширине запрещенных зон и не связана со спектральной характеристикой глубины поглощения. Важнейшим достоинством этих фотодиодов является их технологическая совместимость с диэлектрическими волноводами оптических интегральных схем. Кроме того, из-за хороших возможностей выбора материала базы достижимое значение фото ЭДС у гетерофотодиодов 0,8…1,1 В (в 2…3 раза выше, чем у Si фотодиодов). Главный недостаток этих приборов – сложность изготовления гетероструктур.

4. Лавинные фотодиоды (ЛФД). Известно, что при увеличении обратного напряжения на p-n переходе до величины близкой к пробивному, носители заряда в ООЗ приобретают высокие скорости и способны ионизировать атомы кристаллической решетки, т.е. образовывать новые электронно-дырочные пары. При этом процесс нарастания носителей а, следовательно, и тока, носит лавинный характер. Этот же механизм действует и на фотоносители, т.е. происходит усиление первичного фототока.

Это усиление в лавинном фотодиоде определяется коэффициентом лавинного умножения

.

При этом выходной ток фотодиода равен:

I_ф=M(I_фо+I_о).

Коэффициент лавинного умножения зависит от приложенного напряжения и описывается формулой Миллера:

,

где n =2…6, зависит от типа материала, а U_m – от ширины ООЗ т. е. от степени легирования (U_m =10…100В).

Лавинные фотодиоды перспективны для обнаружения слабых оптических сигналов. Однако М очень зависит от напряжения. В связи с этим, для поддержания 10% стабильности М, необходимо стабилизировать питающее напряжение с точностью 0,01%. Кроме того, напряжение лавинного пробоя увеличивается с ростом температуры приблизительно на 1мВ/°С, и для стабильной работы фотодиода необходимо либо поддерживать температуру стабильной, либо создавать источники питания, у которых напряжение с ростом температуры увеличивается по такому же закону, как напряжение лавинного пробоя U_m фотодиода.

Следует отметить, что умножение фотоносителей в ЛФД тем сильнее, чем меньше темновой ток. Поэтому при использовании кремниевых и арсенидгаллиевых полупроводников коэффициент М ”10³…10⁴, а при использовании германиевых - М”10². Заметное умножение фотоносителей получается лишь при малых уровнях облученности ЛФД. Для ЛФД характерны следующие параметры: S =100A/Вт, t_пер=10^-8…10^-11сек.

В волоконно-оптических средствах передачи информации (ВОСПИ) в основном применяются p-i-n фотодиоды и ЛФД. При этом для p-i-n фотодиодов с длиной волны 0,8…0,9 мкм используется кремний, с длиной волны 1,0…1,1 мкм – германий, а с длиной волны 1,2…1,6 мкм–германий, JnGaAs, JnGaAsP. Для лавинных фотодиодов с длиной волны 0,8…0,9 мкм применяется кремний, с длиной волны 1,0…1,1 мкм - кремний, германий, а с длиной волны 1,2…1,6 мкм - германий, AsGa, AsSb.