1.1.6. Лавинные фотодиоды

Если к фотодиоду приложить достаточно высокое обратное напряжение, то напряженность поля E в барьере оказывается настолько высокой (5·105 — 1·106 В/см), что развиваются процессы ударной ионизации атомов решетки ускоренными электронами. Это приводит к росту обратного тока при данном световом потоке Ф (рис. 1.9). Как темновые, так и фотоэлектроны приобретают в высоком поле энергию, большую, чем они теряют при столкновениях с атомами решетки. Если полученная электроном энергия превышает энергию ионизации Еi (обычно ΔЕ<Еi<1,5ΔЕ), то электрон может создать новую электронно-дырочную пару. При достаточно протяженной области поля возникшие электрон и дырка тоже могут ускориться до энергии Еi и совершить новые ионизации, т. е. будет наблюдаться лавинное нарастание числа носителей заряда.

Подпись: Рис. 1.9. процесс лавинного размножения носителей заряда в диоде Шоттки (а) и вольт-амперная характеристика лавинного фотодиода (б)

Увеличение тока вследствие ионизации при больших E характеризуется коэффициентом умножения носителей М=I/I0, где I—ток при больших напряжениях U, а I0—при малых, когда умножения носителей еще нет. Иначе, М = п/п0, где n0 — число электронов, вошедших в область поля, а п — число вышедших. Величина М отражает общее число ионизации, совершенных как первичными, так и вторичными электронами и дырками, она определяется выходом процесса ионизации , т. е. , где N—число ионизации, приходящихся на один электрон, прошедший область поля.

Подпись: Рис. 1.10. Фототранзистор: 
а – энергетическая схема (левый р-п-переход включен в прямом, правый – в обратном направлении), б – вольт-амперные характери-стики, в – конструкция (Э – эмиттер, Б – база, К – коллектор)

Квантовый выход ионизации зависит от коэффициентов ударной ионизации (числа пар, созданных электроном на 1 см пути) для электронов i) и дырок i), a также от ширины d области поля. При αi = βi и однородном поле шириной d имеем N= αi βi в случае неоднородного поля . Так как αi ~exp(-c1/ E 2), а для барьера Шоттки E ~ (U— напряжение на барьере), то N может быть представлено в виде N=a1 exp(—b1U), где а1, b1 и с1— постоянные. Значение N изменяется от 0 при малых U до 1 при напряжении пробоя UB, когда ток через диод резко возрастает (М→∞). На практике часто используется степенное представление зависимости N(U), а именно N = (U/UВ)m, где т = 2…4 для разных материалов.

Лавинное умножение фотоносителей получено как в поверхностных барьерах (рис. 1.9), так и в р-п-переходах. При больших U сильные токи ведут разогрев полупроводника, что увеличивает темновой ток и уменьшает фототок (электрический пробой переходит в тепловой). Коэффициент умножения определяет и коэффициент внутреннего усиления фотодиода (Z = М). Так как М может достигать значений 1•103, лавинный диод пригоден для регистрации очень слабых световых сигналов. В то же время из-за сильной зависимости M(U) использование лавинных диодов затрудняется необходимостью применения высокостабильного напряжения.

Инерционность лавинных фотодиодов составляет около 1·10-9 с.

Введение в оптоэлектронику


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.