Лавинные фотодиоды

Лавинные фотодиоды представляют собой фоточувствительные приборы с внутренним усилением, позволяющие получить высокую чувствительность. Они широко используются в качестве быстродействующих фотоприемников в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС).

Основным их недостатком является то, что с лавинным умножением связан дополнительный шум, ограничива­ющий возможность детектирования слабых сигналов. Уже давно установлено, что для получения низкого уровня шума при большом внутреннем усилении необходимо, чтобы коэффициенты ударной ионизации электронов a_И и дырок b_И резко различались между собой.

К сожалению, в большинстве соединений A^IIIB^V a_И/b_И @1, что приводит к возрастанию шума при умножении. Поэтому большое практическое значение имеют методы, позволяющие в указанных материалах увеличить отношение a_И к b_И.

Одним из способов сделать это является использование структур типа сверхрешеток, в которых существует явление ударной ионизации на разрыве энергетических зон. Рассмотрим зонную диаграмму сверхрешеточной структуры в сильном электрическом поле обратно – смещенного p-i-n-диода, имеющую вид в соответствии с рисунком 6.19.

Рисунок 6.19 – Зонная диаграмма лавинного фотодиода на сверхрешетке

Пусть горячий электрон ускоряется в барьерном слое широкозонного полупроводника. Влетая в узкозонный слой, он резко увеличивает энергию на величину разрыва зоны проводимости DE_С. Это эквивалентно тому, что он «видит» энергию ионизации уменьшенной на DE_С по сравнению с пороговой энер­гией в массивном узкозонном полупроводнике. Поскольку коэффициент ударной ионизации a_И с уменьшением пороговой энергии экспоненциально растет, то следует ожидать резкого увеличения эффективного значения a_И. В следующем барьерном слое пороговая энергия увеличивается на DE_С, уменьшая тем самым a в этом слое. Но поскольку a₁<<a₂ (индексы 1 и 2 относятся соответственно к широкозонному и узкозонному материалам), то экспоненциальный рост a₂ приводит к тому, что и среднее значение значительно увеличивается.

Если (как это, в частности, имеет место в системе GaAs/Al_XGa_1-XAs) разрывы в валентной зоне DE_V значительно меньше разрывов в зоне проводимости, то подобный эффект для дырочного коэффициента b_И будет значительно меньше. Окончательным результатом будет сильное увеличение отношения a_И/b_И, что в конечном счете и требовалось.