Лавинные фотодиоды и их основные особенности

Природа   шумов,   возникающих   в   фотодетекторе   и   вносимых   им   в   приемную оптическую систему, кратко рассматривалась в предыдущем подразделе.  Можно было бы увеличить отношение сигнал/шум на выходе ОПМ, если бы  удалось достичь умножения

сигнала в самом детекторе. Как было отмечено выше, такое умножение можно получить в лавинном фотодиоде при высоких напряжениях обратного смещения. Однако при этом сам процесс лавинного умножения не свободен от шума. Статистическая природа этого процесса приводит  к  возрастанию  шума.  Шум-фактор  Fш   практически  всегда  больше  единицы  и увеличивается с ростом М по показательному закону Fш ≈ М (х = 0,2… 1,0).

Следовательно,  для  любого  ЛФД  в  конкретном  приемнике   оптических   сигналов существует  оптимальное  значение  M,  при  котором   достигается  наилучшее  отношение сигнал/шум на выходе ОПМ. Подробно этот вопрос рассмотрен в подразд. 3.4.4.

В   лавинных   (и   нелавинных)   ФД   следует   добиваться   максимальной   квантовой эффективности,  и  все  указанные  в  подразд.  3.4.1  требования  остаются  существенными. Кроме   того,   необходимо,   чтобы   лавинное   умножение   носителей   заряда   в   сечении освещенной    принимаемым    излучением    площади    оставалось    однородным.    Должны использоваться  высококачественные  материалы  практически  без  дефектов,  в  противном случае образующиеся локальные повышения электрического поля приведут к образованию преждевременной лавины или микроплазмы.

Образование микроплазмы может происходить даже и в совершенном материале, когда напряженность  однородного  электрического  поля  приближается  к  пороговому  значению. Поэтому простая PIN-структура  непригодна для ЛФД. В области, где зарождается лавина, может  образоваться  и  нестабильно  развиваться  отрицательное  сопротивление.  По  этой причине  область максимального поля, где развивается лавинное умножение, должна  быть ограничена   очень   тонким   слоем   и   отделена   от   области   поглощения   принимаемого оптического излучения. Приложенное  электрическое поле  должно быть достаточным для поддержания насыщения скорости дрейфа носителей.

Структура ЛФД сквозного воздействия (см. рис. 3.26, б) удовлетворяет всем указанным требованиям. Лавина должна начинаться носителями с высоким коэффициентом ионизации, иначе  полоса  ЛФД  сужается,  шум-фактор   растет.   Поэтому  для  показанной  n+-рiр+- структуры   наиболее   подходит    материал   типа    кремния,    для    которого    отношение коэффициента  ионизации  дырок  αh,  к  коэффициенту  ионизации  электронов  αq   намного меньше  единицы,  т.  е.  k  =  αh/αq   <<  1.  Фотоэлектроны  вызывают  лавину,  затем  дырки способствуют дальнейшей генерации носителей заряда.

Кремниевые лавинные  ФД,  имеющие  показанную  на  рис.  3.26,  б  структуру,  могут иметь коэффициент лавинного умножения М до нескольких  сотен, прежде чем разовьется микроплазма и, как следствие, резко возрастет избыточный шум. Квантовая эффективность на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм  может превышать  0,9. Неумноженный темновой ток при комнатной  температуре  можно  снизить  до  уровня  нескольких  пикоампер.  Зависимость

коэффициента лавинного умножения М от приложенного напряжения  смещения Uсм  при разных температурах для кремниевого ЛФД приведена на рис. 3.30. Из рисунка следует, что при повышении температуры ЛФД на 40…50°С коэффициент М увеличивается в несколько

раз.

Рис. 3.30

В германиевых ЛФД существует ряд особенностей, из-за которых  коэффициент Мне превышает  значения 10…20. Темновой ток значителен (единицы  микроампер),  поскольку скорость  тепловой  генерации  высокая  и  большая   поверхностная  утечка.  Кроме  того, затруднено  получение  бездефектного   материала  для  подложки  и  серьезную  проблему представляет  пассивирование. В  современных германиевых ЛФД при снижении диаметра активной области до 30 мкм темновой ток составляет около 0,1 мкА, ёмкость – около 0,5 пФ и квантовая эффективность – 0,9.

Благодаря  интенсивным  разработкам  ведущих  мировых  компаний,  которые   были проведены  в  конце  80-х  –  начале  90-х  гг.,  стало  возможным  создание  промышленного производства  гетероструктурных  ЛФД  на  основе  тройных  и   четверных  соединений  в длинноволновом   диапазоне,   т.   е.   на   длинах   волн   1,3   и   1,55   мкм.   Полупроводник, образующий  поверхностный  слой,  должен  иметь   широкую  запрещенную  зону,  чтобы поглощение  излучения  было  слабым.  При  попадании  излучения  в  узкозонный  материал гетероструктуры,    где     электрическое     поле     максимально,    поглощение    становится значительным. Если скорость рекомбинации не слишком велика, можно получить высокий коэффициент эффективности.

Практически   используются   следующие   материалы:   InGaAs/InP,    InGaAsP/InP   и GaAlAsSb/GaSb, в которых можно выделить три области – поверхностный слой, дрейфовую область и подложку. В четверном соединении InGaAsP в состав поверхностного слоя может входить фосфид индия InP. Тройное соединение InGaAs выращивается на подложке из InP с хорошим   согласованием   решеток.   Минимальная   ширина   запрещенной   зоны   0,75   эВ обеспечивает  получение  длинноволновой границы 1,65 мкм, p-n-переход  формируется за счет диффузии цинка.

Пример In0,53Ga0,47As гетероструктурного ЛФД, изготовленного методом жидкофазной эпитаксии на подложке из InP, показан на рис. 3.31 [29]. Указанный ЛФД имеет следующие особенности. Принимаемое излучение проходит через InP-подложку, которая прозрачна для оптических  сигналов,  имеющих  длину   волны   более  0,92  мкм.  Буферный  слой  Р+-InР используется для изоляции  активной области от дефектов подложки. В этом примере p-n– переход формируется в эпитаксиальном слое InP, a N-n-гетероструктура – между слоем InP и тройным    соединением    InGaAs    с    согласованной    решеткой.    Оптическое    излучение поглощается в узкозонном тройном материале, при этом происходит фоторождение дырок, которые вызывают лавину. Толщина и концентрация  примесей  (степень легирования) слоя N-InP тщательно подбираются,  чтобы  обеспечить проникновение обедненного слоя через тройной  материал.  В  то  же  время  необходимо  гарантировать,  что  в  начале  лавинного процесса напряженность электрического поля на гетероструктуре не превысит 1,5 • 107  В/м при   напряженности   на   P-N-переходе   около   4,5   •   107     В/м.   Такой   напряженности электрического  поля  достаточно,  чтобы  установилось  насыщение  дрейфовых  скоростей носителей заряда. В этом конкретном ЛФД более высокие поля приводят к чрезмерному току

утечки через гетероструктуру.

Рис. 3.31

В настоящее время коэффициент умножения М в таких ЛФД  ограничивается токами утечки  и  возникновением  микроплазмы.  Преимуществом  ЛФД  по  сравнению  с  PIN-ФД является более высокая  чувствительность и как следствие – низкий уровень мощности Рф принимаемого   оптического   сигнала.   Использование   ЛФД   в   оптических   приемниках позволяет увеличить длину регенерационной секции и уменьшить затраты на приобретение и эксплуатацию оборудования СЛТ.

Проблемы    использования    ЛФД    заключаются    в    необходимости     применения высоковольтного    источника    напряжения    смещения    и    обеспечения    температурной стабилизации ЛФД. В настоящее время эти  проблемы  успешно  решены и ЛФД находят широкое применение при построении схем ОПМ.

Источник: Хмелёв К. Ф. Основы SDH: Монография. – К.: ІВЦ «Видавництво «Полігехніка»», 2003.-584 с.:ил.

Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через RSS 2.0 ленту. Вы можете оставить ответ, или trackback с вашего собственного сайта.

Оставьте отзыв

XHTML: Вы можете использовать следующие теги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

 
Rambler's Top100