5.2.3.  Разновидности фотодиодов

Существуют разновидности фотодиодов, обладающих дополнительными преимуществами для ряда областей применения. Так называемый p-i-n-фо­тодиод (рис.5.11) содержит между областями р- и n-типа широкую высокоомную зону с собственной проводимостью, в которой под действием падающего излучения гене­рируются электронно-дырочные пары. Электрическое поле, возникшее в этой зоне под действием запираю­щего напряжения, практически постоянно, а в объеме этой зоны отсутствует пространственный заряд.

Такой дополнительный слой с собственной проводимостью существенно понижает емкость запирающего слоя, которая при этом не зависит от приложенного напря­жения, что существенно расширяет рабочую полосу частот таких диодов. В результате быстродействие резко возрастает и граничная частота достигает значений 109 – 1010 Гц. Высокое сопротивление слоя с собственной проводимостью сильно понижает и темновой ток. Падающее излучение должно проникнуть сквозь слой р-типа, который поэтому не должен быть слишком толстым.

Рис. 5.11. Схема включения (а) и структура (б)  p-i-n-фотодиода

Лавинные фотодиоды работают при очень высоких запирающих напряжениях (сотни вольт). При этом носители заряда ускоряются под действием электриче­ского поля и приобретают большую энергию. Эта энергия позволяет им за счет ударной ионизации осво­бождать новые носители заряда. Таким образом, пер­вичные электроны и дырки, образовавшиеся в резуль­тате фотогенерации, лавинообразно размножаются в полупроводнике.

Усиление первичного фототока в лавинном фотодиоде определяется коэффициентом лавинного умножения:

,

где  – ток на выходе фотодиода с учетом умножения;  – ток при отсутствии умножения.

Таким образом, коэффициент лавинного умножения в лавинном фотодиоде является коэффициентом усиления фототока.

Известно, что коэффициент умножения зависит от на­пряжения на переходе:

,

где  – пробивное напряжение; Uнапряжение на р-п-переходе;  для кремния р-типа;  для кремния n-типа.

Тогда вольт-амперную характеристику лавинного фото­диода можно представить в виде:

.

Лавинные фотодиоды перспективны при обнаружении слабых оптических сигналов.

Чтобы основная часть квантов света фотодиода на основе выпрямляющего перехода «ме­талл – полупроводник» проникла через металлический верхний электрод 1 (рис.5.12), его толщина должна быть малой (около 10 нм для Au). Уменьшения потерь на отражение можно достичь с помощью просветляющих покрытий.

Принцип действия фотодиода на ос­нове выпрямляющего перехода «ме­талл – полупроводник» аналогичен принципу действия фотодиода с р-п-переходом. Однако есть некоторые раз­личия, которые сказываются на харак­теристиках и параметрах.

Первым отличием является возможность погло­щения квантов света с энергией, мень­шей ширины запрещенной зоны, для которых полупроводник оказывается прозрачным, в металле верхнего элек­трода 1 (рис. 5.12). При этом если энергия кванта света превышает высоту потенциаль­ного барьера, то возбужденные элек­троны из металла могут перейти в полупроводник через потенциальный барьер, обеспечив тем са­мым возникновение фототока. Поэтому длинноволновая граница спектральной характеристики фотодиодов на основе контакта «металл – полупроводник» оп­ределяется высотой потенциального барьера на этом контакте и располо­жена при более длинных волнах электромагнитного спектра.

 Рис. 5.12. Структура фото­диода с выпрямляющим пе­реходом между металлом и полупроводником (а) и энер­гетическая диаграмма этой структуры при обратном на­пряжении (б): 1 – тонкий прозрачный метал­лический электрод; 2 – второй

метал
лический электрод, обра­зующий с кристаллом полупро­водника омический переход

Другим отличием рассматриваемых фотодиодов является то, что с уменьшением длины волны квантов света (с ростом энергии квантов) и с увеличением показателя поглощения в полупровод­нике кванты света продолжают поглощаться в слое объемного заряда, где существует электрическое поле. Поэтому коротковолновая граница спектральной характеристики фотодиодов на основе перехода «металл – полупроводник» расположена при бо­лее коротких волнах электромагнитного спектра.

Таким образом, спектральная характеристика фотодиода на основе перехода «металл – полупроводник» значительно шире, чем спектральная характеристика фотодиода с p-n-переходом из того же полупроводника. Кроме того, сопротивление базы фотодиода на основе перехо­да металл – полупроводник намного меньше. Поэтому постоян­ная времени () оказывается малой и инерционность определяет­ся в основном только временем пролета носителей через область объемного заряда на выпрямляющем пере

ходе «металл – полу­проводник». Это время пролета может быть порядка 0,1 – 0,01 нc, что позволяет использовать фотодиоды на основе перехода «ме­талл – полупроводник» при СВЧ-модуляции светового потока.