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; U – напряжение 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.