Лавинные фотодиоды

Лавинные фотодиоды представляют собой фоточувствительные приборы с внутренним усилением, позволяющие получить высокую чувствительность. Основным их недостатком является то, что с лавинным умножением связан дополнительный шум, ограничивающий возможность детектирования слабых сигналов. Давно установлено, что для получения низкого уровня шума при большом внутреннем усилении необходимо, чтобы коэффициенты ударной ионизации электронов α и дырок β резко различались между собой.

В большинстве соединений А^IIIВ^V α / β 1, что приводит к возрастанию шума при умножении. Поэтому большое практическое значение имеют методы, позволяющие в указанных материалах увеличить α / β. Одним из способов сделать это является создание структур типа сверхрешеток, использующих явление ударной ионизации на разрыве энергетических зон. Рассмотрим зонную диаграмму сверхрешеточной структуры в сильном электрическом поле обратно-смещенного р-i-n –диода (рисунок 5).

Рисунок 5 - Схема лавинного фотодиода с системой квантовых ям

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

Если разрывы в валентной зоне Δ E_v значительно меньше разрывов в зоне проводимости, то подобный эффект для дырочного коэффициента β будет значительно меньше. Окончательным результатом будет сильное увеличение отношения α / β, что и приводит к уменьшению шума прибора без уменьшения чувствительности.