Чем отличается принцип действия ЛФД от фотодиода p-i-n?

Ответ: Ответ: Отличительной особенностью р – i – n фотодиода (ФД) является наличие i – слоя (слаболегированного полупроводника n – типа) между слоями р+ и n+ типа (+ означает сильное легирование).

Фотодетектор с р – i – n переходом схематически изображен на рис.1.

а) р – i – n фотодиода
б) лавинного фотодиода

Два крайних слоя р+ и n+ имеют хорошую проводимость, i - слой называется обедненным слоем, поскольку в нем нет свободных носителей. От специального источника подается обратное напряжение смещения. Под действием постоянного электрического поля и наличия падающего на i - слой излучения, происходит движение во встречных направлениях возникающих носителей заряда и появляется ток во внешней цепи. Электрический ток идет до тех пор, пока образуются электронно-дырочные пары, т.е. пока на ФД падает cвет. Эффективным является взаимодействие излучения только с i - слоем, поэтому его делают широким, а крайние слои - узкими. Полученный ток является сигналом на выходе ФД и определяется:

I = q * e * (P / hf)

где:
q – квантовая эффективность;
е – заряд электрона;
Р – мощность оптического излучения;
hf – энергия фотона;
Р/hf – число фотонов, падающих на детектор в единицу времени.

Главное отличие ЛФД от обычного ФД – наличие внутреннего усиления сигнала. Если структура слоев у обычного ФД имеет вид р – i – n, то в ЛФД добавляют p - слой (р – i – р – n). Причем профиль распределения легирующих примесей выбирается так, чтобы наибольшее сопротивление, а следовательно, и наибольшую напряженность электрического поля имел р – слой.

При воздействии света на i –слой образуются электронно-дырочные пары и благодаря небольшому полю происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам, рис.1.

При попадании свободных электронов из i - слоя в р - слой их ускорение увеличивается из-за высокой напряжённости электрического поля в р - слое и, ускоряясь в зоне проводимости р - слоя, такие электроны накапливают достаточную энергию для выбивания других электронов из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс носит название лавинного усиления или умножения первичного фототока.

Коэффициент умножения обычно составляет несколько десятков и поэтому токовая чувствительность ЛФД значительно выше токовой чувствительности p-i-n фотодиодов.

При выборе ЛФД необходимо учитывать квантовый выход, широко-полосность, а так же присущие только ЛФД, усиление по току (происходит внутреннее усиление) и связанные с ним ограничения, а так же избыточные шумы. Технология изготовления ЛФД сложна. Используются кремниевые или германиевые ЛФД (см. Рис.1) или на примесях.

ЛФД - более чувствительный и быстродействующий детектор (см. Рис.1), однако имеет недостатки:
1) ЛФД работают при достаточно высоких Uсм. - 80...400 В (р - i - п можно запитать от источника для обычных микросхем);
2) коэффициент лавинного умножения (М) у ЛФД зависит от температуры, что приводит к необходимости термо-стабилизации.

В отличие от полезного сигнала, который усиливается пропорционально М, шум усиливается быстрее (приблизительно как М2,1), поэтому оптимальное значение коэффициента умножения М обычно находится в пределах от 30 до 100,3, меньшая надежность и относительно высокая стоимость.

Поиск по сайту: