фотона. Сдвиг во времени определяется первоначальным медленным движением носителей по направлению к обедненной зоне. В данном случае ток может возникнуть уже после отключения инициирующего света. Запаздьь ваюпщй ток называется медленным откликом.

Две характеристики рп-фотодиодов ограничивают их применение в большинстве волоконно-оптических приложений. Во-первых, обедненная зона составляет достаточно малую часть всего объема диода, и большая часть поглощенных фотонов не приводит к генерации тока во внешнем контуре. Возникаюпще при этом электроны и дырки рекомбинируют по дороге к области сильного поля. Для генеращш тока достаточной силы требуется мошцый световой источник. Во-вторых, наличие медленного отклика, обусловленного медленной диффузией, замедляет работу диода, делая его непригодным для средне- и высокоскоростных применений. Это позволяет использовать диод только в килогерцовом диапазоне.

pin фотодиоды

Структура pin-фотодиода спроктирована так, чтобы избежать недостатков фотодиода рп-типа. Эта структура представлена на рис. 9.2. Обедненная зона еде-

Обедненная область

Рис. 9.2. pin-фатодиоды (рисунок предоставлен AMP Incorporated)

лана максимально широкой. Слаболегированный промежуточный слой разделяет более сильно легированные слои п- и р- типа. Промежуточный слой легирован в такой степени, чтобы не относиться ни к полупроводникам п-типа с электронным видом проводимости, ни к полупроводникам р-типа с дырочной проводимостью. Название данного типа диодов происходит из сокращения названий составляющих его слоев: р - positive (положительный), i - intrinsic (внутренний), п - negative (отрицательный) - pin.

Поскольку внутренний слой не содержит свободных носителей заряда, то электрические силы в нем будут значительными. При этом образуется обедненная зона, сравнимая по ширине с размером диода. Принципиального различия в работе диода pin-типа и диода рп-типа не существует. Широкий внутренний слой приводит к большей эффективности поглощения фотонов внутри обедненной зоны. В результате падающие фотоны возбуждают ток во внешнем контуре более эффективно и с меньшим запаздыванием. Носители, образующиеся внутри обедненной зоны, мгновенно сдвигаются в сильном электрическом поле к соответственно р- и п- областям диода.

Существует некоторый оптимум размера внутреннего слоя. Для более эффективного протекания процесса преобразования падающих фотонов в носители заряда требуется по возможности более широкий внутренний слой. С другой стороны, скорость срабатывания диода уменьшается с ростом ширины этого слоя, поскольку при этом увеличивается время смещения носителей к краям обедненной зоны. В устройстве диода учитывается баланс этих двух конфликтующих факторов для достижения большей эффективности с максимальной скоростью.

Лавинные фотодиоды (APD)

в диодах pin-типа каждый поглощенный фотон в идеале приводит к образованию одной электронно-дырочной пары, которая в свою очередь приводит к возбуждению тока в виде смещения одного электрона во внешнем контуре. В этом смысле данный тип фотодиода похож на СИД. В основе и того, и другого лежит соотношение один к одному между фотонами, носителями заряда и током. Продолжая это сравнение, можно сказать, что лавинный фотодиод похож на лазер, в котором соотношение один к одному не выполняется. В лазере небольшое первоначальное количество носителей приводит к появлению большого числа фотонов. В лавинном фотодиоде (APD) несколько падающих фотонов приводят к появлению большого числа носителей и к существенному току во внешнем контуре.

На рис. 9.3 представлена структура APD, отличающаяся наличием очень сильного электрического поля в некоторой части обедненной зоны. Первоначальные носители - свободные электроны и дырки, появляющиеся после поглощения света, - под действием этого поля ускоряются, приобретая несколько электрон-вольт кинетической энергии. При столкновении быстрых носителей с нейтральными атомами происходит передача части кинетической энергии электронам валентной зоны и перемещение этих электронов в зону проводимости. В результате появляются свободные электроны и дырки. Возникающие таким образом носители, в отличие от первоначальных, называются вторичными.

Рис. 9.3. Лавинные фотодиоды (рисунок предостаален AMP Incorporated)

Данный процесс создания вторичных носителей называется ударной ио\ зацией. Первоначальные носители порождают несколько вторичных носи-лей, которые в свою очередь, ускорившись в электрическом пол порождают новые носители. Процесс в целом назьшается фотомультипл сией и представляет собой по сути некоторую форму усиления.

Число электронов, протекаюшдх во внешнем контуре в результате поглои ния одного фотона, зависит от APD-фактора мультиплексии. Типичное зна ние фактора мультиплексии находится в диапазоне от нескольких десятков нескольких сотен. При значении фактора мультиплексии 70 в среднем 70 эл< тронов протекают во внешнем контуре после поглощения диодом одного с] тона. Выражение в среднем очень важно. Фактор мультиплексии являе! статистической величиной, о которой можно говорить только в смысле ср< него значения. В каждом конкретном случае один первичный электрон мо породить как больший, так и меньший ток во внешнем контуре.

Например, в APD с фактором мультиплексии 70 некоторый первичш носитель может породить как 67 вторичных носителей, так и 76 вторичн] носителей. Такого рода вариации являются причиной возникновения шуд лимитирующего предел чувствительности детектора, работающего на осно APD. Более подробно проблема шумов будет обсуждена ниже.