Коллективная монография известных специалистов из США и Японии посвящена вопросам разработки и использования быстродействующих высокочувствительных фотоприёмников. Подробно изложены физические процессы в фотоприёмниках, их характеристики и параметры, а также вопросы технологии и конструкций, обеспечивающих достижение этих параметров.

Для специалистов в области волоконно-оптических систем передачи информации, а также для разработчиков фотоприёмников и студентов старших курсив соответствующих специальностей.

Предлагаемая вниманию читателя книга посвящена физике и технике фотоприёмников, в основном лавинных фотодиодов (ЛФД). Разработка ЛФД, и в первую очередь на основе сложных соединений, наряду с разработкой матричных фотоприёмников относится к основным направлениям развития современной фотоэлектроники. Книга актуальна ещё и потому, что в ней рассматриваются фотоприёмники, сконструированные специально для волоконно-оптических систем передачи: фотоприёмники являются важнейшим компонентом, определяющим дальность и скорость передачи таких систем.

Всегда вызывают особый интерес книги, которые отображают новый этап развития техники, — именно такой процесс и происходит сейчас в области полупроводниковых фотоприёмников. На первом этапе развития, включающем период от создания в 1950 г. первых германиевых фотодиодов Шайвом до 1965—1970 гг., разрабатывалась и осваивалась технология полупроводниковых фотоприёмников на различных материалах для четырёх основных спектральных диапазонов. На втором этапе (примерно до 1980 г.) были достигнуты параметры, близкие к предельным, практически для всех одно- и малоэлементных фотоприёмников на традиционных материалах, и прежде всего на кремнии и германии. Именно такие приборы и обеспечивают сейчас основные потребности техники. Разработанные кремниевые ЛФД с n-p-i-p-структурой можно считать идеальным фотоприёмником для волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) на спектральный диапазон 0,8—0,9 мкм. Возможности дальнейшего существенного улучшения параметров этих приборов практически исчерпаны. В то же время германиевые ЛФД, которые сейчас широко используются в ВОСП, работающих в спектральном диапазоне 1,3—1,55 мкм, по своим параметрам далеки от теоретического предела, что объясняется свойствами самого материала: почти одинаковые значения коэффициентов ударной ионизации носителей обусловливают высокий шум-фактор лавины, а зонная структура — высокий темп генерации темнового тока. Создание лавинного фотодиода на спектральный диапазон 1,3—1,55 мкм с параметрами, близкими к теоретическому пределу, и является сейчас основной задачей разработчиков. Новые задачи могут быть решены лишь при изменении подхода к проектированию и разработке приборов, что позволяет говорить о новом этапе создания фотоприёмников. Прежде, на втором этапе, разработчик при физическом проектировании оптимизированных фотоприёмников исходил из заданных фотоэлектрических свойств материала. Его основной целью являлся выбор типа примеси, её оптимального распределения (исходной концентрации, глубины разгонки и др.), топологии прибора. Определённость физических свойств полупроводникового материала накладывает ограничения на характеристики прибора. Так, применение кремния ограничивает сверху спектральный диапазон длинами волн 1—1,1 мкм, а при использовании германия шумовые характеристики далеки от идеальных (как отмечалось выше, в ЛФД на германии нельзя получить достаточно малые значения шум-фактора и темнового тока).

Принципиальное отличие нового этапа в разработке фотоприёмников как раз и состоит в том, что физическое проектирование переведено на новый, молекулярный уровень, — объектом проектирования становится сам материал. Изменяя состав сложного соединения, разработчик подбирает таким образом и требуемые фотоэлектрические характеристики материала: длинноволновую границу поглощения, значения коэффициентов ударной ионизации электронов и дырок и распределения этих характеристик по объёму. Именно такая методика позволяет решить поставленную задачу — добиться требуемой чувствительности в спектральном диапазоне 1,3—1,55 мкм (в отличие от кремния) и одновременно получить низкие значения шум-фактора за счёт резкой асимметрии эффективных коэффициентов ударной ионизации, уменьшить темновой ток (по сравнению с германием).

Итоги второго этапа развития фотоприёмников, относящиеся к германиевым и кремниевым ЛФД, обсуждены в гл. 3. Новому этапу — созданию фотоприёмников на сложных соединениях — посвящены гл. 1 (разд. 1.4) и гл. 2. В указанных трёх главах представлен весь круг вопросов, связанных с разработкой лавинных фотодиодов, который не рассмотрен столь подробно в отечественной литературе. Здесь нашли отражение следующие проблемы: обзор механизмов ударной ионизации электронов и дырок в различных материалах, анализ лавинного размножения в переходах, статистика шумов умножения, методика физического проектирования ЛФД, структуры p-i-n-фотодиодов и ЛФД (с проникновением поля, канальные, ступенчатые и др.), технология изготовления и др.

Гл. 4 представляет особый интерес для разработчиков ВОСП, так как полностью посвящена вопросам применения ЛФД в приёмных модулях таких систем и расчёту параметров приёмных модулей ВОСП (порога чувствительности, скорости передачи) по известным параметрам ЛФД (темновому току, шум-фактору, оптимальному коэффициенту умножения, постоянной времени). В последней, гл. 5 дан обзор результатов, полученных на сегодняшний день по транзисторным механизмам фотоэлектрического усиления импульсных оптических сигналов, предпринята попытка оценить перспективность применения таких механизмов усиления в фотоприёмниках для ВОСП.

Книга привлекает особое внимание ещё и потому, что её редактор и составитель У. Тсанг внёс значительный вклад в развитие лавинных фотоприёмников, а каждая из пяти глав написана ведущим специалистом в соответствующей области. Большинство новых структур ЛФД, рассмотренных в книге, предложено её авторами. С этими приборами связывают сейчас перспективы дальнейшего улучшения параметров фотоприёмников на 1,35—1,65 мкм.

Приятно также отметить, что авторами книги в основном отмечен вклад советских учёных в рассматриваемую область физики. Так, указаны пионерские работы Л. В. Келдыша по туннельно-ударной ионизации, Ж. И. Алфёрова и др. по гетеропереходам, М. П. Михайловой, а также И. Н. Яссиевич и др. по резонансной ударной ионизации и т. д.

Книга доступна для изучения специалистам разного профиля, которые могут выборочно знакомиться с интересующими их главами, написанными как самостоятельные обзоры. Это объясняет повторение отдельных вопросов в некоторых главах. Книга представляет интерес как для научных работников, исследующих физические явления, так и для инженеров-разработчиков конкретных типов фотоприёмников для ВОСП. Наряду с описанием перспективных структур на основе новых физических механизмов указаны и недостатки таких структур, упомянуто о возможности улучшения параметров приборов традиционными методами…

Предисловие редактора перевода
М. А. Тришенков

Книги на ту же тему

1. Сенсибилизированный фотоэффект, Акимов И. А., Черкасов Ю. А., Черкашин М. И., 1980
2. Лазерные приёмники, Росс М., 1969
3. Твердотельная фотоэлектроника. Фоторезисторы и фотоприёмные устройства, Филачёв А. М., Таубкин И. И., Тришенков М. А., 2012
4. Электронные умножители, Чечик И. О., Файнштейн С. М., Лифшиц Т. М., 1954
5. Основы волоконно-оптической связи, Барноски М. К., ред., 1980
6. Неоднородные оптические волноводы, Содха М. С., Гхатак А. К., 1980
7. Оптические вычисления, Арратун Р., ред., 1993
8. Оптические и оптико-электронные приборы в геодезии, строительстве и архитектуре: учебное пособие, Соломатин В. А., 2013
9. Нанотехнологии в микроэлектронике, Агеев О. А., Коноплёв Б. Г., ред., 2019