Физические причины роста темнового тока при нагреве:
- Термическая генерация в объёме и обеднённом слое (SRH): скорость генерации носителей растёт с температурой через концентрацию собственных носителей $n_i$, где
$$n_i\propto T^{3/2}\exp \left(-\frac{E_g}{2kT}\right).$$ Для токов генерации/рекомбинации это даёт сильный экспоненциальный рост тока с $T$.
- Ток насыщения (диодный/диффузионный) имеет приближённую зависимость
$$I_s\propto n_i^2\propto T^3\exp \left(-\frac{E_g}{kT}\right),$$ и в уравнении диода
$$I=I_s\left(e^{qV/(kT)}-1\right)$$ при обратном смещении основная величина тока связана с $I_s$ и генерацией в истощённой области.
- Поверхностные токи и утечки через дефекты/ловушки (trap-assisted, SRH на границе): плотность поверхностных состояний и их вклад в ток часто увеличиваются с $T$.
- Туннелирование и ловушко-опосредованное туннелирование: при высоком поле и повышенной температуре вклад таких процессов растёт (особенно для узкополосных материалов/высоких смещений, APD).
- Ухудшение контактов/изоляции/влажности и термомеханические напряжения: при нагреве увеличиваются утечки через упаковку, трещины пассивации и т.п.
Практические оценки: темновой ток обычно удваивается при повышении температуры примерно на $\sim 6\text{–}10{}^{\circ }\mathrm{C}$ (зависит от материала и конструкции).
Методы стабилизации и уменьшения темнового тока:
1. Активная термостабилизация:
- термоэлектрический охладитель (TEC) + датчик (термистор) + PID-контроллер для поддержания постоянной температуры; самый эффективный метод для чувствительных каналов.
2. Пассивное охлаждение/тепловая развязка:
- массивный радиатор, хорошая тепловая проводимость к охладителю, тепловая изоляция от источников тепла.
3. Выбор и конструкция фотодиода:
- использовать диоды с низким темновым током (например, качественная Si/PIN для видимого, охладж. InGaAs для ближнего ИК);
- применять guard rings и качественную пассивацию поверхности для уменьшения поверхностных утечек;
- выбирать более крупную или оптимизированную геометрию истощённого слоя (PIN vs APD — APD даёт больший тём. ток и сильную температурную зависимость усиления).
4. Снижение обратного смещения:
- уменьшение $V_R$ снижает ток и пробойные/туннельные процессы (но влияет на чувствительность/скорость).
5. Улучшение упаковки и герметизации:
- герметичная упаковка, влагозащита, инертная атмосфера или вакуум в корпусе уменьшают утечки и деградацию при температурных циклах.
6. Электронная компенсация и калибровка:
- измерять температуру и цифрово компенсировать дрейф тока в ПО или аппаратно (подстройка усиления/смещения);
- использовать коррекцию базовой линии (вычитание тёмного тока) и адаптивную фильтрацию шума.
7. Снижение влияния поверхностных дефектов:
- термообработка/отжиг для уменьшения ловушек, производство с высокой чистотой и контролем дефектов.
8. Проектная оптимизация системы:
- располагать предусилитель максимально близко к диоду (минимум проводников, меньше шумов);
- экранирование от чернотельного излучения и от рассеянного света (чтобы тёмный ток не включал фотополяризацию от ИК-источников).
9. Для особо чувствительных применений:
- глубокое охлаждение (криогеническое) для минимизации $n_i$ и шума;
- выбор материалов с большим $E_g$ при допустимой спектральной чувствительности.
Короткий план действий (практика): сначала обеспечить термостабилизацию (TEC или хороший радиатор), затем проверить/улучшить пассивацию и герметизацию, уменьшить обратное смещение при необходимости, добавить температурную калибровку в электронике.