На сайте 100500 рефератов в 150 категориях	Искать реферат
Рефераты на 5 с плюсом С нашим сайтом написать реферат проще простого

Фотоприемники с внутренним усилением

Категория: Технологии

версия для печати

Страница: [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]

Эффекты лавинного умножения в полупроводниках.

В обычном фотодиоде при поглощении света возникают электронно-дырочные пары, причем при поглощении одного фотона образуется одна электронно-дырочная пара. Неосновные носители этих пар или рекомбинируют, или протекают через pn-переход, порождая фототок. В ЛФД носители, проходящих через pn-переход,получают в сильном поле перехода энергию, достаточную для ударной ионизации атомов решетки, и создают на своем пути повторные пары. В результате токовый сигнал за счет лавинного умножения увеличивается. Для развития лавины необходимо выполнение двух условий: толщина обедневшей области pn-перехода, в которой сосредоточено внутреннее электрическое поле, должнапревышать длину свободного пробега неосновных носителей заряда; энергия, накапливаемая неосновными носителями в области перехода, должна быть достаточной для возбуждения валентных электронов полупроводника, то есть превышать порог ударной ионизации:

qUi = (2 ... 3) Eg. (2.1)

Мал.2.3.Структура ЛФД (а), распределение электрического поля (б).

При выполнении этих условий создаются повторные пары носителей, разделяемые полем перехода. Толщина области объемного заряда перехода и напряженность внутреннего электрического поля в ней при данном смещении зависят от структуры диода и от удельного сопротивления полупроводника (рис. 2.3). Поэтому напряжение лавинногопробоя связана с удельным сопротивлением материала

= 0,62). (2.2)

лавинное усиление фототока, проходящего через освещенный pn-переход, используется в ЛФД, работающих в передпробийному режиме. Зависимость коэффициента лавинного усиления от напряжения на фотодиоде выражается приближенным соотношением Миллера

M= [1 — (U / Uл.п) n] −1, (2.3)

где n — коэффициент, зависящий от ионизационных возможностей электронов и дырок, от длины волны принимаемого излучения, а также от материала и конструкции ЛФД. Для кремниевых фотодиодов n = 3,4 ... 4,0, если генерация носителей происходит в p-области и лавина образуетсяв результате ударной ионизации, производимой электронами; n = l, 2 ... 2,0, если ударная ионизация производится дырками, генерируемых в n-области.

Очень резкая зависимость коэффициента лавинного умножения (рис. 2.3) от приложенного напряжения существенно осложняет возможность практического использования ЛФД с высокими коэффициентами усиления через очень жесткуютребование к точности поддержания на диоде рабочего напряжения. Сильная зависимость напряжения лавинного пробоя от температуры приводит к проблеме термостабилизации. Все эти факторы ограничивают применение лавинных диодов в аппаратуре.

Рис. 2.4. Зависимость коэффициентов ионизации

электронов и дырок от напряженности поля в

кремнии прикомнатной температуре.

Сильная зависимость коэффициента от напряженности поля в области умножения возникает через две основных причины: существует положительная обратная связь между коэффициентом умножения и напряженностью поля за наличия двух типов носителей, которые могут ионизировать; скорость ионизации экспоненциально возрастает с ростом напряженности поля.

Рассмотримвлияние положительной обратной связи. Если в область умножения инжектируется чисто электронный ток, то сначала первичные электроны генерируют повторные пары. Повторные электроны становятся неотличимы от первичных. Повторные дыры движутся в противоположном направлении и при следовании генерируют новые пары. Коэффициент умножения Мn для инжектировано электронноготока зависит от ионизирующих возможностей носителей обоих типов

, (2.4)

р — скорость ионизации дырок; d — ширина области обеднения.

Аналогичный выражение имеет коэффициент умножения и для инжектировано диркового тока. Обратная связь между коэффициентом умножения и приложенным напряжением, обусловленная присутствиемносителей двух типов, приводит к нелинейного роста коэффициента умножения при увеличении напряжения. Для уменьшения обратной связи нужно, чтобы фототок состоял из носителей с большой скоростью ионизации. Следовательно, желательно иметь материал, для которого отношения скоростей ионизации электронов и дырок большое на всем интервале ионизирующих полей. В такихматериалах будет меньше и время нарастания лавины.

В настоящее время широкое применение в диапазоне длин волн 1,0 ... 1,6 мкм получили германиевые лавинные фотодиоды, имеющие высокий квантовый выход, слабо зависит от температуры. Их основным недостатком является большие темные токи, сильно возрастают с ростом температуры. Это не позволяет реализоватьв схемах коэффициента усиления более 10. Кроме того, коэффициенты ионизации электронов и дирок близки между собой: (/ (= 2. Упомянутые причины приводят в реальных схемах к нестабильности и больших дополнительных шумов.

Темновой ток, образованный объемной тепловой генерацией носителей, можно снижать выбором материала с большим объемным временем жизни.Снижение тока поверхностных «отливов» достигается пассивацией поверхности. Существенного уменьшения темновых токов, можно добиться снижением рабочих температур, например с помощью термоэлектрических охладителей, но это усложняет конструкцию изделия.

Кремний значительно лучший полупроводниковый материал для создания лавинных фотодиодов.

Особенности технологии изготовления ЛФД.

В режиме лавинного пробоя через повышение плотности тока в отдельных участках структуры диода могут образовываться небольшие центры разряда, названные микроплазмы. Поэтому решающим фактором для работы ЛФД является однородность лавинного процесса, реализовать которую возможно только в сделанных электронно-дырочныхпереходах. В диоде существует три области, где могут образовываться локальные микроплазмы:

— края pn-переходов в планарных структурах, где специфическая форма диффузионной области на периферии перехода (цилиндрическая или сферическая) приводит к повышенной напряженности электрического поля по сравнению с центральной плоской частью;

— поверхности в мезаструктурах,где до локального усиления напряженности электрического поля приводят загрязнение или какие-либо дефекты в местах пересечения pn-перехода и поверхности, вызывающие резкое искривление зон вблизи границы pn-перехода;

— участки с несовершенной кристаллической структурой исходного материала и с дефектами pn-перехода, где локальный пробой (внутренняя микроплазма)обусловлен или локальной неоднородностью в легировании исходного материала, или металлическими включениями, или другими структурными дефектами в области объемного заряда pn-перехода.

микроплазмы генерируют нерегулярные «броски токов», приводящие к раннему пробою или к повышению уровня шума прибора. Для предотвращения шумов, связанных с флуктуациейплотности легирования p-области, необходима однородность легирования точнее 0,1%. Для снижения избыточного шума лавина должна быть вызвана чисто электронной инжекцией в широкой области умножения. Это следует из высокого отношение коэффициентов ионизации электронов и дырок в кремнии, что в правильно сконструированных детекторах должно лежать в пределах 0,02... 0,08. Чтобы достичь наименьших шумов, необходимо внедрение излучения в n-область через p-контакт. В этом случае толщина кристалла должна составлять 50 ... 70 мкм, что затрудняет технологическое исполнение прибора.

Наиболее доступны для изготовления ЛФД на эпитаксиальных структур типа p-n + с хорошо контролируемым профилем p-области. В этомслучае излучения падает со стороны n ±слоя. На рис. 2.5 показан разрез эпитаксиального лавинного фотодиода для ВОЛС.

Рис. 2.5. Вскрытие епитаксального ЛФД с n ±p-x03C0-p ±структурой:

Страница: [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]

версия для печати