Фотоприймачi з внутрiшнiм пiдсиленням
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
В¶нiсть коефiцiСФнта лавинного пiдсилення вiд напруги на фотодiодi виражаСФться наближеним спiввiдношенням Мiллера
M = [1 - (U / Uл.п)n]-1, (2.3)
де n коефiцiСФнт, що залежить вiд iонiзацiйних можливостей електронiв i дiрок, вiд довжини хвилi прийнятого випромiнювання, а також вiд матерiалу i конструкцii ЛФД. Для кремнiСФвих фотодiодiв n = 3,4 тАж 4,0, якщо генерацiя носiiв вiдбуваСФться в p-областi i лавина утвориться в результатi ударноi iонiзацii, виробленоi електронами; n = l,2 тАж 2,0, якщо ударна iонiзацiя провадиться дiрками, що генеруються в n-областi.
Дуже рiзка залежнiсть коефiцiСФнта лавинного множення (мал. 2.3) вiд прикладеноi напруги iстотно ускладнюСФ можливiсть практичного використання ЛФД iз високими коефiцiСФнтами пiдсилення через дуже жорстку вимогу до точностi пiдтримки на дiодi робочоi напруги. Сильна залежнiсть напруги лавинного пробою вiд температури призводить до проблеми термостабiлiзацii. Всi цi чинники обмежують застосування лавинних дiодiв в апаратурi.
Мал. 2.4. Залежнiсть коефiцiСФнтiв iонiзацii
електронiв i дiрок вiд напруженостi поля в
кремнii при кiмнатнiй температурi.
Сильна залежнiсть коефiцiСФнта вiд напруженостi поля в областi множення виникаСФ через двi основних причини: iснуСФ позитивний зворотний звязок мiж коефiцiСФнтом множення i напруженiстю поля через наявнiсть двох типiв носiiв, що можуть iонiзувати; швидкiсть iонiзацii експоненцiально зростаСФ iз ростом напруженостi поля.
Розглянемо вплив позитивного зворотного звязку. Якщо в область множення iнжектуСФться чисто електронний струм, то спочатку первиннi електрони генерують повторнi пари. Повторнi електрони стають невiдмiннi вiд первинних. Повторнi дiрки рухаються в протилежному напрямку i пiд час прямування генерують новi пари. КоефiцiСФнт множення Мn для iнжектованого електронного струму залежить вiд iонiзуючих можливостей носiiв обох типiв
Mn = , (2.4)
де n швидкiсть iонiзацii електронiв (середнСФ iонiзуючих спiвударiв електронiв на одиницю довжини шляху в напрямку поля); р швидкiсть iонiзацii дiрок; d ширина областi збiднiння.
Аналогiчний вираз маСФ коефiцiСФнт множення i для iнжектованого диркового струму. Зворотний звязок мiж коефiцiСФнтом множення i прикладеною напругою, зумовлена присутнiстю носiiв двох типiв, призводить до нелiнiйного зростання коефiцiСФнта множення при збiльшеннi напруги. Для зменшення зворотного звязку треба, щоб фотострум складався з носiiв iз великою швидкiстю iонiзацii. Отже, бажано мати матерiал, для якого вiдношення швидкостей iонiзацii електронiв i дiрок велике на всьому iнтервалi iонiзуючих полiв. У таких матерiалах буде меншим i час наростання лавини.
На даний час широке застосування в дiапазонi довжин хвиль 1,0тАж1,6 мкм одержали германiСФвi лавиннi фотодiоди, що мають високий квантовий вихiд, що слабко залежить вiд температури. РЗхнiм основним недолiком СФ великi темновi струми, що сильно зростають iз ростом температури. Це не дозволяСФ реалiзувати в схемах коефiцiСФнта пiдсилення бiльше 10. Крiм того, коефiцiСФнти iонiзацii електронiв i дирок близькi мiж собою: / = 2. Згаданi причини призводять у реальних схемах до нестабiльностi i великих додаткових шумiв.
Темновий струм, утворений обСФмною тепловою генерацiСФю носiiв, можна знижувати вибором матерiалу з великим обСФмним часом життя. Зниження струму поверхневих "вiдпливiв" досягаСФться пасивацiСФю поверхнi. РЖстотного зменшення темнових струмiв, можна домогтися зниженням робочих температур, наприклад за допомогою термоелектричних охолоджувачiв, але це ускладнюСФ конструкцiю виробу.
Кремнiй значно кращий напiвпровiдниковий матерiал для створення лавинних фотодiодiв.
Особливостi технологii виготовлення ЛФД.
В режимi лавинного пробою через пiдвищення щiльностi току в окремих дiлянках структури дiода можуть утворюватися невеличкi центри розряду, названi мiкроплазмами. Тому вирiшальним чинником для роботи ЛФД СФ однорiднiсть лавинного процесу, реалiзувати котру можливо тiльки в зроблених електронно-дiркових переходах. У дiодi iснуСФ три областi, де можуть утворюватися локальнi мiкроплазми:
краi p-n-переходiв у планарних структурах, де специфiчна форма дифузiйноi областi на периферii переходу (цилiндрична або сферична) призводить до пiдвищеноi напруженостi електричного поля в порiвняннi з центральною плоскою частиною;
поверхнi в мезаструктурах, де до локального пiдсилення напруженостi електричного поля призводять забруднення або якi-небудь дефекти в мiiях перетину p-n-переходу i поверхнi, що викликають рiзке викривлення зон поблизу межi p-n-переходу;
дiлянки з недосконалою кристалiчною структурою вихiдного матерiалу i з дефектами p-n-переходу, де локальний пробiй (внутрiшня мiкроплазма) обумовлений або локальною неоднорiднiстю у легуваннi вихiдного матерiалу, або металевими вмиканнями, або iншими структурними дефектами в областi обСФмного заряду p-n-переходу.
Мiкроплазми генерують нерегулярнi "кидки токiв", що призводять до раннього пробою або до пiдвищення рiвня шуму приладу. Для запобiгання шумiв, повязаних iз флуктуацiСФю щiльностi легування p-областi, необхiдна однорiднiсть легування точнiше 0,1%. Для зниження надлишкового шуму лавина повинна бути викликана чисто електронною iнжекцiСФ