Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
умножения. Это выражение применимо и для случая инжек-ции дырок, если k
заменить на k' = ап/ар. Для двух специальных случаев, а именно ар = ап
(т. е.k - 1) и а" -vO (т. е. 6 = 0), из уравнения (50) получаем значения
F = М и F - 2 (при больших М) соответственно. Зависимость шум-фактора от
коэффициента умножения при различных отношениях коэффициентов ионизации
Фотодетекторы
369
приведена на рис. 21. Видно, что снижение уровня дополнительных шумов
достигается при малых значениях k и k'.
На рис. 22 представлены экспериментальные результаты [35], полученные для
лавинного Si-фотодиода на частоте 600 кГц и при токе первичной инжекции,
равном 0,1 мкА. Светлыми кружками обозначен шум первичного дырочного
фототока, возбуждаемого коротковолновым излучением (см. вставку). Темными
кружками представлен шум для случая, когда имеет место первичная инжекция
электронов. Электронная инжекция характеризуется существенно меньшим шум-
фактором, чем дырочная, поскольку в кремнии ап значительно больше ар.
Результаты, представленные на рис. 21, могут быть использованы
применительно к лавинным р-i-я-фотодиодам и фотодиодам с трехслойной
базой, которые имеют постоянное поле в области лавинного умножения. Для
обычных лавинных фотодиодов с изменяющимся электрическим полем в области
лавинного умножения коэффициенты ионизации в уравнении (50) должны
Коэффициент умножения М
Рие. 22. Результаты экспериментального исследования шум-фактора
кремниевого лавинного фотодиода е током первичной инжекции, равным 0,1
мкА, На вставке показана зонная диаграмма лавинного фотодиода в условиях
электронной и дырочной инжекции, зависящей от длины волны падающего
излучения [35].
¦- теоретические данные; 9 для инжекции электронов; О Для инжекции дырок.
370
Глава 13
быть усложнены [36]; k необходимо заменить на a k' keff> где
W JW
keif = j ар (*) (x)dx J ап (х) М2 (*) dx,
kill - Kli
W JW
| ap (x) M (x) dx / J an (x) M (x) dx
-2
- на
(51)
(52)
Избыточный шум возникает в том случае, когда излучение поглощается как в
я-, так и p-областях, прилегающих к переходам, вызывая инжекцию в область
лавинного умножения как электронов, так и дырок. Например, для keif =
0,005 и М = 10 значение шум-фактора возрастает примерно от 2 при чисто
электронной инжекции до 20 при электронной инжекции, составляющей 10 %
[37]. Таким образом, для достижения в лавинных фотодиодах низкого уровня
шума и широкой полосы частот необходимо, чтобы коэффициенты ионизации
различались как можно более сильно, а лавинный процесс стимулировался
носителями, обладающими более высоким коэффициентом ионизации.
13.4.4. Рабочие характеристики
В лавинных фотодиодах необходимо обеспечить пространственно однородное
умножение по всей фоточувствительной площади [38]. Должно быть исключено
образование микроплазм, представляющих собой локализованные участки, в
которых пробивное напряжение меньше, чем во всем переходе. Количество
микроплазм в активной области уменьшается при использовании материалов с
низкой плотностью дислокаций и конструкций приборов с активной областью,
не превышающей по своим размерам область, которая необходима для сбора
падающего светового пучка (обычно диаметром от нескольких микрометров до
100 мкм). Избыточные токи утечки по периферии перехода, обусловленные
краевым эффектом [39 ] или сгущением линий электрического поля,
устраняются за счет применения охранного кольца или поверхностно-
конических структур.
На рис. 23 показаны некоторые конструкции приборов [2]. Охранное кольцо в
структуре на рис. 23, а должно иметь низкий градиент примеси на границе
р-я-перехода и достаточно большой радиус кривизны, чтобы центральная
область резкого р-я4-перехода пробивалась раньше, чем область охранного
кольца. Охранное кольцо можно использовать и в более сложной я+-р-л-р+-
структуре (рис. 23, б). Оно может быть применено также для устранения
высокого поля на периферии контакта в лавинном фотодиоде Шоттки (рис. 23,
в). Мезаструктура (рис. 23, г) и коническая
Фотодетекторы
371
структура (рис. 23, д) характеризуются низким поверхностным полем по всей
площади перехода и однородным лавинным пробоем. Для детектирования
излучения с длинами волн вблизи края собственного поглощения может быть
использован лавинный фотодиод с боковым освещением, с помощью которого
можно улучшить квантовую эффективность и отношение сигнал/шум (рис. 23,
е).
Лавинные фотодиоды изготавливаются на основе различных полупроводников, в
том числе Ge, Si, соединений типа A111 Bv и других. Основными факторами
при выборе того или иного полупроводника являются квантовая эффективность
в заданном спектральном диапазоне, быстродействие и шумы. Мы рассмотрим
несколько типичных примеров, иллюстрирующих характеристики приборов.
Охранное i--t- кольцо
ht)
1
а
,п+
Р
Ж.
те)
Просветляющее
покрытие
\ ho
!П +
5
ht) / lL
Полупрозра чный слой металла
---------
Р п 77*'
Р
в
ht)
hO
п1
ht)
/71
Рис. 23. Структуры некоторых лавинных фотодиодов [2].
