Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
а - структура о охранным кольцом; б - лц - р - я - р^-структура с
охранным кольцом; в - диод со структурой металл - полупроводник; г -
мез^структура; е - Р+ -* ^ освещением.
п
п1 -структура с боковым
372
Глава 13
Рис. 24. Мощность сигнала и шума относительно уровня
1 мВт на выходе лавинного Ge-фотодиода при частоте 8 ГГц в полосе 1
МГц. На графике обозначена оптимальная рабочая точка Mcpt, в которой
достигается максимальное значение отношения сигнал/шум и чувствительности
[2].
Германиевые лавинные фотодиоды обеспечивают высокую квантовую
эффективность в спектральном диапазоне 1 -1,6 мкм. Поскольку коэффициенты
ионизации электронов и дырок в Ge сравнимы, то шум-фактор близок по
величине к F = М (уравнение (50)) и среднеквадратичный дробовой шумовой
ток изменяется по закону М3 (уравнение (37)). Структура, показанная на
рис. 23, а, была применена для изготовления высокочастотного Ge-фотодиода
[33, 40]. Удельное сопротивление р-слоя составляло 0,5 Ом*см, а его
толщина 150 мкм. После диффузии сурьмы для создания охранного кольца
глубиной 7,5 мкм проводилась диффузия мышьяка на глубину 0,4 мкм для
формирования я+-слоя. Прибор имел квантовую эффективность около 80 % во
всем спектральном диапазоне от 1 до 1,55 мкм (рис. 7). Плотность тока при
комнатной температуре и напряжении смещения, равном у2 VB (где VB -
пробивное напряжение), составила --'3* 10-4 А/см2 [33]. Время нарастания
импульса фотоотклика при воздействии АИГ-лазера (А, = 1,06 мкм) равнялось
100 пс.
На рис. 24 представлены результаты исследования 12 ] выходного сигнала и
шума Ge-лавинного фотодиода при частоте модуляции 3 гГц и первичном токе
5,3 мкА. Отметим, что при М < 30 мощность сигнала растет как М2, а
мощность шума - как М3. Это хорошо согласуется с теоретическими
предположениями. Отметим также, что наибольшее отношение сигнал/шум (~40
дВ) получено при М он 10, т. е. когда шумы диода примерно равны шумам
приемника. При более высоких значениях М отношение S/N уменьшается, так
как шум лавины растет быстрее, чем умноженный сигнал.
Кремниевые лавинные фотодиоды особенно эффективны в спектральном
диапазоне 0,6-1,0 мкм, в котором для приборов с про-
Фотодетекторы
373
светляющим покрытием достигнут квантовый выход, близкий к 100 %.
Отношение коэффициентов ионизации электронов и дырок (k = ар/ап) в
кремнии сильно зависит от электрического поля; оно изменяется примерно от
0,1 при поле 3• 105 В/см до 0,5 при поле 6X 105 В/см. Поэтому для
получения минимальных шумов необходимо, чтобы электрическое поле
лавинного пробоя было низким и чтобы лавинное умножение стимулировалось
электронами.
Идеализированный профиль легирования в р -я-р-я-п+-структуре показан на
рис. 25, а. Этот профиль аналогичен профилю трехслойной базы в структуре
лавинно-пролетного диода (гл. 10). Структура р -я-р-я-п+ называется
структурой со "сквозным проколом" [41 ], поскольку электрическое поле в
ней распространяется на все пространство от п+-я-области умножения до р+-
слоя (рис. 25, б). В области дрейфа с низким электрическим полем носители
могут переноситься со скоростью, достигающей их скорости насыщения (107
см/с при ?> Ю4 В/см2). Максимальное поле S'm в области умножения можно
регулировать за счет изменения толщины Ь. Условие пробоя можно записать в
виде [42]
апь = & ~ ат>!ап) > (53)
а пробивное напряжение определяется выражением
VBo*&J> + &D(W-b). (54)
С целью оптимизации характеристик прибора для заданной длины волны можно
выбрать сначала значение W (из условия W = 1/а), а затем независимо
подобрать величину b. Как видно из рис. 25, в, большая часть излучения
поглощается в я-области; при этом лавинный процесс стимулируется
электронами, поступающими в область умножения (рис. 25, г). В приборах с
р+-я-р-я-р+ -структурой можно получить высокие значения квантовой
эффективности, быстродействия и отношения сигнал/шум.
Формирование узкой р+-области с целью создания профиля, показанного на
рис. 25, а, может быть сопряжено с большими трудностями, поэтому на
практике используют приборы со структурой р+-я-р-п+, в которой p-область
занимает все пространство до п -подложки. Такой профиль аналогичен
профилю двухслойной базы в структуре лавинно-пролетного диода. В
кремниевом лавинном фотодиоде со "сквозным проколом" [37], в котором
полная ширина обедненного слоя составляла 200 мкм, а я-область имела
удельное сопротивление 5000 Ом*см, была получена квантовая эффективность
~90 % при X = 0,9 мкм. При М = 100 шум-фактор принимает значение, равное
всего лишь 4, а при М - 1000 он возрастает до 20, что находится в
соответствии с низкой величиной
^eff == 0,016.
374
Глава 13
Концентрация
Электрическое поле Область
S'
Поглощение
д
Рис. 25. Лавинный фотодиод со "сквозным проколом" на основе структуры с
профилем трехслойной базы.
а - профиль легирования; б - распределение поля*, е - поглощение
падающего излучения; г -t зонная диаграмма, которая иллюстрирует процесс
