Физика полупроводниковых приборов - Зи С.М.
Скачать (прямая ссылка):
Коэффициент умножения фо-готока MVh, который определяется как отношение
фототока при умножении 1рн к фототоку IPho, соответствующему низкому
напряжению обратного смещения, когда умножение отсутствует, равен:
1 ph
* pho
1
U \п'
К;
(60)
Охранное Область кольцо
пробоя
р-тип, 4 ом-ем а)
уОхранное кольцо
Область
пробоя
убОмкль
Золотой кольцевой Вывод
n<Sbl/7 г>(5Ы\~^бмкм
Г/' ('/¦ Л 0,3мкм \ t р-тип, 0.3ом см -------
б)
Рис. 35. Поперечное сечение планарного фотодиода с охранным кольцом (а)
[Л 54, 56], поперечное сечение фотодиода меза- конструкции с диффу-
зионным охранным кольцом (б) [Л. 39].
где Uв - напряжение пробоя; V - приложенное напряжение и я - постоянная,
зависящая от полупроводникового материала, профиля распределения примеси
и длины волны падающего излучения 1[Л. 39].
Типичное семейство вольт-амперных характеристик таких диодов представлено
на рис. 36 для различных значений начального тока 1Р, который
представляет собой сумму фототока /Рьо и темнового тока Jio. Коэффициент
умножения, который определяется как отношение полного тока на выходе / к
начальному току, равен:
М
fyh Ч~ 1
hbo + ri0 j jU-IR у' <61)
где Id - умноженный темновой ток; R - сумма последовательного
сопротивления и сопротивления области пространственного заряда.
При условии, что IphoXdo и IR<.Uв, максимальное умножение фототока для
модулированного излучения равно l[JI. 39]:
(Mph)
I-U
opt "
Jp-la
opt 1
' {U - IR\*
Ub J
1
¦nIR
и м.
U
в
или
'** \ nlpR '
(62a)
(626)
Приведенное выше выражение ння показывает, что максимальное
для максимального фотоумноже-фотоумножение обратно пропорционально корню
квадратному из 1р. Поэтому понятно, что для получения больших
коэффициентов умножения и высокой чувствительности крайне важно, чтобы
темновой ток Id о был мал.
Эквивалентная схема
[Л. 39] лавинного диода представлена на рис. 37, где /?(со)
и (ю) - ток генератора
сигнала и генератора шума соответственно; М - коэффициент умножения; С -
емкость перехода; Re и Rr.-последовательное сопротивление н сопротивление
нагрузки. В условиях нормальной работы отдаваемая мощность равна:
/2 (со) МЧ1
Рис. 36. Статические вольт-амперные характеристики германиевого фотодиода
при различных начальных токах [Л. 39].
1 +co2C2(/?s + tf?)2 •
(63)
Белый шум, генерированный в процессе умножения [Л. 57], равен:
i2n = 2 qlpBMl
(64)
Шр<И On -Op,
где ап и Up - коэффициенты ударной ионизации электронов и дырок
соответственно.
Если апфаР, шум может быть приближенно выражен соотношением
i2n - 2qlpBMv, где 2 < р < 4.
(65)
Теоретическая зависимость спектральной плотности шума от коэффициента
умножения представлена на рис. 38,а, где k
На рис. 38 представлены также некоторые экспериментальные результаты,
полученные на кремниевых -лавинных диодах. Верхние Is(w)t значения О
соответствуют шуму, обусловленному пер-
вичным_ дырочшлм током, рис. 37. -Эквивалентная схема лавинно-которыи
создается коротко- фотодиода [л. 39]. волновым излучением (рис. v м *
1 J
38,6). Нижние значения Д
соответствуют шуму первичного электронного тока. Согласие
между теорией и экспериментом оказывается очень хорошим,
так как отношение иР1ап в Si равно 0,1-0,2. Из уравнения (65) и рис. 37
можно получить выражение для мощности шума [Л. 39]
PN =
2qIvBMvRL
1 + со2Сг (Rs + RlY ¦
(66)
На рис. 39 показана мощность выходного сигнала и шума Ge лавинного
фотодиода при частоте модуляции 1,5 Ггц и начальном
10
5 if 10е
Э; с 4 ш
W*
1 I03
а
%?10г
10
Si . - теория од Эксперт -ДпргерОич ного тока дырок5 wjy п //
циеит // / ///г/.
Y / /у $ Для nepBwF /,/у кого тот электронов
)>•*
Z_ 1 1-|_J а) 1-i-1-i 1
умножение
3 5/0 3D 100 Рис. 38. Шумовые и лавинные диоды.
а - эквивалентный ток насыщения шумового диода на частоте 600 кгц для
кремниевого фотодиода с начальным током 0,1 мка. Сплошные кривые
соответствуют теоретическому расчету [Л, 57]. Точки соответствуют
экспериментальным результатам [Л. 56]; б - диаграмма энергетических зон
лавинного фотодиода с начальным током электронов и дырок, зависящим от
длины волны падающего излучения.
токе 40 мка. Отметим, что -между значениями М, равными 1 и 30, мощность
сигнала растет как М2, а мощность шума как ЛР. Это хорошо согласуется с
теоретическими предположениями, так как в германии коэффициенты ионизации
примерно равны и р=3 [уравнение (65)]. Отметим также, что наибольшее
значение отношения
сигнал/шум (приблизительно 20 дб) получено при М=4, когда шумы диода
примерно равны шумам приемника. При более высоких значениях М отношение
S/N уменьшается, так как шум лавины растет" быстрее, чем сигнал.
Характеристики лавинного фотодиода с барьером Шоттки подобны
характеристикам диффузионных фотодиодов ЦЛ. 50]. Фотодиод с барьером
Шоттки был изготовлен из кремния n-типа с удельным сопротивлением 0,5 ом
• см, с тонкой пленкой PtSi на поверхно-
О
сти (около 100 А) и. охранным кольцом [Л. 58], как показано на
Умножение, М
