|
| |
|
Слаботочка Книги тепловой шум (шум Джонсона или Найквиста), обусловленный тепловым движением носителей заряда и описьшающий электрические флуктуации в диссипативных элементах структуры: h..... = kT,MR; (6.21) дробовой шум, обусловленный статистическим характером прохождения носителей через р+-1-переход и флуктуациями генераци-онно-рекомбинационных процессов: 4др29аФ+т)а/; (6-22) шум /ш.техн СО спсктром вида 1/f, обусловленный отклонениями структуры от физически идеальной вследствие несовершенства технологии (поверхностные рекомбинация и утечки, неидеальности контактных электродов, проколы в защитных пленках и т. п.); фоновый шум /ш.фон, обусловленный флуктуациями излучательной способности тел, окружающих фотоприемник, при температуре Гфон-, фотонный шум /ш.фот, обусловленный статистическими флуктуациями числа фотонов в потоке воздействующего излучения Л/ф, т. е. квантовой дискретной природой излучения. Компонент Гш.техн снижастся путем совершенствования технологии; кроме того, благодаря частотной зависимости он становится несущественным уже при />1... 10 кГц. Все остальные компоненты имеют равномерный спектр «белого шума» по крайней мере до /=10"... 10 Гц. Поскольку сопротивление диода вблизи нулевого напряжения пропорционально 1 т, то первые два компонента шума /ш.тепл. /ш.др/Ка7=Ь)/7;, (6-23) где при Д/=1 Гц (Гш, фА; /х, нА) значения константы b составляют 18 и 25 для теплового и дробового шумов соответственно. Из (6.23) следует, что для снижения шумов надо уменьшать темно-вой ток, а при достижении /т.мин - рабочую температуру, фоновый шум равен шуму абсолютно черного тела, воспринимаемому фотоприемником в телесном угле 2я стерадиан: /ш.фон определяет предельно достижимое при данной температуре значение D* (ординаты фоновой кривой на рис. 6.17 пропорциональны Х а.ч.т, где /а.ч.т соответствует 7 = 300 К на рис. 2.15). Конечно, можно превысить пределы по D*, если уменьшить угол обзора или температуру фона. Фундаментальный, принципиально неустранимый ни при какой рабочей температуре, квантовый предел задается фотонным шумом. Статистика фотонов в потоке подчиняется распределению Пуассона, для которого среднеквадратическое отклонение от Ыф равно У Ыф. Минимальное значение эквивалентной шумовой мощности определяется потоком в 1 фотон/с: P.„niyTt = E = hv. (6.24)  при Х=0,5 мкм и Д/= 1 Гц Рэкв.мин ~4-10~Вт. Именно такую мощность излучения может «почувствоБать» идеальный фотодиод при гетеродинном приеме. Методы изготовления. Процесс изготовления типичного кремниевого p-i-n-фотодиода (рис. 6.4) базируется на стандартных приемах планарно-эпитаксиальной технологии интегральных микросхем. Этим в значительной степени и объясняется преимущественное использование кремния для изготовления фотоприемников. Специфические требования к параметрам фотодиода проявляются и в некоторых технологических особенностях. В качестве исходной берут пластину высокоомного кремния р (я)-типа проводимости толщиной около 200 мкм. На нее осаждают эпитаксиальный слой п-типа высокой проводимости (р<:0,01 Ом-см) и значительной толщины (30...70 мкм). Затем осуществляется подшлифовка исходной пластины и толщина высокоомной области снижается до 30... 70 мкм. В результате такой обратной эпитаксии в качестве заготовки для дальнейшего пла-нарного .процесса получается высокоом-ная пленка (нередко рг>10* Ом-см) на низкоомной подложке. Заметим, что в процессе прямого эпитаксиального выращивания удельное электрическое сопротивление пленки обычно не превышает нескольких сот ом-сантиметр, кроме того, 1при значительной толщине пленки процесс идет очень долго и образуется повышенная плотность дефектов роста. На полученной заготовке изготавливается планарный p+-t-ne-реход: вначале пластина окисляется, затем методом фотолитографии в окисле образуются окна, в которые проводится ионное легирование и диффузия атомов бора. Затем создается тонкопленочный алюминиевый омический контакт по периферии окна, а до этого (или после) - на нижней стороне подложки. При изготовлении р+-области используется ряд технологических приемов, обеспечивающих получение малых темповых токов. Иногда вокруг Р+-/-перехода создается более глубокое, чем р+-область, «охранное» кольцо, ослабляющее краевые эффекты и приводящее в конечном счете к повышению пробивного напряжения и снижению поверхностных утечек. Уменьшению h способствуют и такие процессы, как пассивация защитной поверхности пленки диоксида Рис. 6.4. Укрупненная схема технологического процесса изготовления р-1-«-структуры кремниевого фотодиода: а - исходная пластина (р> >дО= Ом-см); б - эпитаксия П+-СЛОЯ (р<10-2 Ом-см) и подшлифовка; в - создание планарной р+ -области и охранного кольца; г - готовая структура кремния Si02, геттерирование (в процессе высокотемпературной диффузии) вредных примесей из объема i-кремния, таких как золото, медь, никель. Для того чтобы бесполезное поглощение излучения в р+-области было небольшим, толщину этой области стараются сделать по возможности минимальной; при работе с GaAlAs-Излучателями приемлемой является толщина 2...3 мкм. Чтобы минимизировать отражение света от поверхности кристалла, на его поверхность напыляют пленку просветляющего покрытия, как правило, моноокись кремния SiO или диоксид кремния Si02 толщиной около 0,15 мкм. Внутренний объем корпуса фотодиода заполняется вазелиноподобной иммерсионной средой. Физика p-t-n-фотодиодов настолько изучена, а технология их изготовления так тщательно отработана, что в лучших лабораторных образцах удается получать почти теоретически предельные значения определяющих параметров 5ф, /т, D*, /нр(сп). 6.3. КРЕМНИЕВЫЕ ЛАВИННЫЕ ФОТОДИОДЫ Принцип действия и назначение. Лавинный фотодиод (ЛФД) представляет собой фотодиод, предназначенный для использования в режиме лавинного умножения фототока. Практически на фотодиод подают обратное напряжение, близкое к напряжению лавинного пробоя (см. § 2.2): генерируемые в базе фотоносители, диффундируя или дрейфуя, достигают области сильного поля, в которой происходит их лавинное размножение. Иными словами, в ЛФД имеется «внутреннее» усиление, а поскольку лавина развивается очень быстро, это усиление не сопровождается снижением быстродействия (что, например, типично для фототранзистора - см. § 6.5). Возникает, однако, вопрос, для чего необходимо это внутреннее усиление, если ЛФД так же, как и p-i-n-фотодиод, подключается к электронной схеме, а ее усиление может быть сколько угодно большим. Почему недостаточно практически идеального p-i-n-фо-тодиода, квантовая эффективность которого близка к 100%, а шумы очень малы? Дело заключается в том, что шумы входных каскадов усилителей фотосигналов обычно на несколько порядков превосходят шумы качественного p-i-n-фотодиода. Поэтому даже при оптимальном сопряжении с электронной схемой реализовать все потенциальные возможности p-t-и-фотодиода не удается, его очень низкий порог чувствительности остается «вещью в себе». Введение внутреннего усиления (воздействующего и на полезный сигнал, и на шум) приводит к возрастанию отношения сигнал-шум при условии, что усиленный шум фотоприемника остается меньше шумов входного каскада усилителя. Иными словами, ЛФД имеют преимущество перед p-i-n-фотодиодами в условиях приема слабых, минимально различимых сигналов. Это обстоятельство и лежит в основе бурного развития ЛФД, которые начали создаваться с середины 1960-х гг. сначала на германии, затем почти повсеместно и до настоящего времени - на 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 [57] 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |