|
| |
|
Слаботочка Книги кремнии) а с конца 1970-х гг. еще и на основе соединений АВ и их твердых растворов. Первоначально это были р-п-переходы, затем успешно опробывались и p-t-n-диоды в режиме лавинного умножения фототока, однако обе эти структуры имели заметные недостатки, в особенности при работе в ближнем ИК-Диапазоне. Оптимальная структура. Для кремниевого ЛФД оптимальной является n-p-t-p-структура (рис. 6.5) или ЛФД с проникновением, ЛФД с проколом. Эта структура, по сути, представляет гибрид перекрывающихся между собой p-t-n-фотодиода и лавинного п-р-диода. На рис. 6.5,а п-р-диод образован двумя верхними слоями, а /?-1-п-диод - верхним п+-слоем, р+-подложкой и заключенным между ними p-t(я)-«пирогом», который и трактуется в данном случае как i-слой. J При рабочих напряжениях область пространственного заряда (ОПЗ) распространяется на всю p-t-базу, при этом в широкой i-области напряженность электрического поля почти постоянна и не очень велика, а в узкой р-области резко изменяется и в максимуме достигает значений, достаточных для возникновения и поддержания лавинного размножения (рис. 6.5,е). При воздействии типичного для оптоэлектроники ближнего ИК-излучения основная доля квантов поглощается в t-области; образующиеся фотонооители быстро из нее вытягиваются (для этого поле Ei не является малым); вошедшие в р-область электроны при достижении зоны с £»£макс лавинообразно размножаются. Данная структура выгодно отличается от р-п-ЛФД повышенным   Рис. 6.5. Лавинный кремниевый n-p-i-p-фотодиод: а - устройство- б - простая геометрическая модель; е, г - распределение напряженности электрического поля и концентрации донорных и акцепторных примесей вдоль структуры квантовым выходом, а от «чистого» p-i-n-ЛФД - меньшим рабочим напряжением (выигрыш по обоим параметрам приблизительно в kjl-p раз). Дополнительное достоинство n-p-t-p-структуры состоит в меньшей чувствительности коэффициента умножения к нестабильности и пульсациям внешнего питаюшего напряжения па сравнению с р-п-ЛФД. Это обусловлено стабилизирующим действием широкого i-слоя, который в значительной степени сглаживает колебания напряжения. Стандартный способ изготовления n-p-i-p-ЛФД заключается в следующем. Сначала методом обратной эпитаксии создают i-p+-заготовку необходимых размеров, затем в i-область имплантируют акцепторные и донорные примеси и осуществляют их высокотемпературную диффузионную разгонку. Принимаются обычные для подобных приборов меры, исключающие возникновение микроплазм, нарушающих «нормальное» развитие лавины: создание охранного кольца для устранения поверхностных эффектов, использование кремния повышенной однородности и т. п. Прецизионность этого внешне обычного процесса связана с необходимостью очень точного задания вводимых доз акцепторной и донорной примесей. В первом приближении скачок напряженности поля iMaKc не зависит от диффузионного профиля Ла, а определяется лишь полным количеством акцепторов - дозой Da: EusKcE&ul{qDa). Доза донорных примесей D« выбирается из тех соображений, чтобы обеспечить малое поверхностное сопротивление п-области, а также (и это главное), чтобы образующаяся при рабочем смещении ОПЗ лишь частично заходила в и-слой, но захватывала бы целиком р- и i-слои. Небольшие отклонения величины Da от расчетной могут привести к резкому нарушению работы прибора: при недоборе Da нужный р-слой не формируется и структура приближается к p-t-п-ЛФД, в которой умножение если и возникает, то при очень высоких напряжениях; при переборе дозы Da, напротив, формируется слишком сильно легированный р-слой и структура по своим свойствам приближается к п-р-ЛФД: пробой наступает раньше, чем полное обеднение р- и тем более /-слоев, поэтому резко падает эффективность собирания носителей из t-слоя и возрастает инерционность. Типичные значения перечисленных и приведенных на рис. 6.5 параметров конструкции следующие: Ф = 50... 300 мкм £г=103... 10* В-см- /г = 20... 70 мкм £"«8140= (3...5) • 105 В-см" /р = 2... 5мкм Da= (2... 10)-1012 см-2 u/> = 0,1...0,3 Бд/О>102...10 bDjD+3% Система параметров. Лавинные фотодиоды характеризуются в основном системой параметров, описанной в § 6.2; однако имеются довольно существенные отличия, связанные со спецификой использования ЛФД. К числу определяющих параметров относятся коэффициент усиления (умножения) М\ квантовая эффектив-178 ность т] (фактически приводится t]=t]Q); рабочее напряжение Им, при котором достигается требуемое значение М; произведение коэффициента усиления на полосу частот ТИ/гр - комбинированный параметр качества, позволяющий сопоставлять приборы с разными значениями М и /гр. Кроме того, как и у p-t-п-фотодиода, используются параметры •5лФД . т, нр(сп), Слфд , Л = яф2/4, а также шумовые характеристики. При этом, как следует из (6.4) и определения, 5лфд=0,8ХМ. (6.25) Для лавинных фотодиодов вентильный режим не может быть реализован, поэтому параметры f/xx и /кз не имеют смысла. Коэффициент умножения М сложны.м образом зависит от приложенного напряжения (рис. 6.6). На участке I область пространственного заряда локализуется только в р-слое, поэтому прибор ведет себя аналогично п-р-ЛФД; граница этого участка определяется напряжением прокола р-слоя и обычно составляет 50... 100 В. При увеличении напряжения можно выделить некоторую переходную область П (от начала прокола до полного истощения t-слоя) протяженностью 10... 50 В. На этом участке (рабочий участок ЛФД) зависимость M{U) слабая, начинает сказываться буферная роль протяженной t-области. В этом режиме обеспечивается и полное собирание носителей, генерируемых в t-области, т. е. максимальный квантовый выход. На участке П1 начинается лавинное размножение носителей и в t-области (режим p-t-n-ЛФД), зависимость М([У) вновь становится резко выраженной, стабильность его параметров ухудшается. Обычно значение М неодинаково по всей фоточувствительной площадке: оно максимально в центре и спадает к краям. Выправление этого дефекта, проявля- и ющегося При восприятии узких лазерных лучей, представляет собой очень сложную технологическую проблему. Для типичных промышленных образцов кремниевых n-p-t-p-ЛФД в рабочем режиме ТИ - Ю. Рабочее напряжение Vm выбирается с учетом ряда факторов. Прежде всего надо перекрыть напряжение прокола р-области (реально не менее 60... 100 В), а также напряжение обеднения t-области (10... ...50 В). Для получения предельного быстродействия ЛФД требуется увеличить .напряжение обеднения на 30... 60 В. Чтобы обеспечить работоспо- Т=0С23567  т и, В Рис. 6.6. Зависимости коэффициента умножения ЛФД от напряжения при различных температурах 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 |