|
| |
|
Слаботочка Книги собность в температурном диапазоне ДГ=50... 100°С [см. формулу (6.26)], необходимо добавить 30 ...250 В. Наконец, чтобы скомпенсировать возможный 2... 37о-ный недобор дозы, требуется увеличить рабочее напряжение еще на 20... 100 В. Таким образом, диапазон возможных рабочих напряжений типичных n-p-t-p-ЛФД [Ум~ 100... 400 В, что по крайней мере в 4 раза меньше, чем у известных p-t-n-ЛФД, а нижняя граница рабочих напряжений такая же, как у типичных р-п-ЛФД. Но, разумеется, все это совершенно .не сопоставимо с р--п-фотодиодом, способным работать без смещеиия. Температурный коэффициент изменения рабочего напряжения определяется соотношением л) р /макс / 1 d.Ef,iKc \ dT 2 \£макг, dT (6.26) Поскольку для высоковольтных р-п-переходов относительный температурный коэффициент напряженности поля, соответствующей пробою, мало зависит от напряжения и составляет (0,6... 1) 10~ град-, то с учетом приведенных выше значений 1р и макс получаем, что dUM/dT 0,6 ...2,5 В-град- (для кривых на рис. 6.6 dUMldt 1,4 В-град-). Шумы. Лавинный фотодиод имеет те же шумовые компоненты, что и p-t-n-фотодиод (см. § 6.2), при этом основным источником собственных шумов является дробовой шум, обусловленный тем-новым током и фототоком. Поскольку носителц заряда обоих токов генерируются в i-слое (посредством термо- или фотогенерации), для них правомерно одно и то же значение коэффициента умножения. При постоянном значении М мощность шума должна возрастать в раз, однако случайный, статистический характер лавинного умножения приводит к появлению еще одного дополнительного множителя F, который надо ввести в (6.22): ш.др.лФД29(/т+/ф)М£Д/, (6.27) где F - шум-фактор, /ф - фототок в структуре без умножения (М = 1). Расчет показывает, что F 2 + {а 1а)М, (6.28) где а+ и а- - коэффициенты ионизации для носителей, текущих из t-области в зону размножения и в противоположную сторону соответственно (а+ - для электронов и а- - для дырок на рис. 6.5). Из структуры формулы (6.28) видно, что F может быть малым лишь при условии малости а-/а+. Именно такая благоприятная ситуация и реализуется в кремнии (оп/ор 0,02... 0,04). Если же а-пйр, то при достаточно большом М будет выполняться FM и шумы окажутся значительными. Для удовлетворения данного условия и выбрана в качестве оптимальной и-р-1-р-структура; если бы соотношение между а-п. и ар было противоположным, оптимальной была бы p-n-i-n-струк-тура. Значительное различие значений an и ар обязательно при 180 выборе материала для создания качественных ЛФД, сочетающих: большое усиление и малые шумы. Для типичного 7И»100 получаем F4...6, что и наблюдается экспериментально. Достоинства и недостатки. Сопоставление ЛФД с p-t-n-фото-диодом показывает, что для ЛФД характерен ряд существенных недостатков: сложность, уникальность изготовления, высокая стоимость; высокие рабочие напряжения, значительная бесполезно расходуемая мощность, работа лишь в режиме усиления малых сигналов и, как следствие, непригодность для встраивания в микросхемы; необходимость жесткой стабилизации рабочего напряжения и температуры, затрудняющая широкое использование этих приборов; отсутствие конструкций матричного типа на основе ЛФД, отсутствие перспективы создания таких конструкций, что делаег ЛФД непригодными для использования в многоканальных устройствах обработки информации. Вместе с тем уникальное сочетание большого усиления и высокого быстродействия с приемлемым уровнем шумов обусловливает внеконкурентность лавинных фотодиодов, в особенности при их использовании в таком важнейшем направлении оптоэлектроники,, как волоконно-оптические линии связи. 6.4. ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ Принцип действия. Фоточувствительный прибор с зарядовой связью представляет собой специфическую фоточувствительнукх МДП-микросхему с регулярной системой электродов, расположенных на поверхности диэлектрика столь близко друг от друга, что. существенным становится их взаимовлияние, т. е. перекрытие электрических полей соседних электродов внутри кристалла полупроводника. Электроды располагаются в виде линейки (строки) или матрицы; типичные размеры электрода: длина L=6 мкм; ширина Z= = 40 мкм; зазоры между ними /з<1... 2 мкм; число электродов, обычно 5-10...2-10 в линейном и Ю"*... 10 в матричном ФПЗС. Электроды изготавливаются из алюминия или (для увеличения прозрачности) из поликремния. Строка от строки матричного ФПЗС отделяется узкими областями стоп-канальной диффузии. (рис. 6.7). Функционально ФПЗС - это прибор, воспринимающий изображение, осуществляющий его разложение на элементарные фрагменты, поэлементное электронное считывание (сканирование) и формирование на выходе видеосигнала, адекватного изображению. Принцип действия ФПЗС рассмотрим на примере классической трехтактной (трехфазной) схемы управления (рис. 6.8). В этом-случае элементарная ячейка ФПЗС включает три соседних электрода 1-3 одной строки. В течение первой фазы (рис. 6.8,а) к.  Рис. 6.7. Простейшие линейные (а) и матричные (б) структуры приборов с зарядовой связью: ./ - кристалл кремния; 2 - выходные контакты; S - э.чектроды; 4 - стоп-каналы; 5 - система разводок электроду 2 прикладывается положительное напряжение хранения (обычно f/xp=10...20 В). Благодаря возникающему электрическому полю дырки (основные носители) оттесняются в глубь полупроводника и у поверхности образуется обедненный слой (ОС) глубиной л:о.с = 0,5... 2 мкм, представляющий собой на энергетической диаграмме потенциальную яму для электронов. Освещение ФПЗС порождает в объеме полупроводника электронно-дырочные пары, при этом электроны втягиваются в потенциальную яму « локализуются в тонком (около 10 нм) приповерхностном слое. Перемещение электронов осуществляется путем дрейфа (внутри ОС) или диффузии (вне ОС). Накопление электронов ведет к образованию зарядового пакета, который определяется локальной интенсивностью и временем засветки (типичная объемная плотность электронов в пакете около 10 см"). Зарядовый пакет может относительно долго (1... 100 мс) сохраняться, однако постепенно термогенерация электронов объемными и поверхностными ловушками приводит к искажению хранимой информации. Во время второй фазы к электроду 5 прикладывается напряжение считывания Uc4>-Uxp, вследствие близости электродов 2 и 3 барьер между ними исчезает и зарядовый пакет перетекает в более глубокую потенциальную яму (рис. 6.8,6). Здесь также имеют место дрейф (между электродами и вблизи их краев) и диффузия электронов (под электродами). Понятно, что и на этой фазе происходит некоторая утеря информации: часть электронов заря-.дового пакета рекомбинирует при взаимодействии с поверхностными ловушками, а часть пропадает вследствие неполного перетекания зарядов. Во время третьей фазы напряжение на электроде 3 снижается ДО Uxp, а с электрода 2 потенциал снимается (рис. 6.8,в). Заметим, что на электродах, к которым не приложены напряжения Up или Uc4, все время поддерживается небольшое напряжение смещения UcM<.Uxp, обеспечивающее обеднение всей поверхности полег 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 |