Главная  Оптические магистрали 

[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] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

тельно невысока, благодаря чему образуется ступенчатый я-л-переход, пробойное напряжение в котором значительно выше, чем в центральной части /г+-/7-перехода. Радиус кривизны я-л;-перехода возрастает и п+-слой проникает непосредственно в л-слой. Контактное кольцо выступает над пассивированным слоем, таким образом, перекрывается л-л-переход. Благодаря этому у поверхности расширяется обедненная область и снижается поверхностное поле. Этот эффект аналогичгн обеднению типа МОП. Кремниевые лавинные фотодиоды, показанные на рис. 13.3 и 13.4, могут иметь коэффициент умножения до нескольких сотен, прежде чем разовьется микроплазма и, как следствие, резко возрастет избыточный шум. Квантовый выход на длине волны С,85 мкм может превышать 0,9, а неумноженный темновой ток при комнатной температуре может быть снижен до уровня пикоампер.

В германиевых лавинных фотодиодах имеется ряд специфических проблем, из-за которых усиление не превышает 10-20 раз. Темновой ток значителен (микроамперы), поскольку высока скорость тепловой генерации носителей и велика поверхностная утечка. Кроме того, затруднено получение бездефектного материала для подложки и серьезную проблему представляет пассивирование. Большинство германиевых фотодиодов содержат ступенчатый л+-/7-переход, изготовленный диффузией доноров в подложку р-типа. Пример показан на рис. 13.6. Использование именно такого устройства обусловлено трудностями при диффузии примеси р-типа в германий. Для германия fe> 1, поэтому приходится жертвовать полосой и шумом. Более современные р-+л-германиевые лавинные фотодиоды изготавливаются методом ионной имплантации. При снижении диаметра активной области до 30 мкм темновой ток составляет около 0,1 мкА , емкость около 0,5 пФ, квантовый выход 0,9 и коэффициент шума F < М.

Падающее излучение

Металличесний нольцеВой нонтант(*а)

Лавина

Лавина

Металличесний нонтант и теплоотВаВ (~о)

Рис. 13.5. Простой вариант диффузионной структуры сквозного воздействия.

Здесь показано, как возрастание поля на периферии диффузионного л+-слоя может привести к преждсвремеииому лавинному пробою в неактивной части прибора



Рис. 13.6. Пример мезатрав-ленного п+р-германиевого лавинного диода, имеющего пробивное напряжение 16 В н темновон ток менее 0,1 мкА [Н. Melchoir and W. Т. Lynch. Signal and noise response of high speed yerma-nium avalanche photodio-des.- IEEE Trans, on Electron Devices, ED-13, 823-38 (1966).)

Падающее излучение

Wmhm


Пвдлон<на р-типа (0,20м-см;пл,2-Ю "м)


Ведутся интенсивные разработки гетероструктурных 1авинных фотодиодов на основе А" В полупроводниковых соединений для излучения с длиной волны более 1 мкм. Здесь также имеются серьезные трудности с пассивированием и качеством исходного материала. В результате этого удалось получить только невысокие значения коэффициента умножения. Кроме того, в этих материалах ионные и электронные коэффициенты ионизации имеют близкие значения, что, как было показано в§ 13.3 и 13.4, затрудняет получение широкой полосы и низкого уровня шума. На рис. 13.7 показан конкретный пример 1По,5з Gao,47 As гетероструктуриого лавинного фотодиода, изготовлеино-

Аи/Аи- нонтант(*о)

/п-InGaAs

\ ,3мнм

л„4х/0"м-

N-InP

\29тм

Буферный слой Р*-1пР Подложно Р*-1пР

130МПМ

-ШШ!1ШЗя-А11/ли -2п -Н нонтант(-о)

Падающее излучение

Рис. 13.7. Гетероструктурный лавинный фотодиод.

В этом конкретном примере р-л-персход формируется в ШР, а Ы-п гетероструктура -между эпитаксиальными слоями 1пР и согласованной решеткой 1пОаА.ч. Излучение поглощается в узкозоином тройном материале. Толщина и степень легирования N-lnP слоя регу лируются для обеспечения поля на гетероструктуре не выше I.SIO В/м при электрическом поле на /-JV-nepexofle около 4,5-lff В,/м. Такого поля достаточно, чтобы установилось насыщение дрейфовых скоростей носителей, но недостаточно для возиикиовепия чрезмерной утечки через гетероструктуру



го методом жидкофазной эпитаксии на 1пР-подложке. Обратим внимание на его характерные особенности. Буферный слой Р+ - InP используется для изоляции активной области от дефектов и дислокаций подложки. За Р+-Л-переходом, сформированным в эпитаксиальном InP, расположена N-n гетероструктура между InP и тройным соединением с согласованной решеткой. Б этом диоде применено мезатравле-ние для уменьшения собственной емкости и устранения Трудностей, связанных с пассивированием. Падающее излучение проходит через InP подложку, которая прозрачна при длине волны более 0,92 мкм. Поглощение происходит в тройном материале, при этом происходит фоторождение дырок, которые вызывают лавину. Толщина и концентрация примесей - InP слоя тщательно подбирается, чтобы обеспечить проникновение обедненного слоя через тройной материал и в то же время гарантировать, что при начале лавинного процесса поле на гетероструктуре не превысит 1,5 X 10 В/м. В этой конкретной конструкции более высокие поля вызывают туннельный ток в гетероструктуре н приводят к чрезмерному темповому току.

13.3. ШИРИНА ПРОПУСКАНИЯ ЛАВИННЫХ ФОТОДИОДОВ

в этом параграфе не будем заниматься подробным анализом воздействия на лавинный фотодиод синусоидального модулированного излучения, а рассмотрим импульсную переходную характеристику, как уже делалось в § 2.5. Строгая теория сложна и трудна, поэтому ограничимся обсуждением общих физических принципов и оценками предельной ширины полосы. В /г+-р-л;-р+-лавинном фотодиоде, показан-пом на рис. 13.3 и 13.4, полное время переходного процесса складывается из трех частей:

а) времени перехода электронов через область дрейфа (/др)е

б) времени, необходимого для развития лавины t„;

в) переходного времени, необходимого рожденным в лавине дыркам для встречного пересечения дрейфового пространства {tpih = tlh-

Части б) и в) соответствуют дополнительной задержке, обусловленной спецификой лавинного режима.

Лавинное время задержки зависит от отношения коэффициентов ионизации к. Графическая иллюстрация такой зависимости представлена на пространственно-временной диаграмме (рис. 13.8). При к -= О время развития лавины не превышает времени пересечения электроном лавинной области {wjxe)- Предполагаем, что ш,, С ха.

При /г > О в процессе развития лавины происходят многократные переходы через лавинную область, и коэффициент умножения высок. При 0< й< 1

tMkwJv. (13.3.1)



[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] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

0.0024