где L -- длина обрасти пространственного заряда, а ? -- коэффициент умножения для электронов (и дырок). Этот коэффициент сильно зависит от приложенного напряжения, температуры и профиля легирования. Отсюда возникает требование хорошей стабилизации питающего напряжения и температуры, либо учёт температуры задающей напряжение схемой.

Ещё одна эмпирическая формула показывает сильную зависимость коэффициента лавинного умножения (M) от приложенного обратного напряжения :

где U_b -- напряжение пробоя. Показатель степени n принимает значения от 2 до 6, в зависимости от характеристик материала и структуры p -- n-перехода.

Исходя из того, что в общем случае с возрастанием обратного напряжения растёт и коэффициент усиления, существует ряд технологий, позволяющих повысить напряжение пробоя до более чем 1500 вольт, и получить таким образом усиление более чем в 1000 раз. Следует иметь в виду, что простое повышение напряженности поля без предприятия дополнительных мер может привести к увеличению шумов.

Если требуются очень высокие коэффициенты усиления (10⁵ -- 10⁶), возможна эксплуатация некоторых типов ЛФД при напряжениях выше пробойных. В этом случае требуется подавать на фотодиод ограниченные по току быстро спадающие импульсы. Для этого могут использоваться активные и пассивные стабилизаторы тока. Приборы, действующие таким образом работают в режима Гейгера (Geigermode). Этот режим применяется для создания однофотонных детекторов (при условии, что шумы достаточно малы)

Применение. Типичное применение ЛФД -- лазерные дальномеры и волоконные линии связи. Среди новых применений можно назвать позитронно-эмиссионную томографию и физику элементарных частиц. В настоящее время уже появляются коммерческие образцы массивов лавинных светодиодов. Сфера применения и эффективность ЛФД зависят от многих факторов. Наиболее важными являются:

· квантовая эффективность, которая показывает, какая доля падающих фотонов приводит к образованию носителей заряда и возникновению тока

· суммарный ток утечек, который складывается из темнового тока и шумов.

Шумы. Электронные шумы могут быть двух типов: последовательные и параллельные. Первые являются следствием дробовых флуктуаций и в основном пропорциональны ёмкости ЛФД, тогда как параллельные связаны с механическими колебаниями прибора и поверхностными токами утечки. Другим источником шума является фактор избыточного шума (excessnoisefactor),F. В нем описываются статистические шумы, которые присущи стохастическому процессу лавинного умножения M в ЛФД. Обычно он выражается следующим образом:

где к -- соотношение коэффициентов ударной ионизации для дырок и электронов. Таким образом, увеличение асимметрии коэффициентов ионизации приводит к уменьшению этих помех. К этому стремятся на практике, так как F(M) вносит основной вклад в ограничение разрешающей способности приборов по энергии.

Ограничения по быстродействию

Ограничения на скорость работы накладывают ёмкости, времена транзита электронов и дырок и время лавинного умножения. Ёмкость увеличивается с ростом площади переходов и уменьшением толщины. Время транзита электронов и дырок возрастает с увеличением толщины, что заставляет идти на компромисс между емкостью и временем. Задержки, связанные с лавинным умножением определяются структурой диодов применяемыми материалам, существует зависимость от к.

Технологии изготовления

Зонная диаграмма лавинного фотодиода на гетероструктуреInP-InGaAs. Фототок образован дырками.

Для создания данного класса приборов может быть использован широкий круг полупроводников:

· Кремний используется для работы в ближнем ИК-диапазоне, при этом имеет малые шумы, связанные с умножением носителей.

· Германий принимает инфракрасные волны длиной до 1.7 мкм, но приборы на его основе имееют заметные шумы.

· InGaAs обеспечивает приём волн длиной от 1.6 мкм, при этом имея меньшие нежели у германия шумы. Обычно этот материал используется для изготовления лавинных фотодиодов на гетероструктурах, также включающих InP в качестве подложки и второго компонента для создания гетероструктуры. Эта система имеет рабочий диапазон в пределах 0,9 -- 0,7 мкм. У InGaAs высокий коэффициент поглощения на длинах волн, используемых в телекоммуникации через волоконно-оптические линии связи, таким образом достаточно даже микронных слоёв InGaAs для полного поглощения излучения. Эти материалы обеспечивают небольшие задержки и малые шумы, что позволяет получить устройства с полосой частот более 100 ГГц для простой InP / InGaAs системы и до 400 ГГц для InGaAs на кремнии . Это делает возможным передачу данных на скоростях, превышающих 10 Гбит/с

· Диоды на основе Нитрида галлия используются для работы в ультрафиолетовом диапазоне волн.

· HgCdTe применяется для изготовления диодов, работающих в инфракрасной части спектра, обычно максимальная длина волны составляет около 14 µm. При этом они требуют охлаждения для сокращения темновых токов. Такая система способна обеспечить очень низкий уровень помех.

заключение

Таким образом, в ходе проведения курсового исследования было установлено, что наиболее широко распространены следующие типы p-n-переходов: точечные, сплавные, диффузионные и эпитаксиальные, рассмотрены особенности технологических процессов изготовления этих переходов. Опираясь на исходные данные, была рассчитана контактная разница потенциалов, которая составила 0,417 (В). В третьей главе курсового проекта был рассмотрен внешний фотоэффект и его использование в фотодиодах, а также лавинный фотодиод и его свойства

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Анималу А. Квантовая теория кристаллических твердых тел. -М.: Мир, 1981;

Блейкмор Дж. Физика твердого тела. -М.: Мир, 1988;

Гранитов Г.И. Физика полупроводников и полупроводниковые приборы. -М.: Сов. радио, 1977;

Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учебное издание. -М.: Высшая школа, 1991;

Давыдов А.С. Квантовая механика. -М.: Физматгиз, 1963;

Савельев И.В. Курс общей физики. В 3 т. -М.: Наука, 1979. Т.3;

Фистуль В.И, Введение в физику полупроводников. -М.: Высшая школа, 1984;

Электроника. Энциклопедический словарь. -М.: Советская энциклопедия, 1991.

Приложение

Обозначения основных величин, принятые в работе

E_c- энергия соответствующая дну запрещённой зоны

E_F- фермиевская энергия

E_k- энергетическая ступень, образующаяся в p-n-переходе

E_max- максимальная напряжённость электрического поля

E_v- энергия соответствующая потолку валентной зоны

F_i- электрическая энергия

F_ip (F_in)- электростатическая энергия в p (n)-области

j- плотность тока

j_g0- плотность тока термогенерации носителей заряда

j_ngp0 (j_pgp0)- плотность дрейфового тока, текущего через p-n-переход из n-области (p-области) в p-область (n-область)

j_ngup0 (j_pgup0)- плотность диффузионного тока, текущего через p-n-переход из n-области (p-области) в p-область (n-область)

j_z0- плотность тока рекомбинации носителей заряда

l₀- ширина р-n перехода.

l_n0 (l_p0) - ширина n (p) -области p-n-перехода

L_s- дебаевская длина

N- результирующая концентрация примеси

n (p)- концентрация электронов (дырок) в полупроводнике

n₀ (p₀)- равновесная концентрация электронов (дырок) в полупроводнике

N_a (N_d)- концентрация акцепторной (донорной) примеси.

n_i- собственная концентрация носителей заряда

n_n (n_p) - концентрация электронов в n (р) области

n_no (n_po)- равновесная концентрация электронов в n (р) области

N_Э (N_Б) - абсолютная величина результирующей примеси в эмиттере (базе)

P(x)- распределение плотности объёмного заряда

p_p (p_n)- концентрация дырок в р (n) области

p_po (p_no)- равновесная концентрация дырок в р (n) области

p_Э (p_Б)- плотность объёмного заряда

q, e- заряд электрона

T- температура окружающей среды

V_k- энергия контактного поля

?- напряженность электрического поля

?- относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника

?₀- диэлектрическая постоянная воздуха

?_n (?_p)- подвижность электронов (дырок)

?_?- время диэлектрической релаксации

?- электрический потенциал

?_k- контактная разность потенциалов

?_T- температурный потенциал

Размещено на Allbest.ru