Статистическая теория нестационарных лавинно-пробойных процессов в кремниевых планарных фотодиодных структурах

• Автор: Верховцева, Алевтина Викторовна
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 98 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ УДАРНОЙ ИОНИЗАЦИИ И ЛАВИННОГО УМНОЖЕНИЯ.

1.1 Квантовомеханические аспекты ударной ионизации зоназона

1.2 Механизмы электроразогрева носителей в сильных электрических

Биполярность ударной ионизации зоназона и внутренняя ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ ДРЕЙФОВОГО ПРОЦЕССА В СИЛЬНЫХ ПОЛЯХ
ГЛАВА 2 ОСНОВЫ ФИЗИКИ РАЗВИТИЯ И РЕЛАКСАЦИИ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛИВНЕЙ В ЛАВИННЫХ ФОТОДИОДАХ

2.1 Базовая структура планарного кремниевого лавинного фотодиода и

ОСНОВНЫЕ УПРОЩАЮЩИЕ ПРЕДПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ

2.2 Статистика формирования электронных сгустков

Коэффициент усиления пет ли обратной связи лавинного процесса 2.4 Алгоритм расчетной процедуры определения формы токовых
ИМПУЛЬСОВ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.
ГЛАВА 3 ПРОДВИНУТАЯ МОДЕЛЬ ДИНАМИКИ ТОКОВЫХ ИМПУЛЬСОВ С УЧЕТОМ ЛАТЕРАЛЬНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛИВНЕЙ.
3.1 Дискретизация задачи с учетом двумерного диффузионного
РАСТЕКАНИЯ ЗАРЯДОВ, ИНЖЕКТИРОВАННЫХ В СЛУЧАЙНУЮ ТОЧКУ КАТОДНОГО
3.2 Модификация итерационной схемы моделирования с учетом
динамики растекания в катодном слое.
Результаты моделирования импульсного пробоя и обсуждение РЕЗУЛЬТАТОВ.
СТАТИСТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ЗАРОЖДЕНИЯ ПРОЦЕССА ЛАВИННОГО УМНОЖЕНИЯ И САМОПРОИЗВОЛЬНОГО ВЫКЛЮЧЕНИЯ ЛАВИННОГО ТОКА В КРЕМНИЕВЫХ ЛАВИННЫХ ФОТОДИОДАХ
4.1 Оценка эффективности одноэлектронного зажигания лавинного
ПРОЦЕССА.
4.2 Спектральная зависимость квантовой эффективности
преобразования фотоэлектрон сигнальный импульс.
Статистическое МонтеКарло моделирование развития лавинного
процесса. Методика и результаты
4.4 МонтеКарло моделирование ударноиопизационого процесса с высокой степенью дискретизации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Для адекватного ответа на эти актуальные вопросы потребовалось довольно глубокое исследование физики нестационарных лавинно-пробойных процессов в кремниевых планарных фотодиодных структурах, что и определило цель настоящей диссертационной работы, включая: изучение динамики импульсного лавинного пробоя; построение и реализация статистической модели зарождения, развития и автовыключения лавинного процесса; выявление конструктивных особенностей лавинных фотодиодных структур, важных в плане стабилизации гейгеровского режима работы ЛФД. Развита новая динамическая модель импульсного пробоя лавинного фотодиода, дающая качественное понимание условий, определяющих режимы работы прибора. Разработаны эффективные алгоритмы вычислительного процесса расчета динамики импульсного пробоя однофотонного лавинного фотодиода, учитывающие локальность области лавинного умножения и запаздывание растекания лавинного тока по площади тыловою электрода диода. Построена новая эффективная методика численного моделирования процесса ударной ионизации по методу Монте-Карло, полностью реализующая статистический подход к процессу ударной ионизации и формированию лавины. По результатам статистических экспериментов сформулированы критерии эффективности инициации лавинного процесса единичным электроном; конструктивные требования, обеспечивающие стабильный импульсный режим работы; условия зарождения и автовыключения лавинного процесса. Диссертация состоит из: введения, четырех глав, заключения и списка использованных литературных источников. Во введении диссертации изложены цели и задачи работы, показана актуальность темы диссертации, ее новизна и практическая значимость. Первая глава диссертации посвящена подробному обсуждению основных положений теории ударной ионизации и лавинного размножения. Вводятся понятия коэффициентов лавинного умножения носителей заряда. Особое внимание уделено рассмотрению биполярности процесса ударной ионизации и внутренней положительной обратной связи ионизационного процесса. Сформулированы основные аспекты диссертационной работы. Во второй главе диссертации рассмотрена базовая структура планарного кремниевого лавинного фотодиода. Даны основные упрощающие предположения статистической теории, развиваемой в настоящей работе. Исследованы статистические особенности формирования электронных сгустков в лавине; вводится понятие среднего коэффициента усиления петли обратной связи лавинного процесса. Здесь же развита элементарная теория импульсного режима работы лавинного фотодиода, дающая качественное представление о принципах возникновения гейгеровского режима. В ее рамках методами математического моделирования продемонстрированы две альтернативные возможности развития лавинного процесса. В третьей главе диссертации предлагается развитая физико-математическая модель динамики токовых импульсов с учетом латеральной неоднородности лавинного тока. В которой сочетается адекватный учет локальности области лавинного пробоя и специфика растекания зарядов по площади диода. Выявлено влияние критического сопротивления и емкости на стабильность работы кремниевых лавинных фотодиодов в импульсном режиме. Даны конструктивнотехнические рекомендации по разработке конкретных фотоприемных устройств. Четвертая глава диссертации посвящена, главным образом, исследованию начальной стадии развития лавинного процесса со сравнительно малым количеством носителей в области сильного поля, где в наибольшей степени проявляется случайность процесса регенерации тока. В этой глава аналитически сформулирован критерий эффективности преобразования «фотоэлектрон — токовый импульс» но первой петле обратной связи. Также была разработана специализированная Монте-Карло модель эволюции лавинного процесса на более длительном промежутке времени. Определена характерная длительность токовых импульсов в так называемом микроплазменном режиме. Построена обобщенная Монте-Карло модель лавинного процесса с высокой степенью дискретизации пространственно-временных координат. В Заключении перечислены основные результаты работы. Построена динамическая итерационная модель лавинообразной разрядки емкости диода, программная реализация которой обеспечивает расчет формы и амплитуды сигнальных импульсов.