К теории электронных процессов в гомо- и гетероструктурах как быстродействующих пороговых фотоприемниках с внутренним усилением

• Автор: Курочкин, Николай Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 128 с.

Оглавление.
• Введение
• Введение (Защищаемые положения)
• Список основных обозначений
• Используемые предположения
• Глава 1. Коэффициенты лавинного размножения носителей и лавинный шум-фактор в гетероструктурах.
• степень влияния широкозонной части р-п гетероперехода на его поле пробоя и коэффициенты размножения носителей
• оптимизация р-п гетероперехода по избыточному шум-фактору
• феноменологическая модель экспериментально наблюдаемого аномального поведения лавинного шум фактора структурах типа МДП при больших коэффициентах фотоусиления
• О возможности пренебрежения лавинным размножением в сильнолегированных областях приборов типа р+-п
• Глава 2. Концепция повышения чувствительности лавинных фотодиодов за счет увеличения длинны области дрейфа при сохранении мощности, эквивалентной шуму.
• используемая модель
• возможность разделения области поглощения и умножения (РОПУ) в р-п переходе
• влияние длины области дрейфа на спектр шума
• выбор оптимальных параметров на примере гетероструктуры с РОПУ
• Глава 3. Туннельные токи р-п гетероперехода
• Оптимизация профиля поля в ЛФД для уменьшения темновой генерации при заданном коэффициенте фотоусиления
• Шум туннельных токов в оптимизированной по профилю поля структуре
• Глава 4. Отклик лавинных фотодиодов на сверхкороткий оптический импульс.
• Недостатки моделей, основанных на преобразовании Фурье
• выделение моды (хвост решения)
• О возможности увеличения быстродействия за счет увеличения коэффициента и области размножения носителей
• зависимость быстродействия от формы поля
• влияние области дрейфа на быстродействие ЛФД-РОПУ
• влияние внешнего сопротивления на форму фотоотклика
• влияние локальной ударной генерации на быстродействие ЛФД

• Заключение
• Список литературы

Введение.
Передача информации в цифровых волоконно-оптических линиях связи требует создание быстродействующих фотоприемников с низким порогом чувствительности, работающих на длинах волны 1.3-1.7 мкм. В этом спектральном диапазоне достигается наибольшая дальность передачи информации в волоконно-оптических линиях связи. Одним из путей решения данной проблемы, является использование в качестве фотодетекторов лавинных фотодиодов (ЛФД) на основе различного типа структур, в том числе МДП- и родственных им структур. Наличие в ЛФД внутреннего усиления за счет ударной ионизации в области пространственного заряда (ОПЗ) структуры и большая дрейфовая скорость носителей в ОПЗ позволяют повысить пороховую чувствительность фотоэлектронного приемного устройства (ФЭПУ) практически без снижения его быстродействия. ЛФД на основе гетероструктур с широкозонным слоем зарекомендовали себя и при регистрации ядерных излучений. Минимальный уровень принимаемого сигнала определяется уровнем шумов ФЭПУ. Вследствие большой напряженности электрического поля в ОПЗ темновой ток в прямозонных полупроводниках часто определяется межзонным туннелированием. Межзонная туннельная генерация может быть устранена только за счет уменьшения напряженности электрического поля или использования более широкозонных материалов. Причина широкого распространения ЛФД на основе гетероструктур с разделенными областями поглощения и размножения (РОПУ), состоит в возможности уменьшения напряженности электрического поля в узкозонной, поглощающей части гетероструктуры, за счет переноса процесса лавинного размножения носителей в широкозонную область. Снижение туннельного тока обусловлено тем, что большим значениям напряженности электрического поля соответствуют большие значения ширины запрещенной зоны.

Несмотря на большое количество работ, посвященных ЛФД-РОПУ, возможность уменьшение поля пробоя и увеличения быстродействия за счет неполевого разогрева носителей при пересечении ими гетерограницы ранее не была рассмотрена.
Наиболее распространенные способы уменьшения шума ЛФД, определяемого туннельным током и темновой генерацией, - это уменьшение напряженности электрического поля и длинны области поглощения прибора. Выбор профиля поля, как метода оптимизации величины туннельного тока, исследован мало, так же как и влияние области дрейфа (области поглощения) на шумовые характеристики ЛФД.
Экспериментально обнаружено, что в гетероструктурах с широкозонным слоем на основе р-типа лавинный шум-фактор Г, начиная с М=102-103 , не увеличивается (даже падает) при увеличении М. Такое поведение Б парадоксально: казалось бы, за счет случайного характера акта ударной ионизации Б всегда должен расти с увеличением М. В этих экспериментах лавину инициируют втекающие в область размножения электроны. Поэтому при М»1, согласно классической работе Мак Интаера, Р=к*М и растет с увеличением М. Здесь отношение к=(Уа- коэффициентов ударной ионизации дырок (3 и электронов а является монотонно возрастающей функцией напряженности электрического поля. Согласно же данным экспериментов, Б«к*М при достаточно больших М. На основе гетероструктур с широкозонным слоем созданы ФЭПУ, обладающие высокими техническими характеристиками, но не предложено физической модели для количественного объяснения аномального поведения шум-фактора в данных гетероструктурах.
Выше считалось, что к можно считать константой. На рис. 1.5 представлена зависимость отношения поля в широкозонном слое к полю пробоя широкозонного слоя, как функция от р при трех значениях к=0.5, к=0.75, к=0.99. При р=1 уменьшение поля пробоя составляет 10 процентов.
Уменьшение шум-фактора согласно (1.45) возможно в гетеропереходах, в которых отношение коэффициентов ударной ионизации к при изменении поля на 5-10 процентов изменяется в 4-6 раз.
В известных гетеропереходах, в которых скачок дна валентной зоны сопоставим с пороговой энергией ударной ионизации в узкозонном материале, таких как СаАз-Ое, СаР-Ое, к в широкозонном материале слабо зависит от поля.
В то же время, шум лавинного размножения при использовании гетеропереходов с локальной ударной генерацией может уменьшиться даже при увеличении Б. Для оценки влияния неполевого разогрева на шум лавинного размножения воспользуемся следующим соотношениями:
коэффициенты усиления электронного и дырочного тока относятся [25] как
максимальное поле в резком р-п переходе связано с полем пробоя Еь и М [25]
(1.52)

и туннельный ток у( изменяется с полем как [26]