shkolageo.ru 1 2 3 ... 9 10

Глава 1.

Структура и принцип работы микропиксельного лавинного фотодиода

Лавинное размножение носителей заряда в полупроводнике связано с тем, что когда к p-n переходу приложено напряжение, то в кристалле возникает градиент электрического поля. Напряженность этого электрического поля зависит от приложенного напряжения и проводимости полупроводника. Свободные заряды в полупроводнике, а фактически это всегда электроны, двигаясь в кристалле, претерпевают столкновения с атомами решетки. Если при этом они попадают в область, где существует электрическое поле, то электрон между столкновениями успевает получить некоторую энергию, и если эта энергия превысит 3.6 эВ, то он выбьет при столкновении из атома решетки другой электрон, т.е. образует электрон-дырочную пару. Затем оба электрона, двигаясь дальше, могут создать еще по одной электрон-дырочной паре и т.д. Происходит так называемое лавинное умножение зарядов.

Электрон, двигаясь в электрическом поле, попадает в лавинную область и порождает первичную лавину [5]. Там же отмечено отдельно, что дырки, которые возникают в этом процессе, двигаются в противоположном направлении, а если поле достаточно велико, то дырки тоже могут начать размножаться, что порождает вторичные электронные лавины. Именно такое циклическое самоподдерживание лавины и прожигает полупроводниковый прибор при лавинном пробое. При движении дырок в реальности движется электрон, перескакивая с орбиты одного атома на орбиту другого, проходя при этом гораздо меньшее расстояние, чем свободно двигающийся электрон. Поэтому для размножения дырок необходима напряженность электрического поля значительно большая, чем для размножения электронов. Это различие процессов умножения электронов и дырок используется в большинстве промышленных лавинных приборов. Специальными технологическими средствами в полупроводнике создается зона, где электрическое поле имеет равномерное распределение. На самом p-n переходе при подаче соответствующего напряжения возможно достижение стабильного умножения электронов притом, что лавинного умножения дырок не происходит. Как правило, максимальное усиление, которое возможно достичь в такой структуре, колеблется от десяти до ста.


Считывание света с помощью обычных ФЭУ осложняется, во-первых, наличием магнитного поля, а во-вторых, экономическими соображениями: для достижения высокой пространственной чувствительности необходимы десятки тысяч каналов, что в случае использования ФЭУ многократно увеличивает стоимость установки в целом. Также к недостаткам ФЭУ следует отнести высокое напряжение питания и чувствительность к магнитному полю.

Микропиксельные лавинные фотодиоды со структурой металл-резистор-полупроводник (МРП ЛФД) разработаны и произведены Центром Перспективных Технологий и Аппаратуры (ЦПТА, Москва). На Рис.8 схематически показана конструкция МРП ЛФД. МРП ЛФД имеет рабочую площадь 1 мм2 и состоит из 556 пикселей (размер пикселя 45×45 мкм), каждый из которых представляет собой кремниевый фотодиод, изготовленный на низкоомной подложке p-типа. Для уменьшения оптической и электрической связи пиксели отделены друг от друга узкими металлизированными канавками. Каждый пиксель подсоединен к верхнему металлическому электроду через отдельное высокоомное сопротивление. Нижний контакт ЛФД является общим для всех пикселей. Если обратное смещение, прилагаемое к ЛФД, превышает напряжение пробоя p-n перехода, то свободные носители, возникающие внутри области пространственного заряда (ОПЗ) пикселя, могут вызвать гейгеровский разряд этого пикселя и, соответственно, появление электрического сигнала на контактах ЛФД.




Рис. 7. Схематическая конструкция микропиксельного лавинного фотодиода.

Режим Гейгера представляет собой методику, при которой лавинный фотодиод работает при обратном напряжении, превышающем напряжение пробоя. При гейгеровском режиме работы в фотодиоде создается сильное электрическое поле, создающее разряд при малом световом потоке, падающем на поверхность фотодиода. Это явление известно как "разряд Гейгера". Носителями, вызвавшими срабатывание пикселя, могут быть электроны и дырки, образованные либо в результате поглощения света внутри ОПЗ, либо в результате тепловой генерации носителей в ОПЗ. При попадании кванта света в активную область пикселя в нем развивается самогасящийся «гейгеровский» разряд. Гашение, т. е. прекращение разряда, происходит из-за падения напряжения на p-n-переходе ниже пробойного благодаря наличию в каждом пикселе токоограничивающего резистора (Rогр≈ 1 мОм). Через время τ