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 ~ RC, где R и C - величины сопротивления и емкости пикселя, напряжение на пикселе восстанавливается, и он опять становится чувствительным к свету. Каждый пиксель работает как независимый счетчик фотонов. Если же одновременно сработало несколько пикселей, то сигнал на контактах ЛФД является суммой сигналов от всех сработавших пикселей.


Эффективность регистрации фотонов

Эффективность регистрации фотонов МРП ЛФД определяется двумя главными факторами [25]: вероятностью поглощения фотона в области пространственного заряда (ОПЗ) одного из пикселей ЛФД и вероятностью того, что образовавшаяся электрон-дырочная пара инициирует гейгеровский разряд в этом пикселе.

Эффективность можно определить следующим образом:

ε = ячеек>/фотонов>, где фотонов> – среднее число фотонов во вспышке, падающих на фотоприемную площадку, ячеек> – среднее число ячеек кремниевого ФЭУ (SiФЭУ), сработавших от вспышки. Эффективность регистрации ε можно выразить через произведение трех основных независимых друг от друга составляющих: ε = QE·A·G, где QE – квантовая эффективность p-n-перехода, A – геометрическая эффективность и G – вероятность возникновения гейгеровского разряда.

Квантовая эффективность QE – вероятность генерации фотоном свободного носителя, который достигнет области умножения (области высокого поля, достаточного для ударной ионизации). Использование просветляющего покрытия, оптимизация толщины слоя, где происходит поглощение излучения, позволяют получать значения квантовой эф-фективности до 90%. Геометрическая эффективность A, определяемая соотношением активной и общей площади ячейки SiФЭУ, зависит от размера ячейки и составляет 30–80% для ячеек размером от 30×30 до 100×100 мкм. Вероятность возникновения гейгеровского разряда G при попадании свободного носителя в область высокого поля зависит от значения перенапряжения, т. е. разности между приложенным к SiФЭУ напряжением и напряжением пробоя.

Коэффициент поглощения света в кремнии зависит от его длины волны, а поскольку толщина ОПЗ пикселя не превышает 3 мкм, то и вероятность поглощения света в ОПЗ сильно зависит от длины волны регистрируемого ЛФД света. Нужно также учесть, что часть света отражается от тонкого слоя SiO2, который защищает поверхность ЛФД. Свет может поглотиться в сильно легированном необедненном слое n+ (см. Рис.8), в котором образовавшиеся носители заряда рекомбинируют и выпадают из процесса умножения. Кроме того, потери света происходят при попадании фотонов в область канавок, оптически изолирующих пиксели друг от друга.


Рис. 8 Зависимость эффективности регистрации фотонов (λ=515 нм) от напряжения на МРП ЛФД.

Нужно заметить, что в исследуемом ЛФД около 60% всей его поверхности является светочувствительной, что намного лучше, чем для других аналогов МРП ЛФД. Вероятность гейгеровского разряда зависит от типа носителя, инициирующего лавину, а также от напряжения, прилагаемого к ЛФД. В кремнии электроны имеют больший коэффициент ионизации, чем дырки, поэтому вероятность разряда выше в случае, когда разряд инициирован электронами. Отметим, что когда интенсивность падающего излучения велика, т.е. вероятность рождения нескольких фотоэлектронов в одном пикселе значительна или происходит срабатывание всех ячеек, наступает насыщение выходного сигнала с детектора. Таким образом, существует ограничение сверху на спектрометрическую регистрацию интенсивности света.

Коэффициент усиления

Поскольку все пиксели МПЛФД являются независимыми микросчетчиками [21], а сигнал с каждого пикселя определяется зарядом, накопленным на каждом пикселе, то коэффициент усиления МПЛФД (М) определяется, в основном, зарядом (Qpixel) накопленном на емкости пикселя Cpixel: M = Q/e, где Q=

Где e - заряд электрона, C - емкость пикселя, которая определяется шириной области пространственного заряда, U- напряжение смещения, превышающее пробойное на 10-15%, Ubr- напряжение пробоя пикселя.

Однако, следует отметить, что в микропиксельной структуре между пикселами возникает оптическая связь: при развитии лавины есть вероятность рекомбинации электронно-дырочных пар, что приводит к возникновению фотонов, которые могут проникнуть в соседний пиксель и вызвать там фотоионизацию. Коэффициент усиления М, представляющий собой отклик фотодиода на единичный детектируемый фотон, таким образом, увеличивается.


Разброс значения коэффициента усиления определяется технологическим разбросом значений емкости ячеек и напряжения пробоя от ячейки к ячейке и составляет менее 10%.




Рис.9: Зависимость эффективности регистрации фотонов МРП ЛФД от длины волны света, измеренная при комнатной температуре и напряжении 26.8 В.

Темновой счет

Тепловая генерация свободных носителей заряда в обедненном слое может привести к срабатыванию пикселя ЛФД даже в отсутствие света. [19] Такие срабатывания называются темновыми срабатываниями. Частота темновых срабатываний ЛФД (темновой счет) зависит от температуры, суммарного объема обедненных областей ЛФД, а также от величины электрического поля внутри этих областей. Следует отметить, что из-за эмиссии света в процессе гейгеровского разряда и оптической связи между пикселями, один темновой носитель может вызвать срабатывание нескольких пикселей ЛФД. Это увеличивает амплитуду части темновых импульсов.



Рис.10 Зависимость темнового счета от напряжения, измеренная при комнатной температуре и порогах электроники: 0.5 электрона (■) и 1.5 электрона (▲).

Температурная зависимость

Коэффициенты ионизации атомов кремния электронами и дырками (и, соответственно, напряжение пробоя) зависят от температуры. Это значит, что и амплитуда сигнала, снимаемого с контактов ЛФД, тоже должна зависеть от температуры. Поскольку в детекторе ND280 температурная стабилизация не предусмотрена (только мониторирование температуры), то возможны вариации сигнала ЛФД, вызванные изменениями температуры окружающей среды. В связи с этим, измерение зависимости отклика ЛФД от температуры является крайне важным. При повышении температуры усиливаются колебания кристаллической решетки, повышается вероятность того, что носитель может столкнуться с кристаллической решеткой, прежде чем его энергия станет достаточной для ионизации. Следовательно, напряжение пробоя увеличивается, а коэффициент усиления падает. Эта зависимость очень существенна. Например, при изменении температуры на 10C коэффициент усиления падает на 6%.





Рис.11: Зависимость амплитуды сигнала МРП ЛФД от напряжения, измеренная при двух температурах: Т1=14.5 ºC (■) и Т2=22.2 ºC(▲).

Основные достоинства МПЛФД

Аналогично вакуумным ФЭУ, МПЛФД может стать прибором широкого применения благодаря следующим качествам [10]:

• высокое внутреннее усиление порядка 106;

• эффективность регистрации видимого света на уровне вакуумных ФЭУ;

• высокое временное разрешение (менее наносекунды);

• невысокое напряжение питания (25—60 В);

• слабая чувствительность к магнитному полю;

• компактность (размеры кристалла порядка (2 х 2 х 0,3) мм3).

Основные недостатки МПЛФД:

• быстрый рост количества шумовых импульсов с ростом напряжения питания;

• температурная зависимость коэффициента усиления;

Бороться с первым недостатком можно путем фиксирования значения напряжения питания. Устранение второго недостатка можно получить, поместив диод в термостат, если это возможно.

Разброс величины усиления определяется технологическим разбросом величины элементарной емкости и напряжением пробоя пикселей и составляет менее 10 %. Поскольку все пиксели одинаковые, отклик детектора на слабые световые вспышки пропорционален их интенсивности.



<< предыдущая страница   следующая страница >>