Способ усиления электрического сигнала в полупроводниковом приборе

 

СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА В ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ ЛРИБОРЕ с областью лавинного умножения носителей тока толщиной W, КЧЖ)-,(-4Л) V + 4V. 4-w-()) . -aW , -bW2 где в/ Ае -р-, , рили b4-y-f((f ( ,- 4-(Г|-4-, соответственно, где А,В,а,Ь - константы для данного полупроводникового материала; еН еН п -п-Г - mgC п « время релаксации импульсаносителя; включающей приложение к прибору разности потенциалов U, обеспечивающей умножение легких и тяжелых носителей тока разного знака с коэффициентами ионизации о1 и ft, зависящими от напряжения по закону о/, /5 -а bW А,В.е 0, /3 . ,1 , „ a.b-W отличающий- А R а -Л . D . е у J I С Я тем, что, с целью снижения шума в области лавинного умножения, область лавинного умножения помещают в магнитное поле, перпендикулярное электрическому, а напряжение повышают на величину 4U, при этом (Л выполняется соотношение QD СО СО е - заряд электрона; Н - напряженность магнитного поля; и nJg эффективные массы дырт . ки и электрона; с - скорость света.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН..SU„„90031 (594 Н 01 L 29/бб

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Н АВТОРСИОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ВСЕСОЮЗНАЯ

; 3.„":;,,„13 йкйдиотеыА

Ы 1-е — ",", -ы,i — " -Р 1-Е,,.ь +

-aW, -ЬФ

2 где а =Ае

U цт

u,6„==-В е —-или

М = ,(1 р " 4, 2+г " . 1" p ыЯ г ", е—

Н— заряд электрона; напряженность магнитного поля; эффективные массы дырки и электрона; скорость света, m и ш

 — время релаксации импульсаа - но сит еля; (21) 3275593/18-25 (22) 16.04.81 (46) 30,09. 87. Бюл. У 36 (72) M. Н, Заргарьянц и О, М. Грудин (53) 621, 382 (088. 8) (56) Н, D, Low, К. Nakumo, L. S. Tomasetta IEEE Journal Quantum Electronics VQE — 15, 1979, с. 549-568, K. M. Van Vliet Carrier multiplication and noise in avalanche devices.

Techn Dig IEDM, Washington, D. С, December, 1978, с, 298-301 ° (54) (57) СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА B ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ .ПРИБОРЕ с областью лавинного умножения носителей тока толщиной M соответственно, где А,В, а,Ь вЂ” константы для данного полупроводникового материала; еН еН (а и ю c Р ш с Ъ е включающей приложение к прибору разности потенциалов U, обеспечивающей умножение легких и тяжелых носителей тока разного знака с коэффициентами ионизации и а, зависящими от напряжения по закону о(, р =

-а Ь11

=АВе — — -или s ф ° ц а Ь.M

=А В е --+ — — о т л и ч а ю щ и й—

Ug 1 с я тем, что, с целью снижения шума в области лавинного умножения, область лавинного умножения помещают в магнитное поле, перпендикулярное электрическому, а напряжение повышают на величину 3U при этом выполняется соотношение

990031

Изобретение относится к области полупроводниковьгх приборов, а именно, к элементам полупроводниковой электро ники, квантовой электроники и оптоэлектроники.

Известен способ усиления электрического сигнала путем лавинного умножения носителей, который реализован в транзисторах и фотодиодах на основе кремния, германия и полупроводников А В

Недостатком его является высокий уровень шума в области лавинного умножения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ усиления электрического сигнала в полупроводниковом приборе с областью лавинного умножения носи- р0 телей тока толщиной M включающий приложение к прибору разности потенциалов U обеспечивающей умножение легких и тяжелых носителей тока разного знака с коэффициентами иониза- 25 ции a(и р, зависящими от приложенного напряжения по закону 1, В =

-aS - УЬФ2

=А, В. е V или с/,8=А,В е

Коэффициент шума области лавинного усиления зависит от отношения коэффициентов ионизации носителей раэ5 ного знака и величины усиления (приложенного электрического поля). Отношение коэффициентов ионизации обусловлено энергетической структурой материала. Поэтому коэффициент шума лавинного прибора, изготовленного из конкретного полупроводникового материала, при данной величине усиления не может быть меньше определенного значения, что ограничивает важнейшие

l5 характеристики такого прибора (в частности, пороговую чувствительность фосигнал топриемника, отношение — — — — лавиншум

Недостатком его также является вы- 30 сокий уровень шума в области лавинного умножения.

Принцип действия лавинного усиления сигнала заключается в следующем.

Инжектированный носитель заряда в

35 области лавинного умножения разгоняется в приложенном извне электрическом поле и по достижении порога ионизации рождает пару носителей. Этот процесс повторяется, что приводит к усилению электрического сигнала. о(i-å -ы ". +2 — + — -p 1-Е -gP +2 — +—

Сущность изобретения. поясняется или чертежом, где: схема движения электронов и дырок в скрещенных электрическом и магнитном полях. M — толщина

5 участка лавинного усиления. Среднестатический вектор скорости электронов Ut, и дырок U, движущихся в противоположных направлениях, в скрещенных полях будет отклоняться от наI ( соответственно, где А,B,à,Ь вЂ” константы для данного полупроводникового материала; м)„= еН еН - время релакm c ш с сации импульса носителя; е — разряд электрона; Н вЂ” напряженность магнитного поля, е и ю — эффективныемассы о дырки и электрона, с — скорость света. ного транзистора).

Целью настоящего изобретения является снижение шума в области лавинного умножения полупроводникового прибора.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе усиления электрического сигнала в полупроводниковом приборе с областью лавинного умно" жения носителей тока толщиной И, включающем приложение к прибору разности потенциалов U, .обеспечивающей умножение легких и тяжелых носителей тока разного знака с коэффициентаьы ионизацки Ы и р зависящими от на-aЬУ пряжения по закону а,я =А,В е

-aSW или, p =А,B e, область лавинного умножения помещают в магнитное поле, перпендикулярное электрическому, а напряжение повышают на величину a U, при этом выполняется соотношение

99003

0,33

Р Н р Н=О

Ее

4 ехр (— — )

1Т (1)

У„ — М р ( (6) Ее я ехр {- — ), Кт 1 (г) 45

Т (Е, Н) .1 (3) (7) 50 (9) А 2 пРН Н 1 Ор

Р= В ехр правления вектора электрического поля Е. Вследствие различия эффективных масс носителей заряда разного знака тяжелые и легкие носители будут соот5 ветственно в меньшей или большей степени отклоняться от направления ,первоначального движения при приложении магнитного поля. При эгом .температура газа легких носителей Те будет уменьшаться из-за того, что по мере отклонения направ.— . ления движения носителей от направления электрического поля энергия носителя на длине свободного пробега 15 будет снижаться и расходоваться при столкновении с фононами. В то же время для тяжелых носителей изменение температуры Тр будет существенно меньшим. В области лавинного умноже- 20 ния коэффициенты ионизации для элект. ронов и дырок равны где Е и Š— соответственно порого- ЗО е р вые энергии ионизации электронов и дырок;

Те и Т вЂ” температуры электронного и дырочного rasa.

Темп ер атуру газа носителей можно определить из уравнения Больцмана.

Прн достаточно больших напряженностях электрического поля Е, т,е. когда температура разогретого электронного газа Т(Е) значительно больше темпера- 40 туры кристаллической решетки, выражение для температуры электронного газа в скрещенных полях можно записать в виде где и„ вЂ” Ларморова частота, — время релаксации импульса, В качестве примера оценим эффект уменьшения коэффициентов ионизации электронов и дырок в магнитном поле для случая кремния (эффективные массы электронов-и дырок ш = 0,97 m, ш р = 48 mo) при, .следующих параметрах Е = 2 10 В см-, Н = 10 Тс, 10 " с. Значение Т(Е ф О, Н = О) возьмем иэ опубликованных в литературе экспериментальных данных. Тогда

4 для электронов отношение коэффициентов ионизации при наличии, магнитного поля и без него определяется из соотношения (Н) е 4 хне - нтт. тнт - " "

Аналогичным образом для дырок отноше-, ние коэффициентов иониэации равно: т

Отсюда. видно, что влияние магнит-. ного поля, приводящее к изменению коэффициента ионизации, проявляется наиболее сильно для более легких носителей. При больших коэффициентах усиления (например, М Ъ 10) коэффициент собственного шума области лавинного усиления в случае инжекции электронов равен

Подставляя в (6) значения, полученные в (4) и (5), видим, что шум снижается более, чем в два раза при наложении магнитного поля, Очевидно, что соответствующим подбором материала с более удачным соотношением эффективных масс носителей заряда описанное выше снижение коэффициента шума может быть выражено сильнее.Уменьшение абсолютных величин коэффициентов ионизации при наложении магнитного поля может привести к снижению коэффициента умножения М..

При постоянном значении напряженности электрического поля Е во всей области лавинного умножения М связан с коэффициентами ионизации электронов и дырок следующим соотношением

Ot нннтн-х

М В1

1 ф а1 где Ы = А ехр (В ) Ь1 р = В ехр (- — j прн В = О

31

Х Х

При .условии — -=— м мЬ

=(1 " ) ехр((о(-р)Щ(12) -(1- -)exp I(d„— P,)W) cf — — — =ехр ((Ы-p)N)-ехр f(of„- fo, )Щ (13) (10) Поскольку левые части ур. (12) и (13) равны, то

20 1

--ехр(((((-p)N)= -ехр((Ы, — p„)W) (14)

0f

1 (11) Логарифмируя ур. (14) и выражая через ofи В имеем !

При НФО р ((- f,)W)o(1

1 ° . Р1

0 е 11

Ь(-(} + — )-а(-(} + — ) а„г (15) «(}-а — — (-и, + --}j- «(}-« ----(-ы„а + -}j, а((гг дБ - г еИ гг дУ1

U+>U е 1 .1 L U+> U а ="е -г

« е

p =Be - —,<

Тогда

bW(-и " +2 — +(— } } -аЫ -м " +2 — +(— } г г LlU dU 21 Г q g LIU dU21 ()В» Ь" 0 О 1 е" о г 3

+* (}«ш (- " + (}-+(o- }} -«(э+.-(} - (-а""+ -(}+((}-}}). (17) l3

p =Be-— яг

of =Ае

Е b

Е (18) р =Ве

6 Г 3 45-104

of =736 1Ц ехр 1 - 1см

А,В,a,b — константы для данного полупроводникового материала. Из соотношения (7) и (8) видно, ч«го при наложении магнитного поля восстановить прежнее значение M можно изменением электрического поля в области лавин ного умножения: если в отсутствиемагнитного поля электрическое поле равно Е, то при наличии магнитного по-10 ля оно равно Е+лК. Величину необходи. мого изменения рабочего напряжения

4V-dEW можно найти из условия равенства коэффициентов умножения;в отсутствие и при наличии магнитного поля.

При Н=О

I ехр ((Ы - 3)11) ——

of м где (} — рабочее напряжение в отсутствие магнитного поля, Для ряда полупроводниковых материалов

В ряде случаев возможны и промежуточ40 ные случаи:

В качестве примера оценим величину dU при лавинном умножении в скрещенных магнитном и электрическом полях в ХпР.В отсутствие магнитного поля коэффициенты умножения электро- 55 дов и дырок в InP равны

Вычитанием левых и правых частей соотношения (11) из соответствующих частей соотношения (10) получим

Р =2 04. 10 ехр -- - — — — 1 см (2 42.10

Э

Е (19) и при Е=6 10 Всм ", W=0,34 мкм, получим of=2,34 104 см, р =3,61 -104 см ", M=100.

Учитывая, что m<(InP)=0,073 mo }(«m „(Inp) =0,56 m и полагая i 10 с при наложении магнитного поля Н=2«

«10 Гс коэффициент умножения становится равным 100 при Е;-6,7 10 В см

-М т.к. 4Е х 0,1 E и dU0 1 U. При этом из (8) и (9) коэффициент шума в отсутствие магнитного поля F=O 647 М, а при наличии магнитного поля указанной выше величины F, =0,241 М. Таким образом, коэффициент шума уменьшается примерно в 2,7 раза, Корректор N. Пожо

Редактор Н. Сильнягина Техред И.Попович

Заказ 4451 Тираж б97 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

7 99003

Относительное изменение удельноdÐ го сопротивления - частей полупроР водникового прибора, расположенных вне области лавинного умножения, при наложении магнитного поля равно

Т(v )

d Ф (20)

10 еН где ы = —, m — эффективная масса н mc основного носителя (s зависимости от типа проводимости полупроводникового материала), Т вЂ” магниторезистивный коэффициент, зависящий от механизма рассеяния. Численное значение Т лежит в интервале от 0,38 до 2,15.

Отсюда относительное изменение напряжения на областях полупроводникового

20 прибора, не участвующих в лавинном умножении, составляет менее 10Х. По> 1 8 скольку основная часть напряжения приложена к области лавинного умножения, то изменением напряжения в областях, в которых лавинное умноженке отсутствует, при наложении магнитного поля можно пренебречь.

Изобретение может быть распространено на широкий класс полупроводниковых приборов: лавинные фотодиоды, лавинные транзисторы и др., поскольку оно основано на фивических явлениях, не зависящих от способа инжекции носителей.

При сравнении с базовым способом, реализуемым в приборе ФД 115Л на основе кремния предлагаемый способ. позволяет в 2-2,5 раза снизить коэффициент шума при том же коэффициенте умножения, и, тем самым, существенно повысить чувствительность такого прибора.