Способ усиления электрического сигнала в полупроводниковом приборе Советский патент 1987 года по МПК H01L29/66 

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, а именно к элементам полупроводниковой элект 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 АВ . 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 носителей тока толщиной W, включающий приложение к прибору разности потенциалов и, обеспечивающей умножение легких и тяжелых носителей тока разного знака с коэффициентами ионизации (/ и , зависящими от приложенного напряжения по закону d, д -gty/ -&t)Vy А, В . е V или с/,/3 А,В е V , 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 области лавинного умножения разгоняется в приложенном извне электрическом поле и по достижении порога иони зации рождает пару носителей. Этот процесс повторяется, что приводит к усилению электрического сигнала. е 77-: (-со..; J.if (V+Л), : :-f . ()2 i соответственно, где А,Б,а,Ь - константы для данного полупроводникового материала; и)| еН . еН время релаксации импульса носителя; е - разряд электрона; Н - напряженность магнитного поля, Wj- эффективные массы дырки и электрона, с- скорость света. 1 Коэффициент шума области лавинного усиления зависит от отношения коэффициентов ионизации носителей разного 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 характеристики такого прибора (в частности, пороговую чувствительность фосигналтоприемника, отношение лавиншумного транзистора). Целью настоящего изобретения является снижение шума в области лавинного умножения полупроводникового прибора. Указанная цепь достигается тем, что в известном способе усиления электрического сигнала в полупроводников вом приборе с областью лавинного умножения носителей тока толщиной W, включающем приложение к прибору разности потенциалов U, обеспечивающей умножение легких и тяжелых носителей тока разного знака с коэффициентам ионизации о/ и и , зависящими от на-аЬУпряжения по закону а,д А,В е или d , /i А,Б е , область лавинного з ножения помещают в магнитное поле, перпендикулярное электрическому, а напряжение повьшают на величину 4 и, при этом вьтолняется соотношение() Ч-(-) )W -4-( Сущность изобретения.поясняется чертежом, где: схема движения электронов и дырок в скрещенных электрическом и магнитном полях. W - толщина g участка лавинного усиления Среднестатический вектор скорости электронов Ug и дырок Up, движущихся в противоположных направлениях, в скрещенньгх полях будет отклоняться от на3;9правления вектора электрического поля Е. Вследствие различия эффективных масс носителей заряда разного знака тяжелые и легкие носители будут соответственно в меньшей или большей степени отклоняться от направления .лёрвоначального движения при приложении магнитного поля. При этом температура газа легких носителей Tj будет зменьшаться из-за того, что по мере отклонения направг. ления движения носителей от направления электрического поля энергия носителя на длине свободного пробега будет снижаться и расходоваться при столкновении с фононами. В то же время для тяжелых носителей изменение температуры Тр будет существенно меньшим. В-области лавинного умножения коэффициенты ионизации для электронов и дырок равны .ехр(-) ехр (- тгтр- ) где if и - соответственно пороговые энергии ионизации электронов и дырок; Tg и Тр - температуры электронного и дырочного газа Температуру газа носителей можно определить из уравнения Больцмана. При достаточно больших напряженностя электрического поля Е, т.е. когда температура разогретого электронного газа Т(Е) значительно больше темпера туры кристаллической решетки, выражение для температуры электронного газа в скрещенных полях можно записать в виде - Т(Е О, Н 0) Т (Е, Н) 1 + (U)H Т) где f Ларморова частота, - время релаксации импульса. В качестве примера оценим эффект 50 уменьшения коэффициентов ионизации электронов и дырок в магнитном поле для случая кр,емния (эффективные массы электронов и дырок mg 0,97 mg, mp 48 m,,) при , -следующих парамет- 55 pax Е 2-105 В см-% Н 10 Тс, и С- 10-«с. Значение Т(Е О, Н О) возьмем из опубликованных в литературе экспериментальных данных. Тогда i М где , 1 дпя электронов отношение коэффициентов ионизации при наличии, магнитного поля и без него определяется из соотношенияс/(Н) ,76(4) exp (kT(E, с/() Аналогичным образом для дьфок отноше-. ние коэффициентов ионизации равно: ) - , 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 10) коэффициент собственного шума области лавинного усиления в случае инжекции электронов равен 7 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 мате риала 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 напряжениости электрического поля Е во всей области лавинного умножения М связан с коэффициентами ионизации электронов и дырок следующим соотношением - expC(rf -/ь )W3--g .of J 0 А ехр /5 В ехр - g J при Н О л ..р ii± Bexp -HJ±i|lLL , 9900 А,В,а,Ъ - константы для данного полупроводникового материала. Из соотношения (7) и (8) видно, при наложении магнитного поля восстановить прежнее значение М можно изменением электрического поля в области лавинного умножения: если в отсутствиемагнитного поля электрическое поле равно Е, то при наличии магнитного по-ю ля оно равно Е+ЛЕ. Величину необходимого изменения рабочего напряжения можно найти из условия равенства коэффициентов умножения ; в отсутствие и при наличии магнитного поля. 15

При

exp {of-/b)W - I

(10)

1 Ь

exp(c/,-,)Wj- 1

(11)

.1

„..„. ..-.... , ,3,

- ,.4,-.g,Q(.,.

где и - рабочее напряжение в отсутствие магнитного поля, Для ряда полупроводниковых материалов (и+ли) В ряде случаев возможны и промежут ные случаи: Ае/5 Ве , ,.Бе.| В качестве примера оценим велич ну 4U при лавинном умножении в скр щенных магнитном и электрическом п лях в InP.B отсутствие магнитного поля коэффициенты умножения электр дов и дырок в InP равны , - .,.(, Г 3,45-10 1 о/ 7,ЗЬ-19 ехр -

Поскольку левые части ур. (12) и (13) равны, то

(с/-А)У ехрС(о/, -/sjw (4) (iР

Логарифмируя ур, (14) и выражая ot , через с/ и /5 имеем

d Ае- g2. Бе-2,

Тогда ъw -wJc - 2iJ;4-)(fг)1 ---iУУ.- L™-и и- J . , ,у jfi Г и ,/iiUv7i| г ш Т To uTIu П теттет 1 Г тшо7г -D 1 При .условии .. - (,|.),) ,,) -(l-),)W Вычитанием левых и правых частей соотношения (П) из соответствующих частей соотношения (10) получим i - exp(c(-(b), -/iJW (13) /.2,04-10 ехр .. J ., и при -10 Всм, ,34 мкм, получим о(2,34ЧО см-, р 3,61-10 , Учитывая, что Пр( 1пР)0,073 Шх-х /m, - (lnP)0,56 Шр и полагая при наложении магнитного поля х Гс коэффициент умножения становится равным 100 при ,710 В см т.к. 4Е « 0,1 Е и 4U;sO,l и. При том из (8) и (9) коэффициент шума в отсутствие магнитного поля ,647 М, а при наличии магнитного поля указанной вьппе величины F, 0,241 М. Таким образом, коэффициент шума уменьшается примерно в 257 раза.

Относительное

удельноизменение

1 р частей полупрого сопротивления

водникового прибора, расположенных вне области лавинного умножения, при наложении магнитного поля равно

.п

о

f T,(u,,(20)

еН

где (ji - , m - зффективная масса тс

основного носителя (в зависимости от типа проводимости полупроводникового материала), Т - магниторезистивный козффициент, зависящий от механиз ма рассеяния. Численное значение Т лежит в интервале от 0,38 до 2,15. Отсюда относительное изменение напряжения на областях полупроводникового прибора, не участвующих в лавинном умножении, составляет менее 10%, Поскольку основная часть напряжения приложена к области лавинного .умножения, то изменением напряжения в областях, в которых лави11ное умножение отсутствует, при наложений магнитного поля можно пренебречь.

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

При сравнении с базовым способом, реализуемым в приборе ФД 115Л на основе кремния предлагаемый cnoco6i позволяет в 2-2,5 раза снизить козффициент шума при том же коэффициенте умножения, и, тем самым, существенно повысить чувствительность такого прибора.

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 импульса- носителя; 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.