Статья: Оценка влияния параметров структуры на рабочий режим лавинного фотодиода с раздельными областями умножения и поглощения (2016)

Представлен краткий обзор задач оптики тонких пленок в части пленкообразующих материалов, применяемых для проектирования и изготовления тонкослойных оптических покрытий для инфракрасной области спектра. Обсуждаются пути решения задач получения оптических пленок с набором требуемых показателей преломления. Приведены некоторые сведения о покрытиях на оптических элементах из халькогенидных стекол и новой технологии атомно-слоевого осаждения тонких пленок.

При пересчете спектральных характеристик чувствительности матричных фотоприемных устройств с низким значением отношения сигнал/шум перед исследователями возникает задача фильтрации шума с сохранением положения границ и максимума чувствительности. В исследовании проведено сравнение методик фильтрации спектральных характеристик чувствительности: метода скользящего среднего и его вариаций, интерполяция сплайнами, методика расчёта по кривым Безье, метод Савицкого-Голея. Установлены критерии выбора неразрушающей расчетной методики, не вносящей погрешность в значения границ диапазона и максимума чувствительности МФПУ. Выбран и обоснован оптимальный метод пересчёта спектральных характеристик чувствительности матричных фотоприемных устройств.

Данная работа представляет собой вторую часть общего обзора авторов. В первой части (см. «Успехи прикладной физики», 2016. Т. 4. № 1. С. 52) проведена общая постановка задачи по аналитическому вычислению межзонных туннельных токов в p–n-структурах, прежде всего, на основе прямозонных полупроводников в условиях лавинного размножения носителей, их коэффициентов размножения и лавинных факторов шума. Выполнена программа по вычислению коэффициентов размножения. В наиболее характерных ситуациях они представлены в аналитическом виде. Показано, что полученные аналитические результаты находятся в хорошем количественном согласии с проведенными ранее численными расчетами и экспериментальными данными.

В данной части обзора проведен теоретический анализ зависимости межзонного туннельного тока гетероструктуры с p+–n-переходом в ″широкозонном″ слое от параметров используемых полупроводниковых материалов, уровней легирования ″высокоомных″ слоев и их толщин при напряжениях лавинного пробоя гетероструктуры. Показано, что туннельный ток, как правило, немонотонно зависит от концентрации легирующей примеси в ″высокоомной″ части ″широкозонного″ слоя. В наиболее практически интересном случае существует оптимальная концентрация этой примеси, при которой для заданных толщин слоев и уровня легирования ″узкозонного″ слоя туннельный ток достигает абсолютного минимума. Выведена простая формула для определения величины этой концентрации. Получено также аналитическое выражение для определения минимального значения туннельного тока. В реальных случаях перепад токов может составлять несколько порядков. Выяснено, что увеличение уровня легирования ″узкозонного″ слоя во многих случаях приводит к уменьшению туннельного тока. Показано, что при понижении уровня легирования ″высокомных″ слоев гетероструктуры туннельный ток не обращается в нуль, а начиная с некоторой концентрации перестает зависеть от уровня легирования. Аналогичный эффект имеет место и для гомогенного p+–n-перехода. Обсуждаются физические причины такого поведения туннельного тока при напряжениях лавинного пробоя. Разработана методика оптимизации параметров гетероструктуры порогового лавинного фотодиода с разделенными областями поглощения и умножения. Проведены конкретные расчеты, например, для широко используемой системы InP-In0,53Ga0,47As-InP.

Рассмотрена возможность описания переходных процессов в p–n–n-лавинных фотодиодах (ЛФД) элементарными функциями, прежде всего, при начальном напряжении V0, большем напряжения лавинного пробоя VBD. Постановка задачи вызвана потребностью знать явные условия возникновения гейгеровской моды работы ЛФД. Выведено несложное выражение, описывающее динамику лавинного гейгеровского процесса. Получена формула для полного времени его протекания. Представлено явное аналитическое соотношение реализации моды Гейгера. Определены условия применимости полученных результатов.

В заключение на основе аналитических вычислений обсуждены и продемонстрированы преимущества лавинных гетерофотодиодов (ЛГФД) с разделенными областями поглощения и умножения (РОПУ) типа ‘‘low-high-low’’ перед классическими образцами. Нумерация формул, рисунков и литературы продолжает нумерацию части I.

Численно исследован процесс формирования сильного электрического поля на металле, частично покрытом диэлектрической пленкой, в потоке плазмы с учетом автоэлектронной эмиссии с поверхности металла и вторичной электронной эмиссии с поверхности диэлектрика. Показано, что при отрицательном потенциале на металле порядка нескольких сотен вольт, плотности плазмы ~1012 см3, температуре электронов плазмы ~10 эВ и толщине пленки d  1 мкм напряженность электрического поля вблизи края пленки достигает нескольких МВ/см, что на два порядка превышает напряженность поля на открытой металлической поверхности в плазме. При умеренном дополнительном усилении поля на микронеровностях поверхности металла на уровне ~10 такая напряженность является достаточной для генерации автоэмиссионного тока с вершин выступов металла с плотностью порядка 108 МА/см2, необходимой для развития взрывной электронной эмиссии с последующим формированием микроплазменного (микродугового) разряда на краю пленки. Исследовано влияние генерируемого пучка автоэмиссионных электронов на формирование электрического поля вблизи края диэлектрической пленки при различных углах наклона среза пленки. При углах наклона  < 85 эмитированные электроны не попадают на пленку и практически не влияют на величину формируемого поля. При   90 пучок эмитированных электронов попадает на торец пленки, вызывая вторичную электронную эмиссию с поверхности диэлектрика. В этом случае напряженность электрического поля оказывается недостаточной для развития взрывной электронной эмиссии с поверхности металла, однако под действием пучка ускоренных автоэмиссионных электронов с энергией ~50 эВ и плотностью тока ~105 А/см2 торец пленки нагревается до температуры ~1000 C, что может приводить к интенсивному газовыделению с поверхности диэлектрика. Развитие микроплазменного разряда в этом случае может быть связано с формированием плотного сгустка плазмы вблизи торца пленки в результате ионизации выделившегося газа автоэмиссионным электронным пучком.

Индукционный разряд возбуждался на частотах f = 0,5—12,0 МГц и мощности P = 25—160 Вт в смеси паров ртути (0,01 Торр) и аргона (0,1—0,6 Торр) в цилиндрических разрядных трубках длиной 300 мм и диаметром D = 40, 50, 60 и 70 мм с помощью индуктивной катушки, охватывающей трубку по ее продольному периметру. Установлено, что зависимости тока катушки Icoil и мощности потерь в проводе катушки Рcoil от мощности лампы P имеют минимум, сдвигающийся в сторону меньших мощностей с увеличением диаметра трубки D, частоты разрядного тока f и числа витков катушки n. Зависимость Рcoil от частоты f имеет минимум, сдвигаюшийся с увеличением мощности лампы Р в сторону меньших частот. КПД индуктивной катушки ηcoil возрастает с увеличением мощности лампы, диаметра разрядной трубки, частоты разрядного тока, давления аргона и числа витков катушки. Результаты расчета электрических параметров индуктивной катушки находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными.

В рамках обзора исследовалась природа избыточного низкочастотного шума. Проанализированы результаты экспериментальных и теоретических исследований. Показана связь избыточного шума с дефектами структуры твердых тел. Приведены следующие экспериментально установленные факты, указывающие на такую связь. Корреляция спектральных свойств избыточного шума с характеристиками дефектов. Влияние на шум внешних воздействий на твердые материалы, приводящих к нарушениям структуры материалов. Корреляция шума с надежностью твердотельных электронных приборов. Зависимость шума от технологии изготовления материалов. Проанализированы многочисленные теоретические модели избыточного низкочастотного шума, связывающие его происхождение с дефектами. Отмечена принципиальная возможность объяснения подобным образом избыточного шума в различных типах твердых тел. Представлены аргументы в пользу того, что происхождение избыточного шума в твердых телах связано с дефектами структуры.

Представлена вторая часть обзора, который посвящен динамическому методу визуализации и измерения пространственного распределения интенсивности миллиметрового (ММ) излучения при помощи оптического континуума, излучаемого положительным столбом разряда постоянного тока в смеси паров цезия с ксеноном (метод ОКИР). Принцип действия и физические основы метода ОКИР были рассмотрены в первой части обзора [Успехи прикладной физики. 2015. Т. 3. № 6. С. 515]. В данной статье описаны эксперименты, которые демонстрируют возможность использования этого метода визуализации для измерения параметров излучения на выходе источников ММ-излучения средней мощности. В частности, с его помощью была идентифицирована рабочая мода гиротрона трехмиллиметрового диапазона с импульсным магнитным полем, а также оценены величины примесей паразитных мод на выходе этого гиротрона и импульсного оротрона двухмиллиметрового диапазона. В статье также рассмотрены возможности применения метода ОКИР для радиовидения и неразрушающего контроля в диапазоне ММ-волн в реальном масштабе времени (с частотой более десяти кадров в секунду). Были получены теневые радиоизображения поглощающих и отражающих ММ-излучение объектов, а также радиопрозрачных объектов. Показано, что такой метод радиовидения в ММ-диапазоне может применяться для оперативного обнаружения и распознавания скрытых предметов, а также для регистрации динамических процессов.