（物理电子学专业论文）雪崩型光电二极管阵列器件的设计与分析.pdf

硕士论文 雪崩型光电二极管阵列器件的设计与分析 abs tract u 钊 rn o d 1 fi ed c mo sp r o c e s ses h a v ebeen s ucc es s fo 11 ye m p l 0 y e dto p ro d u c e exce l l e nii m a g e sensors ， ri vali ngthe perfortnaneeo f th e b e stc c d s . h o wev e r， s i 酬fi c a n t 助p r o v e m e nts insen si ti v ity h ave n o t bee n a c h 1 e v ed. to overco m e t h e tr a n si s t o r . i n d u c e d 加l se l 油i tati o ns o fs o l i ds 吐 ei m a g es e n s o r sat l ow l ightl eve l s ， the a v a a n c h e mul tiplicationc anbee m p 1 o y edtoi m p ro vethe se ns iti v i tyofc m 0 s haa g e s enso rs. a p d sh a v efo u n da p p l ic atio ns insi nglep h o t o ncou n t ing andl ow h ght l eve 1 dete ct i on. a p ds t ru c t u r e s ina s t 山 l d a r dl .2 p mb i c m0 s p ro c e s s h a v e bee n re al i zed by ali c e b i ber and p eter s e i tzi n s wis s f e d e r a 1 1 n s t i tu t e o f tec h n o l o gy， s witzerl a n d . t h 1 s p apers t u d i e s the a v a i anc he p hoto d i o d e s i m ages e nso ri ns tand a r ds i l i con b i c m0 ste c hoo 1 o gy. c c da n dc m0 si m a g es e n sor s are des crib e d . t h ed i ffere nce bel w e e n c c da ll d c mo s i m 铭e s e n s o rsare c o m p ared and noi s e i s the m a i n d r a w b a c k s inl ow l i g h t 1 e vel o f th e sol i di m age s ens or. the c h a r a c t e ri zati o nandwork i ng m o deo f a p d s are 鱿 u d i e d ， e 卿c i al l y th e c h a r a c t e 五 ， t i o n o f th e o m 一 p d s an a t heaval a n c h e b r e akd o wn o f t h ep nj u n c t i o n . n o i s e c h a r acte ri zati o no f a p d s i ss t u d i ed. t h enoi se m o d e l s o f p hoto n- di o d e andaval anc h e p h o t on一 d i o d e are re al i z e da n dt hed e t e c t i o nof apdi ss t u d i e dt 七 ei n t e rn a 1 di strib l it i o no f v o itagea n dc arti e rs are 胡a l y ze dby numenc alana l y s i s ， 朋d the d i s t ri b utionc u r v e s are got b y cc o m p ut erp r o gr a n 1 ins t e a d y c o n d lti o ns，w h ic h i s a fo u n d a t i o n o f fu rt h erre se a r c h a n d a n a 1 y s i s o f th e m ore c 0 m p 1 ex d e v i c e k 贻 y w6 rds : ava l anc hep h ot o n 一 d i o d e ，im铭e s e n s or，c mo s ，b i c mo s ， no i s e ，nu me r i c alan a l y s l s ，l o w 一 l i ght d et e ct i on 声明 本学 位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了 加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人己 经发 表或公布过的 研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己 在论文中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 : 际 呵 蒯 升 中 山 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以 借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内 容，可以向 有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:迹 目 处 圭 一 呼伞 硕士论文雪崩型光电二极管阵列器件的设计与分析 1 绪论 现在固体图像传感器已经广泛地应用于电子数码摄像机， pc摄像机， 自 动监控、 智能机器人和电子数码照相机等。以前电子摄像机的图像传感器是采用外光电效应 光电 摄像管，由于外光电效应摄像管具有体积重量大， 耗电多、寿命短，价格高等 缺点，己 经被固体图 像传感器所取代。固体图像传感器是利用半导体材料的内光电 效 应原 理 制 成的 光电 转 换器 件117 】 。 1 . 1研究背景 固体图 像传感器按工艺结构分主要有两类冈，一类是电荷祸合器件( c c d ) 图像 传感器;另一类是互补金属氧化物 (cm os)图 像传感器。 ccd 传感器和c m os传感器都是上世纪70年代开始研制，但由于c cd传感器灵 敏度高、 噪声低而成为图像传感器的主流。互补金属氧化物 ( c mos) 图像传感器由 于工艺上的原因， 一直没摆脱光照灵敏度低、噪声大和图像分辨率低等缺点而得不 到重视和发展。ccd 图像传感器由于敏感元件和信号处理电路不能集成在同一芯片 上而使c cd摄像机/ 照相机体积大、 功耗大。 c m os传感器却有集成度高、功耗小和 造价低等优点， 如果c m os图 像传感器能克服以 上缺点而保持原有的 优点， 就比c cd 传感器的应用更有优势。 目 前， 伽05图 像传感器由于工艺的成熟而发展很快， 国外各大公司和科研机构 已经开发出多种类型的c 湘5图像传感器和以c mos图像传感器为核心的摄像系统。 在国内，许多大学及科研单位都开展了c m os 图像传感器的研制和应用开发工作， 并 取得了 较大的进展。 我国 小于 0 . 5 脚 线宽的 大规模集成电 路工艺 还处于实 验阶 段，因此像素在30万以上的以05图像传感器芯片必须进口。 此外， 伽05 图像传感 器的成像质量差， 所以开展 c m 0 s图像传感器的 研究与设计，消除噪声技术、 提高 探测极限是研究固体图像传感器的主要课题之一。 伽0 5 图 像传感器成像质量差， 难以实现微光成像， 雪崩光电二级管是一种可以 利 用雪崩增益获得较高 探测效率的 光电器件， 在弱光场测量、 光子计数等相关领域有着 相 当 广 泛 的 应 用141 。 目 前为止， 国内 还未检索到有关雪崩光电二极管阵列图像传感器方面的论文， 瑞 士联邦技 术学院的电 子学实 验室已 经采用1 . 2 林 m 标准bi以05工艺研制成功了 雪崩光 电 二极管图 像传感器， 用该器件已 经成功组装了 首台 a pd摄像机， 拍摄出了 清晰的黑 白图 像14。 本文的主 要任务就是研究这种基于b i c mos 工艺技术的a pd图像传感器。 1 . zc c d 与c m o s 固体图像传感器的研究现状和发展趋势 固体图像传感器最有市场前景的应用是移动电视、电话、笔记本电脑等移动终 端的 移动图 像商品群、电 视摄像机、 数码相机等。 大容量的通信线路使得动态图像 传送成了可能，这为固体图像传感器的发展提供了强大动力。另外， 在安全技术、 1 硕 上论文雪崩型光电二极管阵列器件的设计与 分析 交通基础设施、玩具、娱乐仪器等方面固体图像传感器也有广泛的应用前景哪 。 人类从外界获取信息，视觉占整个五官接收信息的80% ，因此，在信息社会中， 固体图像传感器在国民经济和人民生活中所起的作用越来越大，而且其应用领域不 断扩大， 将进一步向 多功能化、单芯片化、多层感色、全色和智能化方向发展。 1 . 2 . 1 固体图像传感器的研究现状与发展趋势 随着20世纪80年代和90年代光电子技术的飞速发展，使可见光和红外焦平 面阵列图像传感器技术发展到了 一个新的阶段，目 前的c cd和 c m os 图像传感器己 经从可见光和近红外波段发展到了短波、中波和长波红外焦平面阵列11.21 。 传统c cd 中由于光电二极管是矩形的，其尺寸受到了限制。制造商们尽管不断 的增加像素以 提高图 像质量，同时缩小了 像素和光电二极管面积， 但是光吸收的低 效率己成为提高感光度、信噪比和动态范围的另一个障碍。日本富士公司为了寻求 更好的解决方案， 对人类视觉进行了全面研究得出:像信息的空间频率功率都聚集 在水平和垂直轴上， 最低的功率在45“ 对角 线上。根据这一理论研究了sup erc cd， 其像素都按4 5 ” 角排列从而形成了一个蜂窝状结构。 控制信号通道被取消了，为光 电二极管留出了更多的空间， 可以更有效的吸收光。superccd把无助于影像 纪录 的空间减少到最低限度，感光效率和信噪比得到了提高，动态范围得以扩大。 c m()s 图像传感器的研究起始于20世纪60年代末， 由于当时受到工艺技术的限 制，直到90 年代才发展起来，至今己 研制出三大类c m os 图像传感器，即c m os 无 源像素传感器 ( c m os p a s s i v e p i x e l s e n s o r ) 、c m os有源像素传感器( c m 0s a c t i v e p l x e ls e n s o r ) 和 以05 数字像素传感器( c 湘sd i g i t a 1p i x e ls e n s o r ) 。在此基础 上又问世了c m os视觉传感器、 c m os应力传感器、 对数极性c m os图像传感器、 伽体 视网膜传感器等。 cmos 图像传感器有多种读出模式， 整个阵列逐行扫描读出是一种 普通的读出模式，与c c d 读出方式类似。窗口读出模式是一种针对窗口内像素信息 进行局部读出的模式， 提高了 读出效率。 跳跃式读出 模式就如同s u ner c cd一样以 降低分辨率为代价， 提高读出效率，采用每隔一个或多个像素读出的模式。 c 3 d( c m o sc o l o rc a p t i v e d e v i c e )是一 代半导体成像技术， 它不仅提高t 像 素设计技术， 也改进了生产工艺。 采用o25p m c m os工艺生产的这种c m os图像传 感器，可以 在保全性能的前提下增加晶体管的数量和填充系数，除了增加像素设计 的选择方案之外， 还可以实现更加复杂的功能和更低的功耗，而且该传感器在速度 方面也有很大的优势。 c 3d 的核心技术对上 述cm0s 图像传感器所存在的固体图像噪 声、 像素之间的串 扰以及暗电流等缺陷有所改善， 而且它还降低了对支持芯片的依 赖程度。 1 ， 2 . z ccd 与c m o s 图 像传感器的特性比 较 ccd 传感器和c m 0s传感器都是上世纪70年代开始研制，但由于ccd 传感器灵 硕士论文雪崩型光电二极管阵列器件的设计与 分析 敏度高、噪声低而成为图像传感器的主流。互补金属氧化物 ( c m o s )图像传感器由 于工艺上的原因， 一直没摆脱光照灵敏度低、噪声大和图像分辨率低等缺点而得不 到 重 视 和 发 展 15. 61 。 ccd图像传感器中，入射光产生的信号电荷不经过放大，直接利用c cd 具有的 转移功能运送到输出电路， 在输出电路首次放大信号电压输出。 c 林 05 图像传感器的 像素将光电转换的信号电荷放大，然后各个像素利用 xy 地址方式进行选择，取出 信号电压或电流。c cd 图像传感器直接传达信号电荷，因此容易受到漏光噪声的影 响， c m o s 图像传感器则在像素内放大信号电荷， 所以不易在信号传达路径中受到噪 声的影响。此外，由于各像素的信号利用选择的方式取出，取出信号顺序易改变， 具有较高的扫描自由度。 c c d图像传感器的像素构造，从功能上来看，是由进行光电转换、存储信号电 荷的光电二极管，将信号电荷送至垂直c cd 的读出栅极和转移信号电荷的垂直c cd 构成。 cmos 图像传感器的像素是由光电二极管与接受放大、 选择与复位的m os 晶体 管等元件构成。 c m o s 和c c d 使用相同的感光元件， 具有相同的 灵敏度和光谱特性。 它们之间的 不同之处在于: 1) 图像数据扫描方法不同 如果分辨率为3 00万个像素， 那么c cd传感器可连续扫描300 万个电荷，扫描 的方法非常简单， 并且只有在最后一个数据扫描完成之后才能将信号放大。 c m os 传 感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器， 因此， c 杭 05传感器可以 在每个像素基础上进行信号放大，采用这种方法可节省任何无效的传输操作，所以 只需少量能量消耗就可以进行快速数据扫描，同时噪音也有所降低。 2) 光电 转换后的信息读取方式不同 c c d存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位的实施转移后读取，电荷 信息转移和读取需要有时钟控制电路整个电路较为复杂， 耗电量较大; c m os图像传 感器则以 类似 d 以m的方式读出信号，电 路简单，且只需使用一个电 源， 耗电量非 常小， 仅为ccd 电荷祸合器件的十分之一， c m os图像传感器在节能方面具有很大优 势。 3) 信号读取方式不同 c m o s 光电 传感器经光电转换后直接产生电流( 或电 压) 信号， 信号读取十分简单. cco电荷祸合器仅能输出模拟电信号，输出的电信号还需经后续地址译码器、模数 转化器、图像信号处理器处理，集成度非常低。 4) 集成度不同 时钟驱动、 逻辑时序和信号处理等其他辅助功能难以与ccd 集成到一块芯片上， 硕士论文雪崩型光电二极管阵列器件的设计与分析 这些功能可由3 一 8 个芯片组合实现，同时还需要一个多通道非标准供电电压来满足 特殊时钟驱动的需要， 为了获得信号的完整性， 在像元间信号需要进行完美的转移， 随着阵列尺寸的增加， 电荷转移要求更加严格准确; 借助大规模集成制造工艺， c m 0s 图像传感器能很容易地把上述功能集成到单一芯片上。 5) 图像信息能否局部读取 c c d图像传感器图像信息不能随机读取，而这种随机读取对很多应用是不可少 的; c m o s 图 像传感器可对局部像素图 像编程随机访问。 6) 噪声水平和成像质量不同 ccd 电荷藕合器件制作技术起步早， 采用pn结或二氧化硅隔层隔离噪声; c m os 通过采用新工艺和改善相关双采样电路， 独有的传感器技术能有效降低固定模式噪 声( f p n)，减小暗电流。随着c m 0s 电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的 c m os 图像传感器提供了良好的条件。cmos 有源像素传感器( a ps ) 技术提高了信噪 比和影像效率，在成像质量上非常接近c c d的水平。 1 ， 3基于标准bic m o s 技术的a pd图像传感器 在低光照射情况下， 固体图像传感器的晶体管存在着噪声， 为了克服这个问题， 可以利用雪崩效应产生大量电子一 空穴对来提高固体图像传感器的探测率，即雪崩 光电二极管图像传感器。 20世纪90年代， c m os图 像传感器成为c cd图 像传感器的有力竞争对手。 今天， c m os图像传感器的性能已经和ccd 图像传感器相当，但是由于工业上标准的工艺， 其价格较低。另外， 在该工艺中，数字和模拟电路位于同一个芯片上， 可以减小像 素尺寸。然而，在灵敏度方便 c m o s图像传感器并未取得重大进展，对于任何图像 传感器，噪声极限都是光子流的量子噪声。 在低光照射下，实际图像传感器的灵敏度并不是受入射光的泊松噪声影响，而 是受到探测器电 子电路和读出 装置的影响15。降 低电 子学方面的噪声， 可以 通过降 温，减慢读出速度， 减小转换电容等。还可以在探测器中增加光电转换放大器，通 过增加光生电荷来降低噪声1101， 这可以 通过雪崩倍增效应来增加探测器内部的光生 电荷。 硅雪崩光电二极管在商业上也已经应用了20多年， 但是基于c m 0s工艺的硅雪 崩光电二极管单片集成电路并没有大规模的开发研制。目前，国内还未检测到有关 雪崩光电二极管阵列图像传感器方面的论文;瑞士联邦技术学院电子学实验室的 a l i c e b i b e r 和p e t e r s e i t z e 等人， 采用1 . 2 娜 标准b i c m o s 工艺 研制成 功了 雪崩 光电二极管图像传感器i， b，9 】 (ap d i s)， 每个像素由雪崩光电二极管 ( a p d)、高压稳 定电 路和图像读出电子部件组成。与常规c m os有源像素传感器 (c朋5 一 a p d) 比较， 集成a pd像素现存的反馈电阻将由反馈电容代替，增益为 1 和 巧 时，a pd 的噪声 硕 于 论文 雪崩型光电二极管阵列器件的设计与 分析 ( 偏 pd) 分 别 为3. 2 、 10 书 矛/ hz 和144 x l0 一 27 矛/ hz 。 每个 球 形结构的a pd的 外部 直径为 48洲 ，像素数为12x 2 4 ，芯片尺寸为2. 4 o x 2. 4 。 ，总的像素尺寸为 巧 4 娜 x71 ，5 娜 。 用该 器件己 经组装成功了 首台a pd摄像机， 拍摄出了 清晰的黑白 图像。 1 . 4本文的主要工作与内容 本文主要研究了这种基于bicmos技术的a pd图像传感器，主要工作如下: 1)研究apd的主要特性和工作模式，主要对 a pd pn 结的击穿特性做了分析与 研究，分析pn结雪崩击穿的条件和影响雪崩击穿电压的因素。 2)研究光电器件的噪声特性， 建立了一般光电二极管和雪崩光电二极管的噪声 模型，分析a pd的噪声特性和探测率， 分析在信噪比和探测率方面，雪崩光电二极 管较一般光电二极管的优越之处。 3)利用数值计算原理分析半导体器件内部静电势和载流子浓度分布。 本文利用 有限差分法在一定的边界条件下求解稳态条件下半导体器件的基本方程一泊松方 程和载流子连续方程;编写了该算法的c语言 程序，得到pn 结一维静电势和载流 子浓度分布以及二维静电势分布。 4)总结本文工作以及获得的结果。 硕士论文 雪崩型光电二极管阵列器件的设计与分析 z a p d 探测器特性研究 一般光电二极管的灵敏度不够高，大约在每l ooo lx照射下，只输出几微安光 电 流， 雪崩光电二极管 (ap d) 利用高反向 偏压下耗尽层产生载流子的 雪崩倍增效 应而获得很高的光电流增益， 其增益可以达到102 一 1 少， 因此， 雪崩光电二极管灵 敏度很高且响应速度很快。 普通的硅光电二极管和p in光电二极管是没有内部增益 的光伏探测器，而具有内部增益的光电二极管适用于探测弱光信号。 2 . 1描述a pd的 几个特性参数 雪崩光电二极管在发生雪崩倍增的高反向偏压下工作， 雪崩倍增造成内部电流增 益。 雪崩光电二极管的量子效率和响应度类似于非雪崩光电二极管， 此外， 我们还必 须考虑其噪声性质， 雪崩增益等其他方面的 特性11 一 ， ” 。 2 . 1 . 1 量子效率和响应度 光子能量大于禁带宽度的光照射到雪崩光电二极管上， 被半导体吸收， 每一个被 吸收的光子产生一个电子一 空穴对。在耗尽区内光激发产生的载流子被电场分开并被 收集， 从而在外电路负载中产生电流。 用量子效率来表征每个入射光子在半导体内部 产生电子一空穴对的数目，定义为: 产生的电子一 空穴对数 入射光子数 二i p / q 探 /hv ( 2 . 1 ) 式 中 ， 几 一 吸 收 在 入 射 波 长兄 处 的 入 射 光 功 率 探所 得 到 的 光 生 电 流 。 另一种较好的表示方法是响应度，定义为光电流与光功率之比: r = 立 _ 丝_ 探h 尹 琳( 产 洲) 12 4 ( 2 . 2 ) 因此当量子效率给定时，响应度随波长线性增加。 决定量子效率的关键因素之一是吸收系数。 吸收系数与波长有强烈的关系， 对 于给定的半导体，能够产生可观光电流的波段受到限制。 响应速度受三种因素综合作用的限制: 载流子的扩散， 载流子在耗尽层内的漂 移时间和耗尽层的电容。 在耗尽层外面产生的载流子必须扩散到结区， 造成很长的 延迟。 为使扩散效应减至最小， pn结应紧靠表面形成。当耗尽区足够宽时， 大部分 光将被吸收， 加足够的反向偏压时， 载流子将以饱和速度漂移。 然而耗尽区不应该 太宽， 否则渡越时间效应将限制频率响应。耗尽层也不能太薄， 否则过分大的电容 c 将产生很大的rc时间常数， 此处r 为负载电阻，因此要折中选取耗尽层厚度。 2 _ 1 . 2 暗电流 没有光照时， 探测器内部由于热电子发射等原因也会产生自 由 载流子一电 子和空 6 硕 七 论文雪崩型光电二极管阵列器件的设计 j 分析 穴， 它们在电场的作用下也会形成电流， 这种无光照时产生的电流称为暗电流。 暗电 流作为噪声，对光探测是不利的，应尽量减小. 雪崩光电二极管的暗电流可以分为两部分: 本体暗电流和表面漏电流。 本体暗电 流是由雪崩光电二极管pn结中热生载流子引起的; 表面漏电流则同表面缺陷， 清洁度， 偏置电压大小，表面面积等参数有关。雪崩光电二极管中，热生载流子同样受到pn 结处高电场的加速， 因而也发生倍增。 表面漏电流并没有经过雪崩倍增区，因而表面 漏电流与倍增无关， 可以 采用保护环结构使其分流从而有效地减小表面暗电流。 雪崩 光电二极管中的暗电流主要来自 表面漏电流， 因而， 在许多特定情况下， 信号电流发 生倍增， 而暗电流的主要部分并没有倍增， 有效地提高了信噪比， 这也是雪崩光电二 极管优于普通光电二极管之处. 2 ， 1 ， 3 雪崩倍增因子 雪崩光电二极管的电流增益用倍增系数或雪崩增益m表示，其定义为 ( 23 ) 式中，1 * 一无雪崩倍 增时pn结的 反向电 流; 1 ， 一有雪崩倍增时的 反向电 流。 倍增系数与pn结上所加的反向偏压、 pn结的材料和结构有关。实验发现，在外 加电 压u 略低于击穿电 压u ， 时， 也会发生雪崩 倍增现象， 只是倍 增系数稍小。 倍增 系数m随外加偏压u的变化可以用下面经验公式近似表示: ( 2 . 4 ) 式中，n是与pn 结的材料和结构有关的常数，对于硅器件，” = 1 8 一 4 ， 对于锗器件 n = 2 名一 8 。由 上式可以 看出， 当外加电 压u增加接近认时， ” 将随之迅速增大，而 当u= u 。 时， m 一co， 此时pn结发生击穿。 ijb0 图2 . 1倍增系数与外加电压关系曲线 硕 1 丁 论文嘴州型光电_极管阵列器件的设 计与 分析 2 . 1 . 4 噪声特性 雪崩光电二极管除了热噪声和散粒噪声以外，还有因雪崩过程引入的附加噪 声。由于雪崩过程是大量载流子电离过程的累加，这本身就是一个随机过程，必然 带来附加的噪声，由雪崩过程引起的散粒噪声为: 万 漏一 z q im 好= 2 。 ( ， 。 + ， ， ) 材 丫 ( 2 ， 5 ) 式中，n为与雪崩光电二极管材料有关的系数。对于锗管，n=3 ;对于硅管， n = 2. 3 一 2 .8 。 上式又可以改写成: 1 漏= 2 。 ( ， 。 * ， 。 ) 材 f ( 材 ) 军 ( 2 . 6 ) 式中， f m ， 一 m 【， 一 ， 一 青 )(午)2 ( 2 . 7 ) 这里f 称为过量噪声因子， 通常也称为噪声系数。 k 是电子与空穴电离率之比， 与所用的材料有关11 。 对于硅材料k 约等于80， 锗材料k 约等于1 ， 这里表明采用 硅材料制作的雪崩光电二极管其噪声性能优于锗。 考虑到负载电阻的热噪声，雪崩光电二极管的总噪声电流均方值为: 万 二 二 : q ( ， 。 、 ， 。 )、 ， ; (、 )丫 十 兰 掣 找 ( 28 ) 2 . 1 . 5 温度特性 当a p d 的温度升高时，由热激发产生的载流子数目 也将增加，这部分载流子同 样将获得雪崩增益，但这些载流子将消耗很大一部分场强，使得 pn 结上的场强显 著降低， 从而使得a 即的增益降低; 反之， 当a pd的温度降低时， 其增益将增加1141。 阻挡层为1 0 0 卜 m的硅雪崩光电二极管m 一 t 一 v 的关系曲线如图2 . 2所示。 一 2002 04 06 0 芝3 0 3仁一 - - - 一一- . 一- 一 - - 一 一 一 j 1 0 02 00 0 04 叻 v 以 钓 图2 . 2 雪崩光电二极管m 一 t 一 u 的关系曲线 温度对雪崩光电二极管增益的影响主要是改变了 pn 结阻挡层的宽度，当温度 硕十论文再州型光电二极管阵列器件的设计与分析 升高时， 阻挡层宽度变窄，载流子电离碰撞的次数减少，使得雪崩增益m 降低:换 句话说，温度升高则雪崩击穿电压也相应加大。 由图2 . 2 我们可以看出，当电压达到一定值时，电流得到倍增。电压达到击穿 电压时，电流急剧上升，倍增因子m 是随着温度而变化的，不同的温度下有不同的 关系曲线。 倍增因子m 随温度而变化，随工作电压增加而增加。当a pd的工作电压 低于雪崩击穿电压时， a pd 的输出噪声很小，当工作电压接近或超过雪崩击穿电压 时，输出噪声将急剧增大。 2 . zg m es a p d 的特性参数 apd 有两种工作模式1151: 一是线性工作模式; 二是盖革模式。 在线性工作模式下， 加在a pd两端的电压低于雪崩击穿电压，此时引起的雪崩电流与入射光子的流量成正 比。 然而， 当加在a pd两端的电压高于雪崩击穿电压时， a pd将会产生自身持续的电流， 此时， a pd工作于盖革模式.对工作于盖革模式下的雪崩光电二极管，主要的特性参 数包括11 5 一 ， 71 :暗电流计数率，光子探测率，最佳工作温度和时延等。当反向偏置电 压增加时，光子探测率增加，然而却妨碍了暗电流计数率。图2 . 3 示出了在温度 t=20 c， 感光直径r = 10p m，雪崩击穿电 压为2 5v时的a pd暗电流计数率与反向 偏压 的关系。 暗计数 ( 1 / 5 ) 11一1 i a. 口 论畚文 _r， 一 _ ! l _.1 犷， 一， - 一- -. . 一，户. ，- . . - 二 _口 口。 加 口 。 。 “ 口1 一 . . 一. 一一一 一 ! 一 。 a ! 。 dl p 1- 一-一 一口 u aa 过反偏电压 ( v) 图2 . 3暗计数率与过反向偏置电压的关系 表21 给出了不同的反向偏置电压所对应的暗电流计数率，由下表我们可以看出 当 a p d 暗电流计数率随着感光直径的增加而增加， 正是这个因素把a pd的感光直径限定 在了一个很小的范围内115 1 。 硕 卜 论文雪崩型光电二极管阵列器件的设计与分析 表21 不同反向偏压 卜 a pd的暗电计数率 直径声 州吮( 高于 击穿电 压巧 %)吃( 高 于 击穿电 压 1 5 % )吃( 高 于 击 穿电 压 巧 0/0) 1 077 31 8 7 l 51 ll 74 6 2 05 43 6 61 4 0 2 洲一 apd 的暗电 流计数率随着温度升高而指数衰减， 直径20卜 m，雪崩击穿电 压 认= 30 v ， 过反向 偏 置电 压吃= 10 v 时 ， 暗 计 数 率与 温 度的 关 系如图 2 . 4 所示: 暗计数 (1 / 5 口 ! 。 一 。 胡ad口 i 一 一 一 一1 口 厂- - 一 - 一 1口。 1 _; _旦 _ _ 石 ， 万 一 门 ! l l 刁一 ， ， 一 门 。 ! ! 于一，一一一一 叫 l l l 1 _ _ _ _ _ _ ! 一 l _ i l 一_ _ _ _ ! 1一 1 万 一 - - - 一 l 沮度 图2 . 4暗电流计数率与温度的关系 光子探测率由下式可以计算得到: 几=( xaw (筛，一 % )pr “ (xm (六，一 纵 )标 ( 2 . 9 ) 其 中 ， 凡 ， 场 ， ， 刀 冰 沼 ， 彻 分 别 是 待 测 a pd 的 光 子 探 测 率 ， 计 数 率 ， 死 时 间 ， 暗 计 数 ， 感 光 面 积 ; 乍， 乍， 丐， 今分 别 是 标 准 a pd 的 光 子 探 测 率 ， 计 数 率 ， 死 时间，暗计数，感光面积。 图 2 . 5 是感光直径为15娜 的 g m 一 a pd的 光子探测率曲 线，我们看出 在6 5 0nm 波段处 硕 1 : 论文雪崩型光电 二极管阵列器件的设计与 分析 存在峰值. 光子计数 率 ( % ) 1， j 甘， !， ， 1， 1户 :，一 ， 1 ! 一 叭 、 、 侧 l i 二 一 ，月 ， 一 衬一 万 !一 厂 1 ! i r- ! ， ， ， 护. ， ， 。 孟 图2 . 5 ， 护、 了九， 犷 ， 护 波长 ( 他 ) 光子探测率与波长的关系 不同的反向偏置电压引起a pd的时延也不相同， 由图2 . 6 可以看出当过反向偏置电 压大于sv时时延现象非常明显，光子灵敏度受a pd感光直径的影响. 自相关函数 如 1 0 万iq， 气 _ ” 、 、 于 一 万 一洲 一 一 盯 l !一 卜一 嘴v “ 二 1 4 v 奋一刁 v 二 1 0 v ! ， 一， 气二 s v 匕_ _ ._ 介 又 k_ ，_ _ . _ _ 】 一 一 l 一，一一 0 取1 己 ， 一。la ，1 加l a ，之 加， r 时孤 ( : ) 硕 l 论文雪崩型光电二极管阵列 器件的设计与分析 幻 自相关函数 一一1 一口 一， 、 1 ! _ ” ! l一_ 一川 、! 1; 一气1 、 一 一，_ !一 ， 一 ， 即 m o 汕ar d e v 比 . 卜 一，、 m 。 ，漏 蕊 一 一 ” 即 m “ 卿 ，“ ” “ ! ! ! 气 、l 一、 吸 一、1 、 二、 1 一 _ l l 哎 b 奋 一奋一，入 月 一_ 。_， _.1 l i 卜 一 。 一 _ 一毋_ 草 苏不 弓 母 产 一 州: _ _一 一一_ r， 下， 尸 卜 r 户. .， ， 舀 刁曰 ， j r司.一 一 口 5 声 1 0 一， 伪思 rs ，少 时延 ( 5 ) ( b ) 图2 . 6( a)不同 偏压下时延图， ( b)不同感光直径下时延图 2 . 3pn结的击穿 由pn结的电流一 电压特性可知: 在加反向偏压时， 正向电流随电压指数 l 升， 开 始时反向电流随电压增大而略有增长， 随后就与反向偏压无关而保持很小的数值， 这 就是反向 饱和电 流。然而在实际的反向pn结中，反向电流随着反向电压的增大而略 有增长。当反向 偏压增大到某一数值时，反向电 流骤然变大，这种现象称为pn 结的 击穿阴，如图2 . 7 所示: 图2 . 7 p n 结的 击穿 在 pn 结击穿现象中，电 流增大的 根本原因不是由 于载流子迁移率的增加，而 是由 于数目的增加。目 前为止，己 经提出了三种击穿机理四: 热击穿， 隧道击穿和 雪崩击穿。 硕 十 论文雪崩型光电二极管阵列器件的设计与分析 2 . 3 . 1 热击穿 当加在 pn 结上的反向电压增大时，反向电流引起的热损耗也增大。如果这些 热量不能及时传递出去， 将引起结温上升，而结温上升又导致反向电流和热损耗的 增加。若没有采取有效措施，就会形成恶性循环，直到 pn 结烧毁。这种由热不稳 定性引起的击穿称为热击穿。用禁带宽度小的半导体材料制成的 pn 结，其反向电 流大，容易发生热击穿， 但在散热较好、温度较低时与其他机构相比，热不稳定性 变得不太重要了。 2 . 3 . 2 隧道击穿 隧道击穿是在强电场作用下，由于隧道效应 (p 区价带中的电子有一定的几率 直接穿透禁带达到 n区导带中的) ，使大量电子从价带进到导带所引起的一种击穿 现象，最初由齐纳用这种现象解释电解质的击穿，故而又称作齐纳击穿。 图2 . 8 是pn结加反向偏压时的能带图，当pn结加反向偏压时，势垒升高，能 带发生弯曲， 势垒区导带和价带的水平距离d 随着反向偏压的增加而变窄。 能带的 弯曲是空间电荷区存在电场的缘故， 这个电场使得电子有一附加的静电势能。 价带 中a 点的电子能量和b 点相等，中间有宽度为d 的禁带区域，根据量子力学，价带 中a 点的电子将有一定几率穿透禁带， 而进入导带的b 点，穿透几率随着d 的减少 按指数规律增加，这就是隧道效应。外加反向偏压越大，水平距离d 越小，电场就 越强，能带弯曲越大，穿透几率就越大。 图28隧道击穿示意图 对于 高 度为eo ， 厚 度为w 的 一维方形势垒， 量子力学穿 透几率不 为: : = 。 十 遇 兰 些 一鱼 丝 1 1一， 4 e ( eo一 e ) - ( 2 . 1 0 ) 以及 k兰 z m ( eo一 e ) h 2 ( 2 . 1 1 ) 式中，e 为载流子能量。 硕士论文雪崩型光电 二极管阵列器件的设计与分析 穿透几率随e的减少而单调减少，当k 牙之 1 ，穿透几率变为 不“1 6 e ( e o一 习 心 一 e x p ( 一k 平) ( 2 . 1 2 ) 隧道电流密度为: 扳 奋 公 3 eu4 扳 万e 护、 j ， =一 一 一 二 一二 一二 二 : 尸 e x 以一 ， 收 h 弓 一 3 q 动 ( 2 . 1 3 ) 式 中 ， 为 结 电 场， 凡为 带 隙 ， u 外 电 压 ， 解 为 有 效 质 量。 2 . 3 . 3 雪崩击穿 在加反向偏压时，流过pn 结的反向电 流主要由p 区扩散到空间电荷区的电子 电流和n 区扩散到空间电荷区的空穴电流组成。当所加反向偏电压很大时，在空间 电荷区的电子和空穴，由于受到强电场的作用而获得很大动能，它们与空间电荷区 内晶格原子发生碰撞，把价带上的电子碰撞出来，成为导带电子，同时产生一个空 穴。产生的电子和空穴在强电场作用下，向相反的方向运动，还会继续与晶格原护 碰撞，产生新的电子一 空穴对。如此继续下去，载流子就继续增加，这种产生载流 子的方式称为载流子的倍增。当外加反向偏压增加到某一数值后， 载流子的倍增如 同雪崩现象一样， 载流子数迅速增多， 使反向电 流急剧增加，从而发生p n 结击穿， 称为雪崩击穿。雪崩击穿机理和雪崩击穿能带分别如图2 . 9 和图2 . 10所示。 认 一 瓦 易 阅 乌 2 峪 n!we二 、明一 司 ， 之 卜 反 叹 图29 雪崩击穿机理图210雪崩击穿能带图 2 . 3 . 3 . 1雪崩击穿机理 雪崩击穿是由 碰撞电离的倍增效应引起的， 究竟碰撞到什么程度就发生雪崩击 穿呢，在分析雪崩击穿之前，先分析两个物理量1191一有效电离率和雪崩倍增因子。 1) 有效电离率 高速运动的电子和空穴与半导体晶格原子碰撞，产生电子一 空穴对的现象称为 碰撞电离。一个载流子在电场作用下，漂移单位距离时，碰撞电离产生的电子一 空 穴对的数目 用电离率表示，电离率是表示碰撞电离能力的物理量。碰撞电离能力与 电场强度e 有关，因此，电离率也就与电 场强度有关。为了简化雪崩击穿电压的计 算 ， 忽 略 电 子 与 空 穴 电 离 率 的 差 别 ， 均 采 用 有 效 电 离 率%来 近 似。 与与e 的 关 系 硕_ l 论文雪崩型光电二极管阵列器件的设计与分析 表示为: 与 = 叼 e 月( 2 . 1 4 ) 式 中 ， ， 和n 为常 数。 对 于 锗p n 结， 与 二 6 2 5 x l 尹e ， ， 即 = 6 .2 5 x l 0 书 ， n = 7 : 对 于 硅p n 结 ， 与 = 8 4 5 x l 0 确 e ， ( e 、3 n i， i c m 一 ， 2 ， 3 . 3 . 3 图2 . 11 突变结雪崩击穿电压与杂质浓度的关系 影响雪崩击穿电压的因素 雪崩击穿电压受多方面因素的影响11 ，12l， 主要有杂质浓度、 外延层厚度、 扩散结 的结深和半导体表面状态等. 1) 杂质浓度对击穿电压的影响 如 果 衬 底 杂 质 浓 度n 。 低 或 杂 质 浓 度 梯 度马小 ， 则pn结 的 雪 崩 击穿 电 压 就 高 。 因 为 戈低( 或 气小 ) 意 味 着 在 同 样 的 外 加 反 向 偏 压 下 ， 空 间 电 荷 宽 度x. 较 宽 ， 最 大 电 场强 度氏 较 低， 因 而 达 到 临 界电 场e ， ， 所需 加 的 电 压 就高， 如图2 . 12所 示。 因 此 要 得 到 耐 高 压 的pn结， 可 采 用 低 掺 杂 的 高 阻 抗 材 料 做 衬 底， 或 通过 深 扩 散以 减 小a，。 朋个浅 呱 、 高 m 、 低 心心 图2 . 12 不同 衬底杂质浓度对p n 结电场分布的影响 半导体外延层厚度对雪崩击穿电压的影响 为了 保证 pn结有较高的 击穿电压， 实际的pn结有一侧掺杂较低，电阻率较高。 l 8 硕 l 论文雪崩型光电二极管阵列器件的设计与分析 高电阻率侧的厚度是有一定限制的， 这对 即 结的击穿电 压有直接的影响。pn 结的 空间电荷区的宽度是随着反向电压的升高而增大， 如果在 刚 结击穿以前， 空间电荷 区已经扩展并穿透电阻率较高的半导体层，则击穿电压显然受到影响。 以 p 干 n 浑 十 结构进行讨论， 设低掺杂的 n区 ( 通常为外延层)的宽度为 w，如 果甲 x ( x . ， 代 表 pn 结击穿 时 的 空间电 荷区宽 度) ， 则 在 pn 结 发 生 击穿时， 空间电荷区还未扩展到 n十 区，如图2 . 13所示。在这种情况下，击穿电压由n 区的 电阻率决定。 如果n 型 外延层比 较薄， 即 有附 x ms的 单 边突 变 结 击穿 时电 场分 布示 意图 卜 - 一“ .一叫 f )“万 图2 . 14甲 戈 单 边 突 变 结 击 穿 时电 场 分 布 示 意 图 比 较 在 相同的 反向 偏 压下， 两 个n 区 掺 杂 浓 度相同 但 厚 度不同( 一 个砰 尤 加 j ) 的p+nn+ 结构的电 场分布 ( 图2 . 15和图2 . 1 6)， 可以 看出 ， 对于 平么 r 初的 情况， 电 场 强 度 较大. 所以牙 尤