Was sind Avalanche-Dioden?
Avalanche-Dioden sind Halbleiterbauelemente, die den Avalanche-Multiplikationseffekt und den Ladungsträgerlaufzeiteffekt in den PN-Übergängen nutzen, um Mikrowellenschwingungen zu erzeugen. Wenn eine große Sperrspannung an die Diode angelegt wird, weitet sich der Raumladungsbereich vom N+P-Übergang zum IP+-Übergang aus. Wenn die Intensität des elektrischen Feldes in einem kleinen Bereich in der Nähe des N+P-Übergangs das elektrische Durchbruchsfeld übersteigt, wird dieses Phänomen als Lawinendurchbruch bezeichnet, und der Bereich, in dem er auftritt, ist die Lawinenregion.
Was ist eine AVALANCHEN-DIODE?
Katalog
I Arbeitsprinzip von Lawinendioden
II Oszillationsmodi von Lawinendioden
III Erzeugungsprozess von Mikrowellenschwingungen
IV Avalanche-Photonen-Diode (APD) 1. Arbeitsprinzip der APD
2. Merkmale von Avalanche-Photonen-Dioden
3. Gängige Materialien von APD
4. Faktoren, die den Avalanche-Effekt beeinflussen
I Arbeitsprinzip von Avalanche-Dioden
In einem PN-Übergang mit geringer Materialdotierung nimmt das elektrische Feld im Raumladungsbereich zu, wenn die Sperrspannung des PN-Übergangs steigt. Auf diese Weise steigt die Energie der Elektronen und Löcher, die den Raumladungsbereich durchqueren, unter der Wirkung des elektrischen Feldes. Die sich im Kristall bewegenden Elektronen und Löcher stoßen ständig mit den Atomen zusammen, und wenn die Energie der Elektronen und Löcher groß genug ist, können die Elektronen in der kovalenten Bindung zur Bildung eines freien Elektronen-Loch-Paares angeregt werden. Die neu entstandenen Elektronen und Löcher bewegen sich auch in die entgegengesetzte Richtung, gewinnen Energie zurück und erzeugen durch Zusammenstöße Elektron-Loch-Paare. Dies ist der Multiplikationseffekt der Ladungsträger.
Lawinendurchbruch-Phänomen
Wenn die Sperrspannung auf einen bestimmten Wert ansteigt, verhält sich die Vervielfältigungssituation wie eine Lawine auf einem steilen, schneebedeckten Berg. Die Ladungsträger vermehren sich sehr viel schneller und der Sperrstrom steigt stark an, und es kommt zum Lawinendurchbruch im PN-Übergang. Diese Eigenschaft kann für die Herstellung von Dioden mit hoher Sperrspannung genutzt werden.
II. Oszillationsarten von Avalanche-Dioden
Die Avalanche-Diode ist ein Bauelement mit negativem Widerstand, das eine hohe Ausgangsleistung und ein großes Rauschen aufweist. Das Rauschen entsteht hauptsächlich durch die unregelmäßige Erzeugung von Elektronen und Löchern während des Avalanche-Multiplikationsprozesses, was dem Schrotrauschen ähnlich ist.
Avalanche-Dioden können in verschiedenen Modi oszillieren, darunter der IMPATT-Modus (Impact Avalanche and Transit Time). Ihr grundlegendes Funktionsprinzip besteht darin, die Stoßionisation und die Laufzeiteffekte der Ladungsträger in den PN-Übergängen zu nutzen, um bei Mikrowellenfrequenzen einen negativen Widerstand zu erzeugen und dadurch Schwingungen zu erzeugen.
IMPATT-Dioden Schematische Darstellung
Ein weiterer wichtiger Betriebsmodus ist der TRAPATT-Modus (trapped plasma avalanche triggered transit time). Bei dieser Betriebsart wird eine Übererregungsspannung in der Schaltung erzeugt, um das Bauelement zu triggern, so dass der Barrierebereich der Diode mit Elektron-Loch-Plasma gefüllt wird, wodurch das interne elektrische Feld des Bauelements plötzlich abnimmt und das Plasma allmählich aus dem Barrierebereich herausdriftet. Dieser Modus arbeitet mit einer niedrigeren Frequenz, aber die Ausgangsleistung und der Wirkungsgrad sind viel größer.
Anordnung in der TRAPATT-Diode
Zusätzlich zu den beiden oben beschriebenen Hauptbetriebsarten können Avalanche-Dioden auch in harmonischen, parametrischen, statischen und thermischen Betriebsarten arbeiten.
III. Erzeugungsprozess von Mikrowellenschwingungen
Wird an die Sperrspannung der Diode eine Wechselspannung angelegt, ist das elektrische Feld im Avalanche-Bereich groß genug, um durch Stoßionisation eine große Anzahl von Elektron-Loch-Paaren im positiven Halbzyklus der Wechselspannung zu erzeugen. Die Elektronen werden durch das elektrische Feld schnell in den N+-Bereich geschleudert, während die Löcher mit einer bestimmten Geschwindigkeit in den Driftbereich gelangen. Mit zunehmender Wechselspannung steigt der in den Driftbereich eintretende Lawinenstrom rasch an. Wenn die Wechselspannung allmählich vom Maximalwert abnimmt, steigt der Avalanche-Strom weiter an und erreicht einen Maximalwert, wenn die Wechselspannung auf Null reduziert wird. Dies liegt daran, dass die durch das Lawinenphänomen erzeugten Elektronen und Löcher nicht nur von der Intensität des elektrischen Feldes abhängen, sondern auch von der Anzahl der Ladungsträger, die miteinander kollidieren.
Ein Beispiel für einen eintreffenden Elektronenstoß, der ein neues Elektronen-Loch-Paar erzeugt
Selbst wenn die Wechselspannung unter den Maximalwert gesunken ist, wurde also bereits eine große Anzahl von Elektronen und Löchern erzeugt, die durch Kollisionen ständig neue Elektronen und Löcher erzeugen können. Infolgedessen nimmt die Anzahl der Elektronen und Löcher ständig zu, wenn das elektrische Feld größer als das elektrische Feld der Lawine ist. Erst wenn das elektrische Feld unter das elektrische Feld der Lawine sinkt, d. h. wenn die Wechselspannung in den negativen Halbzyklus eintritt, beginnt der Lawinenstrom zu sinken.
Auf diese Weise liegt der von der Lawine erzeugte Strom einen Viertelzyklus hinter der Wechselspannung zurück, d. h. er liegt in der Phase um 90 Grad zurück. Nachdem die Ladungsträger in den Driftbereich eingetreten sind, beginnt der Übergangsprozess. Während der Transitzeit tritt ein Strom im externen Stromkreis auf. Während der Lawinenstrom ansteigt, nimmt der induzierte Strom des externen Stromkreises weiter zu.
Da die von der Lawine erzeugten Löcher die Driftzone mit einer bestimmten Geschwindigkeit durchlaufen, erreicht der Induktionsstrom nicht den Maximalwert, wenn der Lawinenstrom den Maximalwert erreicht. Und nachdem der Lawinenstrom vom Maximalwert abgefallen ist, erhöhen die kontinuierlich driftenden Ladungsträger weiterhin den Induktionsstrom. Wenn der Avalanche-Strom auf einen bestimmten Wert sinkt, erreicht der induzierte Strom seinen Maximalwert und beginnt dann zu sinken. Daher hinkt der induzierte Strom dem Avalanche-Strom zeitlich hinterher.
Wird an den beiden Enden eines Widerstands eine Wechselspannung angelegt, fließt ein Wechselstrom durch den Widerstand. Die Wechselspannung und der Wechselstrom sind gleichphasig, d. h. die Spannung und der Strom steigen gleichzeitig an. Wenn die Spannung den Höchstwert erreicht, erreicht auch der Strom den Höchstwert, und wenn die Spannung Null ist, ist auch der Strom Null.
Bei Avalanche-Dioden sind die Phasen von Strom und Spannung jedoch entgegengesetzt, und das Strom-Spannungs-Verhältnis ist zu diesem Zeitpunkt genau das Gegenteil von dem des Widerstands. Wenn die Spannung steigt, sinkt der Strom. Dieses Phänomen wird als "negativer Widerstand" bezeichnet, ein Begriff, der die besondere Beziehung zwischen Strom und Spannung in einem Stromkreis erklären soll, aber nicht bedeutet, dass der Widerstand "negativ" ist. Der Strom, der durch den Widerstand fließt, verbraucht Energie, und der negative Widerstandseffekt kann die Energie wieder auffüllen, um den Schwingkreis aufrechtzuerhalten.
Spannungsgesteuerter negativer Widerstand
Stromgesteuerter negativer Widerstand
Avalanche-Dioden können eine hohe Mikrowellenleistung erzeugen, haben aber auch ein starkes Rauschen. Sie werden häufig als solide Mikrowellenleistungsquellen in Pumpquellen für lokale Oszillatoren und parametrische Verstärker verwendet.
IV Avalanche-Photonen-Dioden (APD)
Avalanche-Photonen-Dioden (APD) sind lichtempfindliche Elemente, die in der Laserkommunikation eingesetzt werden. Nachdem der PN-Übergang einer Photonendiode aus Silizium oder Germanium in Sperrrichtung vorgespannt wurde, wird das einfallende Licht vom P-N-Übergang absorbiert und ein Photostrom erzeugt. Erhöht man die Sperrvorspannung, so vervielfacht sich der Lichtstrom exponentiell, was als "Lawinenphänomen" bezeichnet wird.
1. Arbeitsprinzip der APD
Die Avalanche-Photonen-Diode ist eine Art optische Detektionsdiode mit p-n-Übergängen. Der Avalanche-Multiplikationseffekt der Ladungsträger wird zur Verstärkung des fotoelektrischen Signals genutzt, um die Nachweisempfindlichkeit zu verbessern. Ihre Grundstruktur entspricht häufig der Read-Diodenstruktur (N + PIP +, eine Seite von P + empfängt Licht), die dazu neigt, einen Avalanche-Multiplikationseffekt zu erzeugen. Eine große Sperrvorspannung kann dazu führen, dass der Zustand der Avalanche-Multiplikation erreicht wird. Der Lichtabsorptionsbereich (P-Bereich) ist derselbe wie der Lichtvervielfachungsbereich (I-Bereich).
Avalanche-Vervielfachung
Wenn an den PN-Übergang eine geeignete hohe Sperrspannung angelegt wird, erhalten die durch Licht erzeugten Ladungsträger in der Verarmungsschicht eine ausreichend hohe kinetische Energie, die durch das starke elektrische Feld beschleunigt wird. Diese Ladungsträger stoßen ständig zusammen und ionisieren, was zu einer Lawinenvervielfachung der Ladungsträger führt und den Stromgewinn bewirkt.
InGaAs (Indium-Gallium-Arsenid) / InP (Indium-Phosphor) APD ist ein idealer Photodetektor für langwellige (1,3 μn, 1,55 μm) optische Faserkommunikation. Die optimierte Struktur ist in der Abbildung dargestellt. Die lichtabsorbierende Schicht besteht aus InGaAs-Material, das einen hohen Absorptionskoeffizienten für das Licht von 1,3 μm und 1,55 μn hat. Um den Tunneldurchbruch des InGaAs-Homoübergangs vor dem Lawinendurchbruch zu vermeiden, wird der PN-Übergang in der InP-Fensterschicht hergestellt, um den Avalanche-Bereich vom Absorptionsbereich zu trennen. Da der Ionisierungskoeffizient von Löchern im InP-Material größer ist als der von Elektronen, wird im Avalanche-Bereich n-Typ-InP verwendet. Da es an der Heterogrenzfläche zwischen n-InP und n-InGaAs eine große Valenzbandbarriere gibt, kollabieren die durch Licht erzeugten Löcher leicht. Daher kann der InGaAsP-(Indium-Gallium-Arsen-Phosphor)-Übergangsbereich mit dem allmählich variierenden Band und der Lücke hinzugefügt werden, um eine SAGM-Struktur (Absorption, Klassifizierung und Multiplikation) zu bilden.
Schematisches Modell einer InGaAs-InP SAM APD
Bei der Herstellung von APDs ist es notwendig, einen Schutzring auf der Oberfläche des Bauelements anzubringen, um die Widerstandsfähigkeit gegen Rückwärtsspannung zu verbessern. Si wird häufig in APDs verwendet, um Licht unter 0,9 um zu erkennen, und Ge und InGaAs werden üblicherweise für langwelliges Licht über 1 um verwendet. Die Vervielfachung des Tunnelstroms führt jedoch zu einem größeren Schussrauschen. Auch wenn wir die Dotierung des p-Bereichs verringern könnten, um den Tunnelstrom zu reduzieren, würde dies die Lawinenspannung erhöhen. Es kann eine verbesserte Struktur namens SAM-APD verwendet werden. Für den Verdopplungsbereich wird ein Material mit einer breiten Bandlücke verwendet, um die Absorption von Licht zu vermeiden, und für den Lichtabsorptionsbereich wird ein Material mit einer schmalen Bandlücke verwendet. Hier wird ein Heteroübergang verwendet, bei dem die Dotierungsdichte des Verdopplungsbereichs reduziert werden kann, ohne den Lichtabsorptionsbereich zu beeinträchtigen, um den Tunnelstrom zu verringern. Wenn es sich um einen abrupten Heteroübergang handelt, führt ΔEv zur Ansammlung von durch Licht erzeugten Löchern, was die Reaktionsgeschwindigkeit des Bauelements beeinträchtigt. In diesem Fall kann eine langsam variierende Schicht in der Mitte des abrupten Heteroübergangs eingefügt werden, um die Wirkung von ΔEv zu verringern.
2. Merkmale von Avalanche-Photonen-Dioden
① Avalanche-Verstärkungskoeffizient (Multiplikationsfaktor) (M)
Für den Übergang mit plötzlicher Änderung,
wobei V die Sperrvorspannung und VB die Avalanche-Durchbruchsspannung ist. N hängt mit dem Material, der Struktur und der Wellenlänge des Bauelements zusammen und ist eine Konstante zwischen 1 und 3.
② Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt
Wenn die Verstärkung groß ist und die Frequenz hoch ist,
In der Gleichung ist ω die Kreisfrequenz, N eine Konstante, die sich langsam mit dem Verhältnis der Ionisationskoeffizienten ändert, W die Dicke des Verarmungsbereichs, Vs die Sättigungsgeschwindigkeit, αn und αp die Ionisationskoeffizienten der Elektronen bzw. Löcher. Das Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt ist ebenfalls konstant. Um ein hohes Produkt zu erhalten, sollte eine APD mit einem großen Vs, einem kleinen W und einem kleinen αn / αp, d.h. die Ionisationskoeffizienten der Elektronen und Löcher sollten einen großen Unterschied aufweisen, und Ladungsträger mit höheren Ionisationskoeffizienten sollten in den Avalanche-Bereich injiziert werden.
③ Überschuss-Rausch-Faktor(F)
Während des Multiplikationsprozesses steigt der Rauschstrom schneller an als der Signalstrom.
Dabei wird x als der Rauschüberschussindex bezeichnet. Avalanche-Photonendioden mit einem geeigneten M-Wert können das beste Signal-Rausch-Verhältnis erzielen und das System auf die höchste Empfindlichkeit bringen.
④ Temperatureigenschaften
Der Ionisationskoeffizient der Ladungsträger nimmt mit steigender Temperatur ab, wodurch der Multiplikationsfaktor der Durchbruchsspannung sinkt. Hier verwenden wir den Temperaturkoeffizienten der Durchbruchsspannung, um die Temperatureigenschaften der APD zu beschreiben:
In dieser Gleichung sind VB und VB0 die Durchbruchsspannungen bei einer Temperatur von T bzw. T0.
Während der Verwendung sollte die Temperatur des Arbeitspunktes kontrolliert werden, und es sollte ein gleichmäßiger P-N-Übergang hergestellt werden, um den Durchbruch der lokalen Übergangsflächen zu verhindern.
3. Gängige Materialien für APD
Theoretisch kann jedes Halbleitermaterial in der Verdopplungszone verwendet werden:
● Siliziummaterialien eignen sich für die Detektion im sichtbaren und nahen Infrarotbereich mit geringem Multiplikationsrauschen (Überschussrauschen).
● Germanium (Ge)-Materialien können infrarote Strahlen mit Wellenlängen von nicht mehr als 1,7µ m detektieren, jedoch mit hohem Multiplikationsrauschen.
● InGaAs-Materialien können Infrarotstrahlen mit Wellenlängen von mehr als 1,6µ m erkennen und das Multiplikationsrauschen ist geringer als das von Germanium-Materialien. Es wird im Allgemeinen im Multiplikatorbereich für Heterostrukturdioden verwendet und eignet sich auch für die optische Hochgeschwindigkeitskommunikation (10Gbit/s oder höher).
● GaN-Dioden können für die Ultraviolett-Detektion eingesetzt werden.
● HgCdTe-Dioden können infrarotes Licht mit einer Wellenlänge von bis zu 14µ m erkennen, müssen aber gekühlt werden, um den Dunkelstrom zu reduzieren. Mit diesem Diodentyp lässt sich ein sehr geringes Überschussrauschen erzielen.
Schematische Darstellung der HgCdTe-APD-Architektur.
4. Faktoren, die den Avalanche-Effekt beeinflussen
Wenn eine hohe Sperrvorspannung an die Diode angelegt wird, können die Ladungsträger, die sich in der Verarmungsschicht bewegen, aufgrund des Stoßionisationseffekts eine Lawinenvervielfachung erfahren. Dieses Phänomen wurde erstmals bei der Untersuchung des Durchbruchmechanismus in Sperrrichtung von Halbleiterdioden entdeckt. Wenn die Avalanche-Verstärkung der Ladungsträger sehr hoch ist, tritt die Diode in einen Avalanche-Durchbruchzustand ein. Solange das elektrische Feld in der Verarmungsschicht ausreicht, um eine Stoßionisation zu bewirken, haben die Ladungsträger, die die Verarmungsschicht passieren, einen bestimmten Avalanche-Multiplikationswert.
Der Stoßionisationseffekt kann auch die Avalanche-Vervielfachung von photogenerierten Ladungsträgern erzeugen, so dass die Halbleiter-Photodiode einen internen Photostromgewinn aufweist. 1953 berichteten K.G. McKay und K.B. McCafferty über die Fotostromvervielfachung von PN-Übergängen aus Germanium und Silizium, wenn sich das Bauelement dem Durchbruch nähert. 1955 wies S. L. Miller darauf hin, dass bei einem mutierten PN-Übergang die Beziehung zwischen dem Multiplikationsfaktor M und der Sperrvorspannung V näherungsweise durch die folgende empirische Formel ausgedrückt werden kann:
wobei VB die Body-Durchbruchsspannung und n ein Index ist, der mit den Materialeigenschaften und den Arten der injizierten Ladungsträger zusammenhängt. Wenn die angelegte Vorspannung sehr nahe an der Body-Durchbruchsspannung liegt, erhält die Diode eine sehr hohe Fotostromverstärkung. Der vorzeitige Durchbruch des PN-Übergangs in einem kleinen lokalen Bereich schränkt die Verwendung der Diode ein, so dass nur dann ein hoher durchschnittlicher Fotostromgewinn erzielt werden kann, wenn das Bauelement über die gesamte PN-Übergangsebene sehr gleichmäßig ist. Daher ist die Avalanche-Photon-Diode im Arbeitszustand eine hochgradig gleichförmige Halbleiter-Photon-Diode, die nahe am Avalanche-Durchbruch arbeitet (aber diesen noch nicht erreicht hat).
Die durchschnittliche Photostromverstärkung einer APD mit guter Leistung kann das Zehn-, Hundert- oder sogar noch mehrfache erreichen. Die Ionisierungsfähigkeiten von zwei Arten von Ladungsträgern in Halbleitern können unterschiedlich sein, so dass die Injektion von Ladungsträgern mit höheren Ionisierungsfähigkeiten in den Verarmungsbereich vorteilhaft ist, um unter den gleichen elektrischen Feldbedingungen höhere Avalanche-Multiplikatoren zu erzielen. Die Avalanche-Vervielfachung des Fotostroms ist jedoch nicht ideal. Da die Stoßionisation von Ladungsträgern ein Zufallsprozess ist, kann die von jedem Ladungsträger in der Verarmungsschicht erzielte Avalanche-Verstärkung eine große Wahrscheinlichkeitsverteilung aufweisen, so dass der Fotostrom I nach der Vervielfachung größere Schwankungen aufweist als der Fotostrom I0 vor der Vervielfachung, was zusätzliches Rauschen verursacht. Im Vergleich zum Vakuum-Photomultiplier ist diese Art von Fluktuation offensichtlicher, da beide Ladungsträger im Halbleiter die Fähigkeit zur Ionisierung besitzen.
Zusammenfassung
Dieses Mal haben wir das Funktionsprinzip, die Schwingungsarten und den Prozess von Avalanche-Dioden kennen gelernt. Außerdem wurde im letzten Kapitel ein weiterer typischer Typ一 von Avalanche-Photon-Dioden erklärt, der das Funktionsprinzip, die Eigenschaften und die Einflussfaktoren des Avalanche-Effekts umfasst. Ich hoffe, dass Sie alle nach der Lektüre dieses Artikels ein besseres Verständnis von Avalanche-Dioden haben werden!
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