Способ усиления электрического сигнала в полупроводниковом приборе

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЕВЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 90031 9/бб ОПИСАН ОБРЕТ ЬСТВУ ВТОРСИОМУС ибору ечиваюлых носиэффици- ящими щ и й нижения шумножения, ния помеща- пендикулярпряжениепри этом ма в НИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСВОДНИКОВОМ инного умножетолщиной У,ла ОСОБ УСИЛЕ А В ПОЛУПР бластью ла лей токают но повышвыполи с 2 2 аЧ (Ъ е ч аи 2, -Ь 1 ч 2( - Ц+е - ,соответственно,где А,В,а,Ь - конпол е Н заряд элект напряженнос ного поля;эффективные ки и электр на ты дл водни данного вого маь маги тер еН еНУ пюсешси ш массы дырна та. скорость све ем релаксаа носите и пуль ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(56) Н, О, Ьою, К. На 1 сцшо, Ь, 8, Тошавег.а 1 ЕЕЕ Зоцгпа 1 Яиапгпш Е 1 есйгоп 1 св 7 ЯЕ - 15, 1979, с, 549-568,К, М. Чап 711 е Сагг 1 ег шп 1 др 11- саг 1 оп апй почве 2.п ача 1 апсЬе Йеч 1 сев. ТесЬп 018 1 ЕЭМ, ИавЬ 1 пдгоп. О. С. ЭесешЬег, 1978, с, 298-30 1я с, ) нЮХ -:АИБНЫИОТЕЫА включающей приложение к прразности потенциалов Ц, обеспщей умножение легких и тяжетелей тока разного знака с коентами ионизациии р, зависот напряжения по закону Ы, р ==АВе --- отличаюе е ц 2 1 тем, что, с целью области лавинного ть лавинного умнож магнитное поле, пе лектрическому, а н ают на величину Зц яется соотношение990031 Изобретение относится к областиполупроводниковых приборов, а именно,к элементам полупроводниковой электроники, квантовой электроники и оптоэлектроники.Известен способ усиления электрического сигнала путем лавинного умножения носителей, который реализован в транзисторах и фотодиодах наоснове кремния, германия и полупроводников Аф В ф,Недостатком его является высокийуровень шума в области лавинного умножения.Наиболее близким по техническойсущности к заявляемому способу является способ усиления электрическогосигнала в полупроводниковом приборес областью лавинного умножения носи- р 0телей тока толщиной И, включающийприложение к прибору разности потенциалов Б, обеспечивающей умножениелегких и тяжелых носителей тока разного знака с коэффициентами ионизации 1 и р , зависящими от приложенного напряжения по закону 1, В ==А, В . е Ч или с,р =А,В е М,Коэффициент шума области лавинного усиления зависит от отношения коэффициентов ионизации носителей раэного знака и величины усиления (приложенного электрического поля). Отношение коэффициентов ионизации обусловлено энергетической структурой материала. Поэтому коэффициент шума ла винного прибора, изготовленного изконкретного полупроводникового материала, при данной величине усиленияне может быть меньше определенногозначения, что ограничивает важнейшие 15 характеристики такого прибора (в частности, пороговую чувствительность Фосигналтоприемника, отношение ---- лавин- шум Недостатком его также является вы- ЗО сокий уровень шума в области лавинного умножения. Принцип действия лавинного усиления сигнала заключается в следующем. Инжектированный носитель заряда в35 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 1-е -ы с+2 - + - -р 1-Е -и" +2 - + -Сущность изобретения. поясняется или соответственно,где А,В,а,Ь - константы для данногополупроводникового материала; ы=еН еНЫ = -- ; - время релакшсф е шесфсации импульса носителя; е - разрядэлектрона; Н - напряженность магнитного поля,е и ю - эффективныемассыодырки 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 П, .обеспечивающей умножение легких и тяжелых носителей тока разного знака с коэффициентами ионизацки Ы и р, зависящими от на-дЬУ пряжения по закону а,р =А,В е-с(ЪФили ,=А,В е, область лавинного умножения помещают в магнитное поле, перпендикулярное электрическому, а напряжение повышают на величину д Ц, при этом выполняется со- отношение чертежом, где: схема движения электронов и дырок в скрещенных электрическом и магнитном полях. У - толщинаучастка лавинного усиления. Среднестатический вектор скорости электронов Ое и дырок б , движущихся впротивоположных направлениях, в скрещенных полях будет отклоняться от на14для электронов отношение коэффициентов ионизации при наличии, магнитного поля и без него определяется из соот- ношения 99003 правления вектора электрического поля Е. Вследствие различия эффективных масс носителей заряда разного знака тяжелые и легкие носители будут соот 5 ветственно в меньшей или большей степени отклоняться от направления лервоначального движения при приложении магнитного поля. При эгом .температура газа легких но сителей Те будет уменьшаться из-за того, что по мере отклонения направ;. леиия 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 ния коэффициенты ионизации для электронов и дырок равны ааР (- еаОе 76 (410 Н) Ееие Аналогичным образом для дырок отноше-,ние коэффициентов иониэации 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 Ъ 10) коэффициент собственного шума области лавинного усиления в случае инжекции элек- тронов равен Ф 0,3 0(;ЕХР ()е 25 Ер е ) Т г)а, е 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 45(Е, Н) где и - Ларморова частота, 6 - врмя релаксации импульса,В качестве примера оценим эффект уменьшения коэффициентов ионизации электронов и дырок в магнитном поле для случая кремния (эффективные массы электРОнов и ДыРок шз = 0,97 ше, ш р = 48 ш ) при, .следующих параметрах Е = 2 100 В см-, Н = 10 ф Тс,10 "0 с, Значение Т(Е Ф О, Н = 0) возьмем иэ опубликованных в литерату ре экспериментальных данных, Тогда егде 0(= Аех.априН=ОЕт а(1 а ие 1 1= В ехр ехр при Н Ф О, В ехр т Е где 8 и В - соответственно пороговые энергии ионизацииэлектронов и дырок;Те и Т - температуры электронного и дырочного газа.Температуру 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 туры кристаллической решетки, выражение для температуры электронного газа в скрещенных полях можно записать в виде-(1- -)ехр )1 - /3,)1(3 ф (10) Поскольку левые части ур. (12) иПри НФО ехр В(- Р,) (- - " О е О Ъ(-+ - )-а(-+ - ) г,г ) П г;г(15) 1(1-а -- (-и, + - )1- Л(1-Й -- (-ц 1 + О-)(,аЧ г 1 дЦг еУ гг дУ 1 е 1 .1р+ О -(18) 5 О 59900 А,В,а,Ъ - константы для данного полупроводникового материала. Из соотношения (7) и (8) видно, чго при наложении магнитного поля восстановить прежнее значение М можно изменением электрического поля в области лавин ного умножения: если в отсутствие- магнитного поля электрическое поле равно Е, то при наличии магнитного поля оно равно Е+лК. Величину необходи, мого изменения рабочего напряжения ю 7=г(Е)( можно найти из условия равенства коэффициентов умножения;в отсутствие и при наличии магнитного поля. 15При Н=О1ехр (Ы-уъ)ЪД --где 11 - рабочее напряжение в отсутствие магнитного поля,Для ряда полупроводниковых мате- риалов В ряде случаев возможны и промежуточ 40ные случаи: В качестве примера оценим величинупри лавинном умножении в скрещенных магнитном и электрическом полях в 1 пР.В отсутствие магнитного поля коэффициенты умножения электро дов и дырок в 1 пР равны 6 Г 345 101 .(Ы =7,36.1 Ц ехр - дсм Вычитанием левых и правых частей соотношения (11) из соответствующихчастей соотношения (10) получим(19) и при Е=6 10 Всм ", У=0,34 мкм, полу"чим о=2,34 104 см , р =3,61"104 см ",М=100. Учитывая, что г (1 пР)=0,073 п хш( (ХпР)=0,56 т и полагая с "10 спрй наложении магнитного поля Н=2)(10 Гс коэффициент умножения становится равным 100 при Е;-6,7 10 В смт.к. АЕ х 0,1 Е и 61.1 0,1 П. Приэтом из (8) и (9) коэффициент шума вотсутствие магнитного поля У=0,647 М,а при наличии магнитного поля указанной выше величины Р, =0,241 М. Таким образом, коэффициент шума уменьшается примерно в 2,7 раза,7 99003 Относительное изменение удельноЛР го сопротивления - частей полупроР водникового прибора, расположенных вне области лавинного умножения,при наложении магнитного поля равноТ (со .)ь (20)10еНгде ы = - , ш - эффективная массал шсфосновного носителя (в зависимости от типа проводимости полупроводникового материала), Т - магниторезистивный коэффициент, зависящий от механизма рассеяния. Численное значение Т лежит в интервале от 0,38 до 2,15. Отсюда относительное изменение напряжения на областях полупроводникового20 прибора, не участвующих в лавинном умножении, составляет менее 103. По- Ф хред И.Попович Коррект ьняг Редакт жо 51 Тираж б 97 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.Заказ 44 одписное приятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4 вод ственно-поли гр афическо 1 8скольку основная часть напряженияприложена к области лавинного умножения, то изменением напряжения вобластях, в которых лавинное умноженке отсутствует, при наложениимагнитного поля можно пренебречь.Изобретение может быть распространено на широкий класс полупроводниковых приборов: лавинные фотодиоды, лавинные транзисторы и др., поскольку оно основано на фивическихявлениях, не зависящих от способаинжекции носителей,При сравнении с базовым способом,реализуемым в приборе ФД 115 Л наоснове 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.