Chapter 1

Работа лавинного МДП-фотоприемника в режиме регистрации
серий световых импульсов
Лавинные МДП-фотоприемники (ЛМДПФ), впервые описанные в работе /1/
и детально рассмотренные в работах /2 -4/, обладают целым рядом
уникальных параметров и характеристик. Это - сочетание высоких
коэффициентов усиления (103 -104) и пороговой чувствительности (на
уровне десятков фотонов), большие рабочие площади (до I см2), высокая
температурная стабильность, простая и хорошо воспроизводимая
технология, позволяющая реализовывать многоэлементные
фотоприемники, работающие от одного общего источника питания. Для
решения задач регистрации слабых коротких световых импульсов,
следующих с большой скважностью, в оптических системах
дальнометрии и локации ЛМДПФ, в ряде случаев, является
единственным адекватным фотоприемником. Однако импульсный
характер его питания, наличие «мертвого времени», в течение которого
приемник не обладает усилением, ставит проблему оптимальных условий
его работы в режиме регистрации серий световых импульсов, следующих
с невысокой скважностью, как это имеет место в оптоэлектронных
информационных системах, системах оптической связи и других. В
настоящей работе проведено рассмотрение режимов функционирования
ЛМДПФ при регистрации серий световых импульсов.
Образцы и экспериментальная установка
Лавинные МДП-фотоприемники исследованные в режимах УЛП и ТИП
(см. ниже) изготавливались по технологии, описанной в /2-3/. Основой
фотоприемника являлась МДП - структура Ni - SiO - Si ,на кремнии КДБ1,площадь светочувствительной области = 0,6 мм2. Исследование ТИП - 2
и синхронного счета фотонов проведены нами на 36 - элементных
матричных ЛМДПФ (НПО «МЭЛЗ»).
Блок-схема экспериментальной установки приведена на рис. I,
где приняты следующие обозначения:
ИИС - импульсный источник света (светодиод) с оптической системой
(ОС), которая представляет собой модифицированный микроскоп типа
МБС-2. Оптическая система изменена для обеспечения совмещения в
поле зрения микроскопа изображения исследуемого МДП-фотоприемника
и светового пятна от ИИС - что позволяет эффективно контролировать как
точность совмещения, так и диаметр светового пятна. Диаметр светового
пятна, используемый в экспериментах - 100 мкм,
Длина волны. ПГС - 11А - 1,06 мкм
БС - блок синхронизации, служит для выработки всех синхроимпульсов,
необходимых для работы экспериментальной установки.
УС - стробируемый широкополосный малошумящий усилитель.
Разработанная схема стробирования позволяет включать
высокочувствительный усилитель после момента окончания переходного
процесса в МДП-структуре, что предотвращает его насыщение. Время
включения (выключения) усилителя не превышает 0,1 мкс. Усиленный
сигнал можно наблюдать на экране осциллографа. Проводились
измерения Uc (амплитудное значение) и Uш (среднеквадратичное
значение). В процессе исследования образцы помещались на
экранированный столик с двухкоординатным перемещением. Включение
МДП-структуры в электрическую схему регистрации фототока
осуществлялось при помощи контактного устройства "Зонд-5М".
МДП - структура включалась последовательно со специально
разработанным источником импульсного напряжения трапецеидальной
или линейно нарастающей формы (рис.1,рис. 1.1), с регулируемыми
временными и амплитудными параметрами выходных импульсов.
Точность формирования амплитуды импульсного напряжения - 0,1%,
линейность пилообразного напряжения - не хуже 1%, линейность
переднего фронта трапецеидального напряжения - не хуже 1%. Работа
ЛМДПФ при регистрации серий световых импульсов может
осуществляться в трех основных режимах электропитания:
1.К МДП - структуре прикладывается линейно нарастающее напряжение с
крутизной α и амплитудой Uр , превышающей напряжение возникновения
лавины в полупроводнике, но меньшей напряжения пробоя диэлектрика
Ud (рис.2а).
При этом возникает устойчивый лавинный процесс (УЛП), достаточно
подробно рассмотренный в /3/.
2.К МДП - структуре прикладывается трапецеидальное напряжение с
линейным передним фронтом и плоской вершиной (рис.2б). Напряжение
питания Up , линейно нарастая, достигает значения Uогр. которое
находится в интервале [Un – U d] , и поддерживается на постоянном
уровне до конца импульса; с момента прекращения роста напряжения
(плато импульса) происходит медленная релаксация напряженности поля
в полупроводнике вследствие накопления на границе раздела диэлектрик
- полупроводник неосновных носителей заряда, экранирующих поле.
Существенным является то, что условия для усиления фотоносителей
сохраняются в течение достаточно продолжительного времени
(до единиц миллисекунд).
Отрицательный импульс в “промежутке” (рис.12),позволяет сократить
мертвое время на 30 – 50% (эффективность зависит от качества
диэлектрика ЛМДПФ.
3.К МДП - структуре прикладывается трапецеидальное напряжение,
состоящих из двух участков:
- на первом из которых напряжение линейно возрастает (со скоростью не
6
больше 10 В / сек.) до величины, равной напряжению пробоя
полупроводника.
- на втором продолжает линейно нарастать,со скоростью значительно
2
меньшей (порядка 10 В/сек) /13,14/. ( ∆ U на рис. 8) .
Экспериментальные результаты и обсуждение
Физические ограничения при регистрации серий световых импульсов
связаны с частичной экранировкой поля зарядом умноженных
фотоносителей от каждого импульса, накапливающимся на границе
раздела диэлектрик - полупроводник. В случае УЛП, при линейно
нарастающем напряжении, экранировка поля и соответствующий спад
коэффициента усиления Мф компенсируется в течение конечного
промежутка времени ростом напряжения /3/, и ограничение
накладывается лишь на частоту повторения световых импульсов. В
случае релаксирующего лавинного процесса (РЛП) при трапецеидальном
питании, спад напряженности поля и коэффициента усиления имеет
необратимый характер до конца импульса питания, что
сопровождается спадом величины фотоответа Iф (рис.2) В связи с этим
в обоих случаях возникает связь между величиной Мф и пороговой
чувствительностью с одной стороны и предельной частотой следования
световых импульсов с другой стороны.
Были исследованы основные пути оптимизации параметров питания
ЛМДПФ для обеспечения регистрации серий импульсов с величиной
световой мощности, типичной для оптических систем дальнометрии
-7
9
и локации (10 – 10 - Вт).
УЛП - линейно нарастающее питание
На рис.3 и 4 показаны графики поведения отношения сигнал/шум в
зависимости от крутизны питающего напряжения для двух режимов
лавинного усиления (Мф =100 и Мф=1000) и относительное изменение
амплитуды сигнала Uс в зависимости от частоты следования световых
импульсов Fc (длительность световых импульсов во всех экспериментах
была равна 0,3 мкс) - для различной крутизны линейно нарастающего
напряжения питания). Графики показывают, что увеличение пороговой
чувствительности и повышение частоты следования световых импульсов
имеют противоположные тенденции при изменении крутизны питающего
напряжения. Увеличение крутизны вызывает увеличение коэффициента
умножения лавинного процесса /I/, что сопровождается увеличением
шумов, однако при этом происходит уменьшение времени восстановления
лавинного процесса /3/; при уменьшении крутизны наблюдается
уменьшение шумов и увеличение времени восстановления,
соответственно. Эти две противоречивые тенденции требуют оптимизации
питающего напряжения ЛМДПФ для конкретных практических задач. В
частности, в данных экспериментах, для световых мощностей 10 - 8 Вт и
обеспечении отношения Uc / Uш ≥ 5, была достигнута частота повторения
световых импульсов порядка 5 МГц со скважностью ~ 1,5, Крутизна
линейно нарастающего напряжения при этом составляла ~ 10 4В/с. Был
исследован также характер спада фотоответа и показано, что переход к
коротковолновому свету позволяет повышать частоту световых
импульсов. В частности, для световых импульсов с длительностью 0,1 мкс
λ = 0,53 мкм предельная частота световых импульсов соответствующая
отношению сигнал/шум ~5, составляла около 10 МГц, тогда как для
импульсов с Я=0,65 мкм эта частота имела значение примерно в полтора
раза меньшее. Наличие спектральной зависимости предельной частоты
вызвано присутствием в фотоответе заметной диффузионной
компоненты, обладающей значительной инерционностью. В связи с этим
для повышения предельной частоты ЛВДПФ необходима оптимизация его
конструкции. В частности возможно использование двухслойного
полупроводника р - р+, в котором собирание носителей происходит в
высокоомном слое, а умножение - в низкоомном. В этом случае
предельная частота фоторегистрации может быть доведена до сотен
мегагерц.
В связи с импульсным характером питания ЛМДПФ возникает "мертвое
время", в течение которого фотоприемник либо вообще не работает
(интервал ∆Т на рис.2а), либо работает без усиления (интервал [Т – Траб],
рис.2а). Поскольку "мертвое время" существенно влияет на объем
передаваемой оптической информации, исследовалось поведение
отношения сигнал/шум при уменьшении отношения периода следования к
длительности импульса питания (Т' / Т) Было обнаружено, что амплитуда
фотоответа слабо зависит от отношения Т' / Т, в частности уменьшение
Т'/ Тот 8 до 1,1 привело к спаду Uc и, соответственно, Uc / Uш всего в 2
раза. Однако при этом по-прежнему сохранялся значительный интервал
"мертвого" времени приемника в начале каждого импульса питания
(рис.2а), в течение которого приемник выходит на лавинный режим. В
связи с этим предложено использовать импульс питания, при котором
напряжение мгновенно (tф ≤ 1мкс) нарастает до напряжения
возникновения лавинного процесса Un , а далее линейно нарастает с
крутизной ~ 10 4 - 105 В/с. Этим путем удалось уменьшить суммарное
"мертвое время" приемника ( [Т'-Траб ] на рис.2а) до величин порядка
нескольких процентов от Траб.
РЛП - трапецеидальное питание
Как уже отмечалось, для режима релаксирующей лавины характерен
постепенный спад коэффициента умножения и амплитуды фотоответа в
течение импульса питания, показанный на рис.2б. Приведенные на рис.5
экспериментальные зависимости спада фотоответа в зависимости от
величины задержки светового импульса относительно начала импульса
питания для разных коэффициентов умножения и частот повторения
световых импульсов в серии (сплошной линией показана огибающая
световой серии, коэффициент умножения измерялся по первому импульсу
серии). Замедление, спада при меньших коэффициентах умножения
связано с меньшей чувствительностью лавинного процесса к экранировке
накапливаемыми неосновными носителями. Очевидно, что наименьшее
допустимое значение амплитуды фотоответа ограничивается
требованиями на отношение Uс /Uш в конкретной задаче, что и
является в конечном итоге критерием выбора начального коэффициента
умножения лавинного процесса и длительности Т импульса питания.
Частота повторения световых импульсов будет ограничена лишь
быстродействием лавинного фотоприемника, поскольку восстановление
лавинного процесса в данном режиме не производится.
Так же, как и для режима УЛП, при фоторегистрации в режиме РЛП
существенным является соотношение "мертвого" и рабочего времени
ЛМДПФ. Как видно из рис.2б, первое характеризуется величиной [Т'-T +
t1] , а второе - [T + t1] , то есть "мертвое" время определяется паузой
между импульсами питания и длительностью переднего фронта, в
течение которого приемник выходит на лавинный режим. В связи с этим
было исследовано:
- поведение амплитуды фотоответа в зависимости от длительности
переднего фронта t1 (соответственно, его крутизны "α")
- длительности паузы между импульсами питания [Т ' – T] (рис.6 и рис.7).
Тенденция поведения амплитуды фотоответа в целом согласуется с
поведением коэффициента усиления ЛМДПФ в зависимости от крутизны
нарастания напряжения. Переход в область большего умножения
(большие крутизны), начиная с некоторого момента, приводит к спаду,
коэф. усиления фотоответа, что и наблюдается в области большой
крутизны. Спад амплитуды фотоответа при сокращении паузы между
импульсами (рис.7) связан с тем, что инверсионный слой умноженных
неосновных носителей, накапливающийся за время импульса, начинает
не успевать полностью прорекомбинировать за время паузы, что
вызывает снижение напряженности приповерхностного поля и
следовательно уменьшение амплитуды импульса питания. Совокупность
приведенных экспериментов позволила оптимизировать регистрацию
серий световых импульсов в режиме РЛП. В частности для световых
импульсов на уровне 10 -9 Вт, при отношении сигнал/шум = 5, была
достигнута скважность 3, при отношении "рабочего" времени
фотоприемника к "мертвому", ~ 20.
Спад амплитуды фотоответа при сокращении паузы между импульсами
(рис. 4 а,б ) связан с тем, что инверсионный слой умноженных
неосновных носителей, накапливающийся за время импульса, не
успевает полностью прорекомбинировать за время паузы, что вызывает
снижение напряженности приповерхностного поля, и, следовательно,
уменьшение Мф.
Недостатком режима РЛП (ТИП) является снижение коэффициента
внутреннего усиления фототока и пороговой чувствительности в течение
рабочего интервала времени по мере перемещения момента регистрации
световых импульсов от его начала к концу, что объясняется сужением
слоя размножения в ОПЗ за счёт уменьшения падения напряжения на
ОПЗ. Следствием указанного процесса является ограничение рабочего
интервала времени моментом, после которого шумы устройств
последующей обработки сигнала превышают шум лавинного процесса. В
результате область применения режима РЛП сильно сужается в случаях,
когда информация заключена в случайных слабых световых импульсах
или в последовательностях слабых световых импульсов. Как было
упомянуто выше спад величины фототока в течения импульса питания
может быть устранен подачей на ЛМДПФ импульсов напряжения питания,
состоящих из двух участков:
1.на первом из которых напряжение линейно возрастает (со скоростью не
больше 106 В / сек.) до величины, равной напряжению пробоя
полупроводника.
2.на втором продолжает линейно нарастать,со скоростью значительно
меньшей (не более 104 В/сек).
( ∆ U на рис. 8 - 9) .
На рис.10 приведены графики зависимостей иллюстрирующие работу
ЛМДПФ в режиме ТИП – 2 (с "двойным наклоном").
Данный способ позволяет стабилизировать коэффициент внутреннего
усиления (умножения) фототока в течении рабочего интервала времени
длительностью в 10 мсек и более,что в 10 раз превышает длительность
рабочего интервала времени,по сравнению с режимом ТИП.
Стандартным режимом для применяемых ЛМДПФ является:
крутизна а1 = 106 В/сек,
крутизна а2 = 103 В/сек
λ = 0,53 мкм,
tсвет. = 0.1 мкс
Sλ = 1000 А/Вт
Трабочее = 12 мсек
Все дальнейшие исследования пороговых характеристик ЛМДПФ
проводились в режиме питания ТИП - 2.
Квазинепрерывный режим работы ЛМДПФ реализованный на матричном
ЛМДПФ позволяет исключить “мертвое” время. Принцип работы данного
ФПУ ясен из рис.11.
Рис.1
Рис. 1.1
Рис.2
Рис.3
{00
Рис.4
Рис.5
Рис.6
Рис.7
Рис.8
Рис. 9
Т = 12,0 мсек,
t свет. = 0,3 мксек,
f свет. = 100 кГц,
Рсвет. = 5*10-8 Вт,
а = 2,6*10
Рис.10
Рис. 11
Рис. 12