CC BY
11УДК 621.382:546.28
DOI: 10.24151/1561-5405-2019-24-4-391-397
Кинетика и амплитуда фотоотклика кремниевых фотоэлектронных умножителей
М.А. Асаёнок, А.О. Зеневич, Е.В. Новиков
Белорусская государственная академия связи, г. Минск, Беларусь m. asayonak@bsac. ьу
Влияние на характеристики фотоотклика кремниевых фотоэлектронных умножителей напряжения питания и температуры изучено недостаточно. В работе исследовано влияние этих факторов на временные характеристики фотоотклика кремниевых фотоэлектронных умножителей. Представлена структурная схема экспериментальной установки, в которой источником оптического излучения является светодиод, а регистрацию фотооткликов обеспечивает специализированный аппаратно-программный комплекс. Приведены результаты исследований влияния напряжения питания и температуры на кинетику и амплитуду фотоотклика кремниевых фотоэлектронных умножителей, выполненных на n+-n-p+- и p —p—n -структурах, при импульсном возбуждении светом с длиной волны 630 нм. Установлено, что при воздействии на кремниевые фотоэлектронные умножители оптическими импульсами с одинаковой длительностью, длиной волны и энергетической экспозицией, при одинаковой температуре и одном и том же перенапряжении длительность фотоотклика больше для p —p—n -структур. Выявлена связь длительности фронта нарастания фотоотклика с коэффициентом усиления фототока и длительности участка релаксации импульса фотосигнала с последовательным сопротивлением кремниевых фотоэлектронных умножителей. Длительность фронта нарастания больше для кремниевых фотоэлектронных умножителей с более высоким значением коэффициента усиления фототока. Большую длительность спада имеют кремниевые фотоэлектронные умножители с большим значением последовательного сопротивления.
Ключевые слова: кремниевый фотоэлектронный умножитель; длительность фотоотклика; длительность фронта нарастания фотоотклика; длительность спада фотоотклика
Для цитирования: Асаёнок М.А., Зеневич А.О., Новиков Е.В. Кинетика и амплитуда фотоотклика кремниевых фотоэлектронных умножителей // Изв. вузов. Электроника. - 2019. - Т. 24. - № 4. - С. 391-397. Б01: 10.24151/1561-5405-201924-4-391-397
Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (договор № Т17М-076).
© М.А. Асаёнок, А.О. Зеневич, Е.В. Новиков, 2019
Kinetics and Amplitude of Photo Response of Silicon of Photo-Electronic Multipliers
M.A. Asayonok, A.O. Zenevich, E. V. Novikov
Belarusian State Academy of Communications, Minsk, Belarus m.asayonak@bsac.by
Abstract. The influence of such important factors as supply voltage and temperature on the photo response characteristics of silicon photo-electronic multipliers has been insufficiently studied. In the work, the influence of theses factors on the temporal characteristics of the photo response of the silicon photo-electronic multipliers has been investigated. A block diagram of experimental setup has been presented, in which the source of optic radiation is light diode and the registration of the photo responses has been provided by specialized hardware-software complex, has been provided. The results of the study on the influence of supply voltage and temperature on kinetics and amplitude of the photo response of silicon photo-electronic multipliers, performed on n+-n-p+-and p+-p-n+-structures with pulsed excitation by light at a wavelength of 630 nm, have been presented. It has been stated that when exposed with optical pulses of the same duration, wavelength and energy exposure on the silicon photo-electronic multipliers at the same temperature and with the same overvoltage, the duration of the photo response is longer for silicon photo-electronic multipliers with p+-p-n+-structure. Duration of the rising edge has been associated with the gain ratio of photoinduced current and duration of the relaxation zone of the photo signal pulse has been associated with a value of the series resistance for silicon photo-electronic multipliers. The duration of the rise front is longer for silicon photo-electronic multipliers with a higher photo current gain factor. The silicon photo-electronic multipliers with a higher value of series resistance have a longer decline.
Keywords: silicon photo-electronic multiplier; photo response duration; duration of the rising edge of photo response; duration of photo response decay
For citation: Asayonok M.A., Zenevich A.O., Novikov E.V. Kinetics and amplitude of photo response of silicon of photo-electronic multipliers. Proc. Univ. Electronics, 2019, vol. 24, no. 4, pp. 391-397. DOI: 10.24151/1561-5405-2019-24-4-391-397
Funding: the work has been financial supported by Belarusian Republican Foundation for basic research (contract № T17M-076).
Введение. В настоящее время для регистрации оптического излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазона используются кремниевые фотоэлектронные умножители (Si-ФЭУ). Данные фотоприемники являются твердотельным аналогом электровакуумных фотоумножителей, но отличаются от последних меньшими напряжениями питания, большей механической прочностью, более высокой чувствительностью в ближней инфракрасной области спектра. Si-ФЭУ характеризуются достаточно высокими коэффициентами усиления и имеют фоточувствительные площадки боль-
о
шого размера (> 7 мм ) [1-4].
Однако влияние на временные характеристики фотоотклика Si-ФЭУ таких важных факторов, как напряжение питания и температура, недостаточно изучено. Цель настоящей работы - оценка влияния этих факторов на временные характеристики фотоотклика Si-ФЭУ.
Описание установки и методика эксперимента. В качестве объектов исследования используются Si-ФЭУ с п+—пи p+-p-n+-структурой производства ОАО «Интеграл» (Республика Беларусь). Для проведения эксперимента выбраны случайным образом по 5 экземпляров каждой структуры из партий по 100 штук. Исследования выполнялись на экспериментальной установке, структурная схема которой представлена на рис.1. Установка функционирует следующим образом. Для создания оптического излучения применяется светодиод (СД), на который подаются электрические прямоугольные импульсы с генератора (Г). Длительность электрических импульсов генератора подбирается на основании данных о последовательном сопротивлении и собственной емкости исследуемых Si-ФЭУ и составляет 1,0 мкс. Форма и длительность импульсов генератора контролируется осциллографом ОС1.
Рис. 1. Структурная схема экспериментальной установки (Н1 - набор нейтральных светофильтров) Fig.1. Block diagram of the experimental setup (Н1 - set of neutral light filters)
В результате подачи на светодиод электрических импульсов он формирует оптические импульсы, которые подаются в оптическое волокно (ОВ). Затем излучение направляется на кремниевый фотоэлектронный умножитель (Si-ФЭУ), установленный в камере тепла и холода (Т). Камера тепла и холода обеспечивает регулировку температуры в диапазоне 203-303 К. Питание кремниевого фотоэлектронного умножителя Si-ФЭУ осуществляется от регулируемого источника постоянного напряжение (И). Si-ФЭУ включен последовательно с резистором нагрузки Rн. Напряжение, приложенное к Si-ФЭУ, контролируется вольтметром (В). Под воздействием оптических импульсов в Si-ФЭУ формируются импульсы тока (фотоотклик). В результате на резисторе нагрузки Rн образуются импульсы напряжения, которые подаются на вход широкополосного усилителя (У) с полосой пропускания от 0 до 500 МГц. Форма и длительность импульсов на выходе усилителя контролируются осциллографом ОС2. Импульсы с выхода усилителя поступают на аппаратно-программный комплекс (АПК), который их регистрирует. АПК позволяет определять средние значения длительности, времени нарастания и спада импульсов, поступивших на его вход. Измерение длительности импульсов осуществляется по стандартной методике на уровне 0,5Um, где Um - амплитуда регистрируемых импульсов. Длительность фронта нарастания импульса определяется в диапазоне от 0,1 Um до 0,9Um, а длительность спада импульса - в диапазоне от 0,9Um до 0,1 Um. АПК также обеспечивает построение зависи-
мости значений исследуемых величин от напряжения питания БьФЭУ и температуры внешней среды по полученным данным. В экспериментальной установке используется излучающий светодиод с длиной волны X = 630 нм, соответствующей максимуму спектральной чувствительности исследуемых БьФЭУ.
Для сравнения характеристик структур БьФЭУ используется перенапряжение ДU = Цшт - Цпр, где Цшт - напряжение питания, Цпр - напряжение пробоя БьФЭУ. Это связано с тем, что исследуемые фотоприемники имеют значительно различающиеся напряжения пробоя. Напряжение пробоя ипр определяется по ВАХ Б1-ФЭУ, полученной при отсутствии оптического излучения, согласно методике, предложенной в работе [5].
Результаты эксперимента и их обсуждение. Форма импульса фотоотклика при ДЦ = 3 В представлена на рис.2. Результаты получены при воздействии на БьФЭУ оптических импульсов с энергетической экспозицией Н = 1,08-10 Дж/см . Значение перенапряжения выбрано с учетом того, что при ДЦ = 3 В и выше длительность фотоотклика остается неизменной для исследуемых БьФЭУ. При изменении ДЦ от 0 до 3 В длительность импульсов уменьшается. Наиболее сильно это проявляется для БьФЭУ
+ + ~ гт, + +
сР —р—п -структурой. Так, изменение длительности дляр —р—п -структуры составляет от 1,3 до 1,1 мкс, для п+-п-р+-структуры - от 1,1 до 1,0 мкс. При уменьшении энергетической экспозиции изменяется только амплитуда фотоотклика, а длительность остается постоянной. При энергетической экспозиции выше 1,08-10-7 Дж/см2 длительность и амплитуда остаются постоянными.
В диапазоне перенапряжений 0-14 В форма фотоотклика не меняется (см. рис.2). Амплитуда импульсов БьФЭУ с р-р-п-структурой была больше амплитуды импульсов БьФЭУ с и и р -структурой при всех исследуемых значениях ДЦ Это обусловлено двумя факторами. Первый фактор заключается в том, что квантовый выход БьФЭУ с п+-п-р+-структурой меньше квантового выхода БьФЭУ с р-р-п-структурой и составляет соответственно 0,6 и 0,72. Второй фактор связан с тем, что коэффициент усиления фототока БьФЭУ с р+-р-п+-структурой больше коэффициента усиления фототока БьФЭУ с п+-п-р+-структурой. Наибольшие значения коэффициента усиления фототока для БьФЭУ с + + + +
р -р-п - и п -п-р -структурой соответст-
3 3
венно равны 2-10 и 1-10 .
Уменьшение температуры БьФЭУ приводит к увеличению как длительности фотоотклика, так и его амплитуды. Наиболее сильно зависимость длительности фотоотклика от температуры проявляется для БьФЭУ с р-р-п-структурой. Так, при постоянных значениях перенапряжения ДЦ = 3 В и энергетической экспозиции
7 2
Н = 1,0840 Дж/см2
длительность фотоотклика изменяется для БьФЭУ с р -р-п -структурой от 1,1 мкс при Т = 303 К до 1,7 мкс при Т = 203 К, а для БьФЭУ с п+-п-р-структурой от 1,0 мкс при Т = 303 К до 1,4 мкс при Т = 203 К. При уменьшении температуры в этом диапазоне наблюдается рост амплитуды импульсов в 1,5 и 1,2 раза соответственно для БьФЭУ с р-р-п- и п+-п-р-структурой. Такое увеличение ампли-
U, мВ
0 0,5 1,0 1,5 1,0 мкс
Рис.2. Временная диаграмма импульса фотоотклика при длительности входного импульса t = 1 мкс, T = 293 К, I = 630 нм, AU = 3 В: 1 - р+-р-п+-структура; 2 - п+-п-р+-структура Fig.2. Timing diagram of the photoresponse pulse at an input pulse duration t = 1 ^s for temperature T = 293 K and wavelength I = 630 nm for AU =3 V: 1 - for the p+-p-n+-structure;
2 - for the n+-n-p+-structure
туды импульсов обусловлено повышением коэффициента усиления фототока Si-ФЭУ с уменьшением температуры [6]. Отметим, что при понижении температуры значение квантового выхода остается постоянным.
Исследования вида фотоотклика показали, что отличие его длительности от длительности оптического импульса, формирующего этот фотоотклик, объясняется временем нарастания фронта и длительности спада. Измерения зависимостей длительности фронта нарастания импульсов фотоотклика tф от перенапряжения ДU для длины волны оптического излучения X = 630 нм показали следующее. При T = 293 К для Si-ФЭУ с р-р-п-структурой tф = 340 нс и остается постоянной. Для Si-ФЭУ с и+-и-р+-структурой tф немного уменьшается. Данное уменьшение от значения tф = 260 нс для Si-ФЭУ с и+-и-р+-структурой, полученного для Ди = 3 В, составляет не более 20 %.
Отличие во времени нарастания у исследуемых Si-ФЭУ и в поведении зависимостей tф от Ди связано с тем, что они имеют разные структуры. Отметим, что наименьшее значение tф соответствует тем структурам, для которых наблюдаются меньшие значения коэффициента усиления фототока [7]. Величина tф, определяется следующими характеристиками структуры: коэффициентом усиления фототока, шириной области умножения носителей заряда, скоростью движения свободных носителей заряда, отношением коэффициентов ударной ионизации дырок и электронов [8]. На основании этого можно предположить, что к сокращению длительности tф для Si-ФЭУ с и+-и-р+-структурой может привести уменьшение отношения коэффициента ударной ионизации дырок к электронам.
Понижение температуры при постоянном значении Ди = 3 В приводит к небольшому увеличению длительности фронтов нарастания фотооткликов для Si-ФЭУ с и+-и-р+-структурой. Такое увеличение не превышает 30 % от значения tф, соответствующего Т = 293 К. Для Si-ФЭУ с р-р-п-структурой tф остается постоянной во всем исследуемом диапазоне температур.
При понижении температуры для всех исследуемых структур Si-ФЭУ коэффициент усиления фототока увеличивается [6]. Такое поведение зависимостей tф от Т связано с тем, что Si-ФЭУ с п+-п-р-структурой имеют более сильную зависимость коэффициента усиления фототока от температуры, чем Si-ФЭУ с р+-р-и+-структурой. Поскольку Si-ФЭУ с р -р-п -структурой характеризуются менее сильной зависимостью коэффициента усиления фототока от температуры, то такое изменение выявить не удалось, так как оно не превышает погрешности измерения.
На рис.3 представлены зависимости длительности спадов фотооткликов tс от перенапряжения Ди для постоянной температуры Т = 293 К. Как видно из полученных результатов, с увеличением перенапряжения спад фотоотклика уменьшается для всех исследуемых структур Si-ФЭУ. Это связано с тем, что увеличение перенапряжения в диапазоне 0-5 В приводит к уменьшению последовательного сопротивления Si-ФЭУ.
Рис.3. Зависимость длительности спада фотоотклика от перенапряжения при T = 293 К и X = 630 нм: р+-р-п+-структура (кривая 1);
п+-п-р+-структура (кривая 2) Fig.3. Dependence of the photoresponse decay duration on overvoltage for constant temperature T = 293 K and wavelength X = 630 nm: p+-p-n+-structure (curve 1), n+-n-p+-structure (curve 2)
При этом последовательное сопротивление для БьФЭУ с р-р-п-структурой изменяется в диапазоне 7,2-3,7 кОм, с п+-п-р+-структурой - в диапазоне 3,7-1,1 кОм. Дальнейшее увеличение перенапряжения не приводит к изменению последовательного сопротивления. Емкость Сп остается неизменной при всех исследуемых перенапряжениях. Для БьФЭУ с р -р-п -структурой Сп = 110 пФ, с п+-п-р+-структурой - Сп = 170 пФ. С увеличением перенапряжения наблюдается уменьшение спада фотоотклика 1с, затем он практически не меняется. Отметим, что более сильной зависимостью изменения времени спада импульса от перенапряжения характеризуются БьФЭУ с р+-р-п+-структурой. Так, для этой структуры \Д1с/Дис\ = 96 нс/В, где ДГс - изменение длительности спада импульса в диапазоне перенапряжений 0-14 В, Аис = 14 В. Для п+-п-р+-структуры - \Д^ДЩ= 25 нс/В.
Проведено исследование влияния температуры на длительность спада фототклика для перенапряжений в диапазоне 0-14 В. На рис.4 представлены данные зависимости
при Аи= 3 В, имеющие характерный вид и позволяющие проводить сопоставления с результатами проведенных ранее исследований. Как видно из полученных результатов, с понижением температуры длительность спада фотоотклика для всех исследуемых структур БьФЭУ увеличивается. Это связано с тем, что уменьшение температуры приводит к увеличению последовательного сопротивления БьФЭУ. При этом в исследуемом диапазоне температур последовательное сопротивление для БьФЭУ + +
с р -р-п -структурой изменяется в диапазоне 3,7-11,1 кОм, с п+-п-р+-структурой - в диапазоне 1,1-6,9 кОм. Отметим, что емкости кремниевых фотоэлектронных умножителей изменяются незначительно с уменьшением температуры.
Заключение. При воздействии оптическими импульсами с одинаковой длительностью, длиной волны и энергетической экспозицией на БьФЭУ при одинаковой температуре и одном и том же перенапряжении длительность фотоотклика больше для БьФЭУ с р -р-п -структурой. Длительность фронта нарастания фотоотклика зависит от коэффициента усиления фототока БьФЭУ и больше для БьФЭУ с более высоким значением коэффициента усиления фототока. Длительность спада Si-ФЭУ зависит от последовательного сопротивления. Большую длительность спада имеют БьФЭУ с большим значением последовательного сопротивления.
Литература
1. Гасанов А.Г., Головин В.М., Садыгов З.Я., Юсипов Н.Ю. Лавинный фотоприемник // Патент СССР № 1702831, А1 6Н0131/06. 1989. Бюл. №18.
2. Гасанов А.Г., Головин В.М., Садыков З.Я., Юсипов Ю.Н. Лавинный фотоприемник на основе структур металл - резистивный слой - полупроводник // Письма в ЖЭТФ. - 1988. - Т. 14. - Вып. 8. -С. 706-709.
3. Гасанов А.Г., Головин В.М., Садыков З.Я., Юсипов Ю.Н. Влияние локальных неоднородностей в полупроводниковой подложке на характеристики лавинных фотоприемников // Письма в ЖТФ. -1990. - Т. 16. - Вып.1. - С. 14-17.
Рис.4. Зависимости длительности спада фотоотклика от температуры при AU = 3 В и X = 630 нс:
1 - р+-р-п+-структура; 2 - п+-п-р+-структура Fig.4. Dependence of the duration of the photoresponse decay on temperature for a constant overvoltage AU = 3 V and wavelength X = 630 ns: 1 - for the p+-p-n+-structure, 2 - for the n+-n-p+-structure
4. Гулаков И.Р., Зеневич А.О. Фотоприемники квантовых систем: монография. - Минск: УО ВГКС, 2012. - 276 с.
5. Грехов И.В., Сережкин Ю.Н. Лавинный пробой p-n-перехода в полупроводниках: монография. -Л.: Энергия, 1980. - 152 с.
6. Асаёнок М.А., Зеневич А.О., Горбадей О.Ю. Температурные характеристики кремниевых фотоэлектронных умножителей // Доклады БГУИР. - 2018. - №2 (112). - С. 54-58.
7. Асаёнок М.А., Зеневич А.О., Горбадей О.Ю. Коэффициент усиления кремниевого фотоэлектронного умножителя с низким напряжением питания // Проблемы инфокоммуникаций. - 2017. -№2 (6). - С. 82-86.
8. Техника оптической связи. Фотоприемники / Ф. Капассо, Т. Пирсолл, М.А. Поллак и др. / под ред. У. Тсанга. - М.: Мир, 1988. - 526 с.
Поступила в редакцию 21.02.2019 г.; после доработки 21.02.2019 г.; принята к публикации 14.05.2019 г.
Асаёнок Марина Анатольевна - аспирант Белорусской государственной академии связи (Республика Беларусь, 220114, г. Минск, ул. Ф.Скорины, 8/2), m.asayonak@bsac.by
Зеневич Андрей Олегович - доктор технических наук, профессор, ректор Белорусской государственной академии связи (Республика Беларусь, 220114, г. Минск, ул. Ф.Скорины, 8/2), a.zenevich@bsac.by
Новиков Евгений Владимирович - кандидат технических наук, доцент, директор Института современных технологий связи Белорусской государственной академии связи (Республика Беларусь, 220114, г. Минск, ул. Ф.Скорины, 8/2), e.novikov@bsac.by
References
1. Gasanov A.G., Golovin V.M., Sadykov Z.Ya. Yusupov Yu.N. Avalanche photodetector. Patent SU, no. 1702831, A1 6 H 01 L 31/06, 1989. (In Russian).
2. Gasanov A.G., Golovin V.M., Sadykov Z.Ya., Yusupov Yu.N. Avalanche photodetector based on metal-resistive-semiconductor layer structures. Pis'ma v ZHTF = Technical Physics Letters, 1988, vol. 14, iss. 8, pp. 706-709 p. (In Russian).
3. Gasanov A.G., Golovin V.M., Sadykov Z.Ya., Yusupov Yu.N. The effect of local inhomogeneities in a semiconductor substrate on the characteristics of avalanche photodetectors. Pis 'ma v ZHETF = Technical Physics Letters, 1990, vol. 16, iss. 1, pp. 14-17. (In Russian).
4. Gulakov I.R., Zenevich А.О. Photodetectors of quantum systems: monograph. Minsk, VGKS Publ., 2012. 276 с. (In Russian).
5. Grekhov I.V., Serezhkin Y.N. Avalanche p-n junction breakdown in semiconductors: monograph. Leningrad, Energiya Publ., 1980, 152 p. (In Russian).
6. Asayonak M.A., Zenevich A.O., Gorbadey O.Y. Temperature characteristics of silicon photoelectronic multipliers. Doklady BGUIR, 2018, по. 2, p. 112. (In Russian).
7. Asayonak M.A., Zenevich A.O., Gorbadey O.Y. Amplification factor of silicon photoelectronic multiplier with low voltage supply. Problemy infokommunikatsiy, 2017, no. 2 (6). (In Russian).
8. Сapasso F., Pirsoll T., Pollak M.A., Сaneda T., Forrest S.P., Campbell G. Optical communication technology. Photodetectors. Ed.by У. Tsanga. Мoscow, Mir Publ.,1988. 526 p. (In Russian).
Received 21.02.2019; Revised 21.02.2019; Accepted 14.05.2019. Information about the authors:
Maryna A. Asayonak - PhD student, Belarusian State Academy of Communications (Belarus, 220114, Minsk, F. Skorina st., 8/2), m.asayonak@bsac.by Andrey O. Zenevich - Dr. Sci. (Eng), Prof., Rector, Belarusian State Academy of Communications (Belarus, 220114, Minsk, F. Skorina st., 8/2), a.zenevich@bsac.by Yauhen V. Novikau - Can. Sci. (Eng), Assoc. Prof., Director of the Institute of Modern Communication Technologies, Belarusian State Academy of Communications (Belarus, 220114, Minsk, F. Skorina st., 8/2), e.novikov@bsac.by
