SE417145B - Lavinfotodiodanordning med en lavindiod och med organ for styrning av diodens multiplikationsfaktor - Google Patents

Description

n-M 10 15 20 25 30 -79Û4711-¿+ Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas i anslutning till bi- fogade figurer 1-5. Fig 1 visar den principiella utformningen av en lavin- fotodiod enligt uppfinningen med en integrerad referensdiod för stabilise- ring av multiplikationsfaktom. Fig 2 visar hur lavinfotodioden enligt fig 1 kan inkopplas i en strömlcrets. Fig 5 visar multiplikationsfaktorns M 'bero- ende av arbetsspäzmixzg och temperatur. Fig 4 visar arbetsförhållandena vid en diod enligt uppfinningen. Fig 5 visar ett exempel på hur en diod enligt i uppfinningen kan utformas praktiskt.

Fig' 1 visar en kiselskiva 1 med en central svagt P-dopad (ni-dopad) huvud- del 2. Vid skivans undre yta är ett starkare P-dopat skikt 5 anordnat. I skivan är bredvid varandra anordnade en fotodioddel DF och en referensdiod- del DR. Fotodioddelen DF innefattar vid skivans övre yta. anordnade skikt 4 (P-aopat) och 5 (nïaopat). skiktec 5 är försett med ett kontakterna 6 av metall, vilket har en öppning, genom vilken ljus kan infalla mot kiselskivan.

Skiktet 6 är försett med en anslutning 1. Skiktet 5 är försett med ett metalliskt kontaktskikt 8 och en anslutning 9. I drift är anslutningen 1 positiv i förhållande till anslutningen 9, och driftspänningsn kan vara t ex 100-200 V. Spärrskiktet sträcker sig ned genom hela skiktet 2, och fältstyrkan får sitt maximum vid PN-övergângen mellan skikten 4 och S.

Huvuddelen av det infallande ljuset (markerat med pilar 18) tränger ner i skiktet 2 och alstrar där laddningsbärarpar. Elektronerns. rör sig uppåt och ger på grund av den höga fältstyrkan vid Pil-övergången upphov till en ladd- ningsbärarmultiplikation.

Den i skivan 1 anordnade referensdioddelen har samma uppbyggnad som foto- dioddelen. Den består (förutom avskikten 2 och 3) av det P-dopade skiktet 11 och det N+-dopade skiktet 12. Det senare är försett med ett kontaktskikt 13 och en anslutning 14. Referensdioddelen är försedd med organ för injek- tion av laddningsbärare (elektroner). Detta organ består av ett Nfldopat emitterskikt 10 med ett kontaktskikt 15 och en anslutning 16.

- På. skivans 1 övre yta är ett kiseldioxidskikt 17 anordnat och försett med öppningar för kontaktering av skikten 5 och 12 och för insläpp av ljus till fotodiodon.

Skivan 1 kan exempelvis ha. en tjocklek på. SO/um. Skiktet 5 kan ha en tjock- lek på. B/um och skikten 4, 5, 10, 11, 12 en tjocklek på. 1,5/um.

Referensdioden bör företrädesvis ha samma skikttjocklekar och dopningsprofil 10 15 20 25 50 _55 790471141 som fotodioden för att de båda dioderna skall få samma spännings- och temperaturberoende. Däremot kan givetvis den laterala utsträckningen (tvär- snittsarean) hos de båda dioderna vara olika.

Den genom anslutningen 7 flytande strömmen hos fotodioden betecknas med IBF, strömmen hos referensdioden genom anslutningen 14 betecknas med Inn, ström- men genom anslutningen 16 till emitterskiktet 10 betecknas med IE och ström- men genom anslutningen 9 med IB.

Skikten 10, 3, 2, 11, 12 hos referensdiodsn bildar en hPN-transistor med emitterskiktet 10, basskiktet 3-2-11 och kollektorskiktet 12. Kontakten 8 utgör transistoms baskontakt och samtidigt fotodiodens ena huvudelektrod (fotodiodens andra. huvudelektrod utgörs av kontakten 6). Skikten 3, 2, 11, 12 utgör transistoms kollsktordiod. Denna diod har sin ena anslutning 8 (translator-ns baskontakt) gemensam med fotodioden.

Fig 2 visar hur fotodioden enligt fig 1 kan inkopplas i en strömkrets. Refe- rensdiodens katodanslutnirlg 14 är Jordad. Fotodiodens katodsnslutning 7 är förbunden med jord via ett motstånd R. Resistensen hos detta motstånd väl- jes lämpligen så. låg att spänningsfallet UH över motståndet blir försumbart.

Vid exempelvis en anordning där fotodioden har en erbetsspänning på. 100-200 V och en arbetsström som maximalt uppgår till 1/uA kan resistansen hos motstån- det R väljas till t ex 10 kohm. UR blir då. maximalt 0,01 V, vilket gör att referens- och fotodioden får praktiskt taget identiskt lika arbetespäxminger. [anslutningen 9, som utgör gemensam anod för referens- och fotodioden, är sn- sluten till en konstantströmkälla 21 som matas från en negativ spänning -Uo som kan vara t ex 100-200 V. Strömkàlllan 21 påtrycker en konstant ström IB på anslutningen 9. Elnitteraxxslutningen 16 är ansluten till en andra konstant- strömkälla 20 som matas från spänningen -Uo och som driver en konstant ström IE genom anslutningen.

Spänningen uR över motståndet R utgör fotodiodens utsignal och kan exempel- vis tillföras en förstärkare 22 för vidarebefordran till signalbehsndlande kretsar.

Fig 5 visar hur lavinfotodiodens multiplikationsfaktor M beror av diodens arbetsspäxmizxg UD. Beroendet är visat för två. temperaturer T, och Tz, där 'P2 > 'LP Arbetspunlcten väljs typiskt så., att dioden exempelvis arbetar med M 2 100, dvs på den branta delen av kurvan. Detta innebär att vid en osta- biliserad lavinfotodiod miltiplikationsfaktom kommer att pâverkas lcraftigt 10 15 20 25 ?90l§711-4 även av små ändringar i arbetsspänning och temperatur. Vid en atabiliserad fotodiod enligt uppfinningen hålls emellertid multiplikationefaktorn kon- stant på. följande sätt.

För referensdioden gäller Im = (Lo + IE - dm) - mun-r) Io är den interna läckströmmen, NNPN är traneistordelene strömförstärhfing och M(U,T) är den av arbetsepänning och temperatur beroende multiplikations- faktorn i transistorns kollektordiod.

Vidare gäller Inn * Im' “ IE * IB Dessa båda villkor ger (10 + LE - Mm) M(u,fr) - IE + LB _ Im, Transistordelen dimensioneras så. att ämm är mycket nära 1, och (XNPH komer därigenom att vara relativt oberoende av variationer i arbetsförhållandena.

Med tillräcklig noggrannhet kan man därför sätta dum = 1. Den interna läck- strömmen IQ kan vid lämpligt utförande göras så. låg att den kan försummas jäm- fört maa famn IE - dm. viaare utföra anoraningen enligt uppfinningen sa att fotodiodens arbetsatröm Im, är mycket mindre (t ex 1/uA) än referensdio- aens ström Im (t ex 100 fm).

I ekvationen ovan kan därför approximativt sättas 10-0 ÛQNPN-“li IDF“° -varvid ekvationen övergår till IE - nam) - LE + LB dvs I + Mum) = EI F. =1+-,- IE Som beslQ-:ivits i anslutning till fig 2 är IE och IB konstanta och av kon- stantströmlrällonxa 20 och 21 bestämda strömmar. Multiplikationsfaktorn M 10 20 25 35 790471144- blir alltså med god noggrannhet konstant och oberoende av t ex temperatur- variationer.

Fig 4 visar hur referensdiodens ström IDR beror av arbetsspänningen UD vid de två temperaturerna 'P1 och Tz. Konstantströmkällornas spänningar anpassas automatiskt så att de önskade strömmama IE och IB och därmed. det önskade värdet på M erhålles. Vid temperaturen 'P1 kommer därför diodens arbetspuzxkt att vara P1 och vid temperaturen 'P2 att vara P .

För fotodioddelen gäller att den har samma uppbyggnad, dopningsprofil, arbetstemperatur och arbetsspännizxg som referensdioden. Den komer därför alltid att ha. samma multiplikationsfaktor som referensdioden, dvs en konstant och enbart av konstantströmlållonna 20 och 21 bestämd multiplikationsfaktor.

Som framgår av ovanstående beskrivning är mzltiplikationsfaktorn inte bestämd av det absoluta värdet hos IE och IB utan enbart av kvoten ä. Att åstadkomma E en eller två konstantströmkällor som ger två strömmar med konstant förhållande är enkelt, och matnmgsspanningen sin strömkauema (410 1 sig 2) behöver därför ej ha. någon högre grad av stabilitet.

Fig 5 visar ett snitt genom en föredragen utföringsform av en anordning en- ligt uppfinningen. För att få ett snabbt system är det viktigt att fältstyrkan i dioden är hög. För att arbetsspänningen ej skall bli onödigt hög är det därför önskvärt att halvledarskivan är tunn. Samtidigt är det ur verknings- gradssynpuxzkt viktigt att en stor del av det infallande ljuset absorberas i kislet och ger upphov till laddningsbärare. Vid typiskt förekommande material och ljusvåglängder absorberas i stort sett allt ljus inom ett djup av t e: 50 /um från den yta där ljuset faller in. Att ha ett tjockare system är där- för obehövligt och olämpligt. En kiselskiva med en så låg tjocklek som 50 /um är emellertid mycket bräoklig och svårhanterlig vid tillverkningen. Vid anord- ningen enligt fig 5 används därför en kiselskiva med en tjocklek av exempelvis 150-300/um, som är en ur tillverkningesynpunkt lätthanterlig tjocklek. I ski- vans centrala del etsas sedan (underifrån i fig 5) in en grop så. långt att den centrala delen får en för fotodioden lämplig tjocklek, t ex SO/um. Ski- vans perifera del bibehåller den ursprungliga tjockleken och ger skivan god hållfasthet. Uppbyggnaden av den i skivans centrala del anordnade fotodioden och referensdioden överensstämmer i stort med den i fig 1 visade. Den gemen- samma anodanslutningen är emellertid gjord till skiktet 2 via ett runt ski- vans rand anordnat Ptdopat skikt 19, på. vilket kontaktskiktet 8 är anordnat.

Vidare är skivans undre yta försedd med ett SiOZ-skikt 22 som är försett med

Claims (7)

.uk 10 ¿v9o4711-4 en öppning mittför skiktet 10. liknitterkontaktskiktet 15 täcker hela. skivans undre yta och gör kontakt med skiktet 10 genom öppningen i skiktet 22. Den ovan beskrivna lavixxfotodioden är snabb och har hög och konstant för- stärkning, vilket gör den lämplig för t ex detektering av svaga och hög-frek- venta ljuspulser. I vissa tillämpningar, t ex för faskänslig detektering av intensitetsmodu- lerat ljus, kan det vara lämpligt att inte hålla multiplikationsfaktorn M konstant utan att i stället modulera M med viss frekvens. Detta. kan göras genom att t ex modulera strömmen IE, dvs strömkällan 20 i fig 2 anordnas att avge en ström som inte är konstant utan som varierar enligt önskat förlopp och med önskad frekvens. Även vid en sådan tillämpning ger en anordning en- ligt uppfinningen stora fördelar eftersom M enkelt och med hög noggrannhet, oberoende av variationer i matningsspämxizxg och temperatur, kan 'bringas att följs ett önskat förlopp. PATENTIQIAV

1. Lavinfotodiodanordníng med en lavmfotodiod (DF) och med organ för styrning av diodens multiplikationsfaktor, k ä n n e t e c k n a d därav, att den innefattar en med fotodioden (DF) integrerad referensdiod (DR), vilken utgörs av kollektordioden (2, 11, 12) hos en trensistor (10, 3, 2, 11 , 12), vara baskontakt (8) är gemensam för foto- och referenedioden och utgör deras ene. huvudelektrod, att diodernas andra. huvudelektroder (6, 15) är anordnade för anslutning till i huvudsak samma potential, och att tran- sistoms emmernnm (10) har kontalmrgen (15) för anslutning m1 en första strömkälle. och den gemensamma baskontakten (8) är anordnad för an- slutning till en andra strömkälla på sådant sätt, att förhållandet mellan de båda. etrömkällorzms strömmar och därmed fotodiodens multiplikationsfektor är styrbart.

2. Lavinfotodiodanordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e o k n s. d därav, att kvoten mellan de båda. strömkällornas strömmar är konstant.

3. Lavinfotodíodanordxring enligt något av föregående petentln-av, k ä. n n e t e c k n a d därav,_e.tt den translator (10, 3, 2, 11, 12), vars kollektordiod (2, 11, 12) utgör referensdioden, har sitt basskikt (2, 5) gemensamt med fotodioden; 7994711-4

4. Levinfotodiodanordning enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k n e. d därav, att basekiktet innefattar en gemensam del (2) samt första. och andra från varandra skilda delar (4, 11) med kraftigare dopning än den gemensame. delen, varvid den första delen (4) är anordnad invid fotodiodens PN-över- gång (4-5) och den andra delen (11) är anordnad invid tranaietorns kollek- torövergång (11. 12).

5. Lavinfotodiodanordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d därav, att referensdioden (2, 11, 12) och foto- dioden (2, 4, 5) har samma. dopning-sprofil.

6. Lavinfotodiodanordnizxg enlig-t något av föregående patentlcrav, k ä n n e t e c k: n a d därav, att transiatorn är så utformad, att dess stzcömförstärlcxzing är nära. lika med 1.

7. Lavinfotodiodanordning enligt något av föregående patentkz-av, k ä. n n e t e c k n a. d därav, att fotodioden och referensdioden är ut- bildade i en skiva. av halvledande material, varvid skivan har en del med lägre tjocklek än skivan i övrigt, i vilken del foto- och referensdioden är anordnade.