Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ИК-ФОТОДИОДА
|
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 9
1.1 Принцип и режимы работы фотодиодов 9
1.3 Основные параметры фотодиодов 13
1.4 Описание структуры фотодиода 22
1.5 Выбор материала обоснование выбранной структуры 26
Вывод к главе 1 29
ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА ЭПИТАКСИАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ 31
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МАРШРУТ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОДИОДА.
МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФОТОДИОДА 31
2.1 Технология изготовления фотодиода из полученной структуры 31
2.1 Методика измерения ВАХ фотодиода 35
2.2 Методика измерения ВФХ фотодиода 37
2.3 Описание методики измерения чувствительности с помощью
монохроматора и опорного фотодиода 41
2.4 Описание методики измерений дискретным способом 45
2.5 Методика измерения частотных и временных характеристик фотодиода 52
Вывод к главе 2 55
ГЛАВА 3 ПРОВЕДЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ИК-ФОТОДИОДОВ 56
3.1 Исследование ВАХ фотодиода 56
3.2 Исследование ВФХ фотодиода 57
3.3 Измерение абсолютной чувствительности дискретным способом 61
3.4 Результаты измерений спектральной чувствительности фотодиодов в на
специализированном оборудовании 67
3.5 Проведение измерений времени нарастания и спада 69
Вывод к главе 3 73
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 75
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 76
ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 9
1.1 Принцип и режимы работы фотодиодов 9
1.3 Основные параметры фотодиодов 13
1.4 Описание структуры фотодиода 22
1.5 Выбор материала обоснование выбранной структуры 26
Вывод к главе 1 29
ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА ЭПИТАКСИАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ 31
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МАРШРУТ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОДИОДА.
МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФОТОДИОДА 31
2.1 Технология изготовления фотодиода из полученной структуры 31
2.1 Методика измерения ВАХ фотодиода 35
2.2 Методика измерения ВФХ фотодиода 37
2.3 Описание методики измерения чувствительности с помощью
монохроматора и опорного фотодиода 41
2.4 Описание методики измерений дискретным способом 45
2.5 Методика измерения частотных и временных характеристик фотодиода 52
Вывод к главе 2 55
ГЛАВА 3 ПРОВЕДЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ИК-ФОТОДИОДОВ 56
3.1 Исследование ВАХ фотодиода 56
3.2 Исследование ВФХ фотодиода 57
3.3 Измерение абсолютной чувствительности дискретным способом 61
3.4 Результаты измерений спектральной чувствительности фотодиодов в на
специализированном оборудовании 67
3.5 Проведение измерений времени нарастания и спада 69
Вывод к главе 3 73
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 75
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 76
Фотодиоды применяют в различных областях науки и техники. Их широкое применение обусловлено высокой чувствительностью в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. Фотодиоды обладают возможностью работы при небольшом напряжении и малом токе, имеют слабые шумы, большой срок службы, а также простую схему применения. Так, в вычислительной технике фотодиоды используют в устройствах ввода и вывода информации. Широкое применение фотоприемники находят в военной технике. Так, применение фотоприемников в головках наведения ракет, было одним из первых применений фотоприемников в военной технике.
Широко используют фотодиоды в регистрирующих и измерительных приборах фотометрии, в киноаппаратуре и фототелеграфии. В последние годы фотодиоды стали применять для автоматизации производственных процессов. Широкое применение фотодиоды должны найти в быстро развивающейся оптоэлектронике. В основном фотодиоды используют в фотодиодном режиме, т.е. при обратном смещении p-n-перехода. Однако в некоторых случаях целесообразно применять вентильный режим, в котором шумы значительно меньше, например, при регистрации малых световых потоков, когда сигнал сравним с уровнем шумов и изменения темнового тока сравнимы с фототоком [1].
Цель работы. Целью магистерской диссертации является разработка и исследование характеристик полупроводникового ИК-фотодиода.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. провести анализ современных литературных источников, в которых освещена рассматриваемая проблематика;
2. разработать эпитаксиальную структуру и на ее основе изготовить опытные образцы ИК-фотодиодов соответствующего техническим требованиям:
диапазон длин волн: 0,65-0,89 мкм;
максимальный темновой ток: не более 5 нА;
время нарастания и спада импульса: 10 нс;
емкость кристалла при обратном смещении 10 В: не более 20 пФ;
абсолютная чувствительность: не менее 0,3 А/Вт;
напряжение пробоя: более 20 В.
3. подготовить измерительное оборудование и образцы для проведения измерений;
4. разработать методики проведения измерений.
Научная новизна работы состоит в том, что:
1. Разработана эпитаксиальная структура ИК-фотодиода с максимальной чувствительностью в диапазоне длин волн 850 - 870 нм;
2. Разработан технологический маршрут изготовления ИК-фотодиода.
3. Разработана методика измерения абсолютной чувствительности
Практическая значимость.
1. Продемонстрирована технология изготовления ИК фотодиодов на основе соединений А3В5;
2. Исследованы эксплуатационные характеристики и параметры ИК фотодиода необходимые для его производства и внедрения;
3. После оптимизации структуры, возможно ее использование в составе оптопары.
Положения, выносимые на защиту.
1) Разработанная эпитаксиальная структура позволяет получить фотодиод с максимальной чувствительностью на длине волны 865 нм;
2) Разработанная методика определения абсолютной чувствительности фотодиода, позволяет достоверно определить значение данного параметра.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 81 страницу машинного текста, включая 34 рисунка, 14 формул, 9 таблиц и списка литературы из 45 наименований. В соответствии с поставленными задачами вся диссертационная работа разделена на три главы.
Первая глава посвящена обзору литературы, в которой рассмотрен принцип и режимы работы полупроводниковых фотодиодов. В представленной главе рассмотрены основные полупроводниковые материалы применяемые для изготовления фотодиодов. Также в данной главе представлены основные параметры фотодиодов и их зависимость от выбранного материала. На основании проведенного литературного обзора и технического задания на изготовление фотодиода, произведен выбор материала и дизайна разрабатываемой эпитаксиальной структуры. В конце главы сформулированы основные цели и задачи диссертационной работы, основанные на анализе исследованной литературы.
Во второй главе рассмотрена технология изготовления фотодиодного кристалла на основе разработанной эпитаксиальной структуры.
Составлены методики измерения основных параметров фотодиодов, вольт-амперных, вольт-фарадных, временных параметров, а также методики измерения чувствительности. Для измерения абсолютной чувствительности фотодиода разработана методика измерения дискретным способом, обеспечивающая погрешность измерения чувствительности 11%.
Также в главе были представлены схемы измерения и технические параметры измерительного оборудования, а также, разработанное для выполнения измерений оборудование и оснастка.
В основной части диссертации приводятся результаты измерений параметров фотодиодов. В частности результаты измерения параметров указанных в техническом задании и проводится оценка их соответствия данным требованиям. В конце главы сделано заключение о соответствии параметров изготовленных фотодиодов требованиям ТЗ.
Широко используют фотодиоды в регистрирующих и измерительных приборах фотометрии, в киноаппаратуре и фототелеграфии. В последние годы фотодиоды стали применять для автоматизации производственных процессов. Широкое применение фотодиоды должны найти в быстро развивающейся оптоэлектронике. В основном фотодиоды используют в фотодиодном режиме, т.е. при обратном смещении p-n-перехода. Однако в некоторых случаях целесообразно применять вентильный режим, в котором шумы значительно меньше, например, при регистрации малых световых потоков, когда сигнал сравним с уровнем шумов и изменения темнового тока сравнимы с фототоком [1].
Цель работы. Целью магистерской диссертации является разработка и исследование характеристик полупроводникового ИК-фотодиода.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. провести анализ современных литературных источников, в которых освещена рассматриваемая проблематика;
2. разработать эпитаксиальную структуру и на ее основе изготовить опытные образцы ИК-фотодиодов соответствующего техническим требованиям:
диапазон длин волн: 0,65-0,89 мкм;
максимальный темновой ток: не более 5 нА;
время нарастания и спада импульса: 10 нс;
емкость кристалла при обратном смещении 10 В: не более 20 пФ;
абсолютная чувствительность: не менее 0,3 А/Вт;
напряжение пробоя: более 20 В.
3. подготовить измерительное оборудование и образцы для проведения измерений;
4. разработать методики проведения измерений.
Научная новизна работы состоит в том, что:
1. Разработана эпитаксиальная структура ИК-фотодиода с максимальной чувствительностью в диапазоне длин волн 850 - 870 нм;
2. Разработан технологический маршрут изготовления ИК-фотодиода.
3. Разработана методика измерения абсолютной чувствительности
Практическая значимость.
1. Продемонстрирована технология изготовления ИК фотодиодов на основе соединений А3В5;
2. Исследованы эксплуатационные характеристики и параметры ИК фотодиода необходимые для его производства и внедрения;
3. После оптимизации структуры, возможно ее использование в составе оптопары.
Положения, выносимые на защиту.
1) Разработанная эпитаксиальная структура позволяет получить фотодиод с максимальной чувствительностью на длине волны 865 нм;
2) Разработанная методика определения абсолютной чувствительности фотодиода, позволяет достоверно определить значение данного параметра.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 81 страницу машинного текста, включая 34 рисунка, 14 формул, 9 таблиц и списка литературы из 45 наименований. В соответствии с поставленными задачами вся диссертационная работа разделена на три главы.
Первая глава посвящена обзору литературы, в которой рассмотрен принцип и режимы работы полупроводниковых фотодиодов. В представленной главе рассмотрены основные полупроводниковые материалы применяемые для изготовления фотодиодов. Также в данной главе представлены основные параметры фотодиодов и их зависимость от выбранного материала. На основании проведенного литературного обзора и технического задания на изготовление фотодиода, произведен выбор материала и дизайна разрабатываемой эпитаксиальной структуры. В конце главы сформулированы основные цели и задачи диссертационной работы, основанные на анализе исследованной литературы.
Во второй главе рассмотрена технология изготовления фотодиодного кристалла на основе разработанной эпитаксиальной структуры.
Составлены методики измерения основных параметров фотодиодов, вольт-амперных, вольт-фарадных, временных параметров, а также методики измерения чувствительности. Для измерения абсолютной чувствительности фотодиода разработана методика измерения дискретным способом, обеспечивающая погрешность измерения чувствительности 11%.
Также в главе были представлены схемы измерения и технические параметры измерительного оборудования, а также, разработанное для выполнения измерений оборудование и оснастка.
В основной части диссертации приводятся результаты измерений параметров фотодиодов. В частности результаты измерения параметров указанных в техническом задании и проводится оценка их соответствия данным требованиям. В конце главы сделано заключение о соответствии параметров изготовленных фотодиодов требованиям ТЗ.
Проанализировав проведенную работу можно сделать выводы:
В результате проделанной работы были выполнены поставленные задачи:
- разработана эпитаксиальная структура;
- разработан технологический маршрут изготовления фотодиодного кристалла согласно требованиям технического задания на основе разработанной и изготовленной в АО «НИИПП» структуры;
- изготовлены опытные образцы фотодиодных кристаллов на основе эпитаксиальной структуры отечественного производства;
- выбран корпус для кристаллов и выполнен их монтаж для исследования эксплуатационных характеристик опытных образцов фотодиодов;
- на основании проведенных исследований сделан вывод, что опытная партия фотодиодов удовлетворяет требованиям технического задания по всем параметрам:
- диапазон чувствительности к оптическому излучению;
- пробивное напряжение при обратном смещении;
- максимальный темновой ток;
- емкость кристалла фотодиода при обратном смещении;
- временная характеристика фотодиода;
- чувствительность фотодиода.
- разработанная эпитаксиальная структура позволяет получить фотодиод с максимальной чувствительностью на длине волны 865 нм.
- разработана и проверена работоспособность и подтверждена достоверность методики определения абсолютной спектральной чувствительности фотодиодов, с помощью измерения зависимости чувствительности фотодиода от расстояния до источника излучения
В результате проделанной работы были выполнены поставленные задачи:
- разработана эпитаксиальная структура;
- разработан технологический маршрут изготовления фотодиодного кристалла согласно требованиям технического задания на основе разработанной и изготовленной в АО «НИИПП» структуры;
- изготовлены опытные образцы фотодиодных кристаллов на основе эпитаксиальной структуры отечественного производства;
- выбран корпус для кристаллов и выполнен их монтаж для исследования эксплуатационных характеристик опытных образцов фотодиодов;
- на основании проведенных исследований сделан вывод, что опытная партия фотодиодов удовлетворяет требованиям технического задания по всем параметрам:
- диапазон чувствительности к оптическому излучению;
- пробивное напряжение при обратном смещении;
- максимальный темновой ток;
- емкость кристалла фотодиода при обратном смещении;
- временная характеристика фотодиода;
- чувствительность фотодиода.
- разработанная эпитаксиальная структура позволяет получить фотодиод с максимальной чувствительностью на длине волны 865 нм.
- разработана и проверена работоспособность и подтверждена достоверность методики определения абсолютной спектральной чувствительности фотодиодов, с помощью измерения зависимости чувствительности фотодиода от расстояния до источника излучения