光电探测器响应时间实验研究-毕业设计论文

光电探测器响应时间实验研究
摘要
近几十年来，光电探测器在光通信、国防探测、信号处理、传感系统和测量系统等高精尖科技领域得到广泛的应用，在信息为导向的时代，时间就是生命，提高速度的需求日益紧迫，提高光电探测器响应速度的努力几乎从诞生它的一刻起就没停止过。

本实验主要研究光敏电阻和光电二极管的响应时间。

理论分析先从光敏电阻的光谱响应特性、照度伏安特性、频率响应、温度特性和前历效应来考察它的工作影响因素，确定光敏电阻响应时间与其入射光的照度、所加电压、负载电阻及照度变化前电阻所经历的时间的关系。

从光电二极管的模型分析，我们知道光电二极管的响应时间有三个方面决定：①光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；②光生载流子在耗尽层内的漂移时间；③与负载电阻并联的结电容所决定的电路时间常数。

文中将详细分析计算对比三个时间的数量级，以确定提高响应速度的最有效途径，并提出改善光电二极管的有效方法和PIN模型。

实验研究时，采用近似脉冲的光源，经探测器的输出信号输入快速响应的CS-1022型示波器，在示波器上直接读出响应时间，分析实验结果，得出影响探测器响应时间的因素。

关键词：光电探测器，响应时间，半导体，影响因素
Abstract
In recent decades, photoelectric detectors have been widely used in high-tech areas such as optical communications, national defense detection and signal processing, sensing system and measurement system .in the era which leaded by information, time is life. Improving speed increasingly is urgent needs of photoelectric detector. To improve the response speed, effort haven't been stopped from birth to its moment. This experiment mainly researchs photoconductive resistance and photoelectric diode response time. The theoretical analysis studys photoconductive resistance properties, intensity of illumination volt-ampere characteristics, frequency response and temperature characteristic and former calendar effect to examine its working influence factors, and find out the influencing factors between photoconductive resistance response time and incident light intensity of illumination, voltage, load resistance and the time experienced before intensity of illumination change. From the model analysis of the photoelectric diode, we know that the response time of the photoelectric diode has three aspects: (1) The diffusion time of photon-generated carrier near depletion layer.(2) The drift time of photon-generated carrier in depletion layer .(3) The constant of the circuit decided by junction capacitor which parallel with the load resistance . The detailed analysis and calculation of the order of magnitude of three time will be contrasted to determine the effective ways to improve photoelectric diode’s reaction speed,and the effective PIN model.In the experimental study, we use a pulse generator as light source, and the detector pulse output signal input quick response CS - 1022 type scillograph. So we can read direct response time in oscilloscope directly, then analyze the results, find out the factors which affect the probe response time.
Key word:Photoelectric detector, response time, semiconductor, influencing factors
目录
1 绪论 (1)
1.1光电探测器发展历程 (1)
1.2近年高速探测器的发展成果 (2)
1.3光电探测器的分类 (4)
1.4光电探测器的物理基础 (6)
2 典型光电探测器响应时间的研究 (10)
2.1光电导探测器 (10)
2.1.1光电转换原理 (10)
2.1.2工作特性分析 (12)
2.1.3时间响应特性及改善 (17)
2.2 PN结光伏探测器 (17)
2.2.1光电转换原理 (18)
2.2.2 光伏探测器的工作模式 (19)
2.2.3 Si光电二极管的构造与特性分析 (21)
2.2.4 频率响应特性及改善探讨 (24)
3光电探测器响应时间实验研究 (32)
3.1实验原理 (32)
3.1.1脉冲响应 (32)
3.1.2幅频特性 (33)
3.2实验仪器 (34)
3.3实验步骤 (35)
3.4实验结果与分析 (37)
结论 (39)
参考文献 (40)
致谢 (41)
1 绪论
自年第一台红宝石激光器问世以来，古老的光学发生了革命性的变化与此同时，电子学也突飞猛进地向前发展。

光学和电子学紧密联合形成了光电子学这一崭新的学科。

由此发展起来的光电子高新技术，已深入到人们生活的各个领域，从光纤通信，镭射唱盘到海湾战争中的现代化武器，都和光电子技术密切相关。

而光电探测器则是光电子系统中不可缺少的重要器件。

可以毫不夸大地说，没有光电探测器件，就没有今天的光电子学系统。

1.1光电探测器发展历程
1873年，英国W.史密斯发现硒的光电导效应，但是这种效应长期处于探索研究阶段，未获实际应用。

第二次世界大战以后，随着半导体的发展，各种新的光电导材料不断出现。

在可见光波段方面，到50年代中期，性能良好的硫化镉、硒化镉光敏电阻和红外波段的硫化铅光电探测器都已投入使用。

60年代初，中远红外波段灵敏的Ge、Si 掺杂光电导探测器研制成功，典型的例子是工作在3～5微米和8～14微米波段的Ge:Au （锗掺金）和Ge:Hg光电导探测器。

70年代，HgCdTe、PbSnTe等可变禁带宽度的三元系材料的研究取得进展。

至今，光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。

在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。

光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。

为了避免光生载流子扩散引起图像模糊，连续薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PbS-PbO、Sb2S3等。

其他材料可采取镶嵌靶面的方法，整个靶面由约10万个单独探测器组成。

同样，光伏探测器等利用不同光电效应、光热效应制成的各种光电探测器也得到飞速的发展。

由于体积小，重量轻，响应速度快，灵敏度高，易于与其它半导体器件集成，是光源的最理想探测器，广泛应用于光通信、信号处理、传感系统和测量系统。

尤其在近代高速信息传输的需求推动下，光伏探测器的响应频率从几百兆发展到几十吉赫兹，在西方发达国家，甚至几百吉赫兹的超高速通信传输网已投入试验。

1.2近年高速探测器的发展成果
为满足超高速光通信、信号处理、测量和传感系统的需要，半导体光电探测器正朝着超高速、高灵敏度、宽带宽以及单片集成的方向发展。

以下介绍几种近年来研究最多的几种光电探测器。

1、谐振腔增强型(RCE)光电探测器
高带宽的光信号探测，需要光电探测器的最佳典型结构是薄的光吸收区。

然而，薄的光吸收层必定导致半导体材料在吸收系数比较小的波长位置的量子时效率减小。

虽然带宽超过200GHz的光电探测器也已研制成功，但带宽效率积仍然受材料特性的限制。

在肖特基光电探测器中，金属接触中的光损耗进一步受到顶部照射器件量子效率的限制，增加器件的响应度只靠采用半透明的肖特基接触。

最近几年发展的光电子器件新种类--谐振腔增强型结构光电探测器，靠有源器件结构内部的法布里-泊罗谐振腔，使器件的量子效率在谐振波长位置猛烈增强，带宽效率积惊人地改善，致使允许制作薄的光吸收区。

所以，RCE结构探测器方案对肖特基型光电探测器特别有吸引力。

2、金属-半导体-金属行波光电探测器
低温生长GaAs(LTG-GaAs)基光电探测器（PD）由于它们短的响应时间、高的电带宽、低的暗电流，以及它们能够与其微波器件例如微波天线集成而受到大大关注。

然而，LTG-GaAs的宽吸收能隙（～800nm）限制了它在长波长（1300-1500nm）光通信的应用。

在长波长制式，几个PS的响应时间已从LTG-InGaAs基PD得到了，但这比短波长制式的LTG-GaAs基PD的亚PS响应时间长得多。

近来，有几个研究组在长波长光通信制式使用垂直照射结构或边缘耦合行波结构，演示了LTG-GaAs基p-i-n/n-i-n和MSM PD。

通过使用内部能隙对导带的欠态跃迁，在LTG-GaAs中得到了低于带隙的光子吸收。

然而，由于低于能隙的吸收系数比准能带-能带吸收系数小得多，用常规的垂直照射PD结构，得到的量子效率是极低的（约为0.6mA/W）。

边缘耦合的p-i-n/n-i-n行波PD结构，低效率问题可以靠增加器件的吸收长度克服。

虽然最大输出功率可随器件吸收长度而增加，但电带宽将严重地降低。

3、分离吸收梯度电荷和倍增雪崩光电探测器
雪崩光电二极管（APD）是0.92-1.65 m波长范围工作的现代长拖曳高比特速率光通信系统最广泛使用的光电探测器。

在各种APD结构中，分离吸收梯度电荷和倍增
（SAGCM）结构是最有前途的APD结构之一。

它具有高的性能例如：高的内部增益、可靠性改善，以及超过100GHz的高增益带宽积。

4、集成微镜的InGaAs光电探测器
光耦合在光通信的器件特性中是很重要的。

使用折射微镜可以增加光耦合效率和耦合容差。

因此，它的应用随光电子器件封装微型化而被广泛接受。

聚合物微镜已用于MSM光电探测器和光发射二极管。

半导体材料有比较高的折射率，符合需要大合成数值孔径的微镜。

至今，对半导体微镜的研究方法包括：光致抗蚀剂回流干腐蚀、表面微机械和投影掩模再生长等。

然而，这些方法需要多工艺步骤和高价的工艺设备。

2002年，韩国Samsung电子公司光电子部的S.R.Cho等人，研制了与半导体微镜集成的InGaAs p-i-n光电探测器。

这种p-i-n光电探测器具有典型的外延层结构。

它由
n+-InP缓冲层、n -InGaAs吸收层和n -InP项层组成。

全部外延层用金属有机气相外延（MOVPE）技术生长在n+-InP衬底上。

然后，P区用SiN掩蔽的后置生长Zn扩散工艺选择形成。

圆形微镜制作在InP-InGaAs-InP p-i-n光电探测器的后部，这是InP晶体。

在微镜制作之前，InP衬底减薄到120 m并且抛光。

测量结果表明，这种与半导体微镜集成的InGaAs p-i-n光电探测器的光纤耦合容差提高超过50%。

5、量子阱红外光电探测器
量子阱红外光电探测器（QWIP）受到许多商业、工业和军事应用的关注，因为它们的性能可以与传统的HgCdTe探测器竞争。

目前，大多数QWIPs是生长在GaAs （GsAs-AlGaAs材料系统）和InP（InGaAs-InP材料系统）衬底上，基于这些QWIPs
的大制式焦平面阵列（FPA）摄像机已经研制成功了。

但是，FPA的读出集成电路（ROIC）是硅基的，复杂的技术象倒装晶片焊接技术使FPA与硅基ROIC混合集成为必需的技术。

2002年，IEEE会员J.Jiang等人，用Si作衬底研制了InGaAs-InP量子阱红外光电探测器。

使用低温成核层技术和厚缓冲层材料生长技术在Si上生长InP。

使用现场热循环退火技术减少InP在Si上的线错密度。

使用这个方法，使探测器的暗电流减小2个数量级，在77K和7-9 m波长范围得到探测灵敏度高达2.3 109cmHz1/2/W。

6、高速叉指式Ge PIN光电探测器
工作在1.3 m波长，用于高速和长拖曳光传输的光电探测器是光传输系统广泛研究的主题。

至今，许多这个工作都集中在Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的长波长光电探测器。

Ge
被认为是代替材料，因为它有适合于1.3 m波长的带隙，间接带隙0.67eV，直接带隙0.81eV。

Ge有达到高速性能的潜力，因为它在电信波长有高的电子迁移率和高的光吸收系数。

此外，Ge有希望应用于例如微波和毫米波光子系统，这种需要高的光电流和高的线性度的系统。

近来Ge在Si衬底上外延层的沉积工艺技术使Ge更有吸引力，因为它容易与Si集成电路技术兼容。

已有报道用在Si衬底外延生长的Ge制作金属-半导体-金属（MSM）光电探测器。

为了得到高的响应度，使用叉指式的平面结构。

平面结构的MSM光电探测器已广泛应用，因为它比较容易制作和具有低的电容。

然而，MSM 探测器与PIN探测器比较，量子效率低，暗电流大。

7、位敏探测器
位敏探测器（PSDs）是一种重要的光传感器。

薄膜型晶硅基分离器件具有许多优点，其中主要优点是有潜力制作大面积器件而没有内部中断或分界面，以便它们对光输入信息提供连续的传感。

PSD用于准直、光处理和机器人视觉系统等。

2001年，澳大利亚西部大学电气与电子工程学院的J.Henry等人，用新的氢化非晶硅（a-Si∶H）肖特基势垒结构制作的薄膜位敏探测器PSD与常规的晶体硅器件位敏探测器进行了比较研究。

测得a-Si∶H结构的器件输出线性相关系数为r=0.983-0.997，晶硅器件如Pt/C-Si和Au-In/C-Si器件的r近似为1。

另外a-Si∶H结构器件的空间分辨小于50 m，而晶硅（C-Si）结构器件的空间分辨小于10 m。

1.3光电探测器的分类
我们知道，要探知一个客观事物的存在及其特性，一般都是通过测量对探测者所引起的某种效应来完成的。

在光电子技术领域，也常把光辐射量转换成电量来测量。

电量不仅最方便，而且最精确。

即便直接转换量不是电量，通常也总是把非电量（如温度、体积等）再转换为电量来实施测量，因此，凡是把光辐射量转换为电量（电流或电压）的光探测器，都称为光电探测器。

很自然，了解光辐射对光电探测器产生的物理效应是了解光探测器工作的基础。

光电探测器的物理效应通常分为两大类：光子效应和光热效应。

在每一大类中，又可分为若干细目，如表1.1所列。

表1.1（a）光子效应分类
表1.1（b）光热效应分类
光子效应。

是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。

探测器吸收光子后。

直接引起原子或分子内部电子状态的改变。

光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。

因为光子能量是，所以光子效应就对光波频率表现出选择性在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快。

光热效应则完全不同。

探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测器元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其它物理性质发生变化。

所以，光热效应与单光子能量的大小没有直接关系。

原则上，光热效应对光波频率没有选择性，只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就越强烈，所以广泛用于对红外辐射的探测。

因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。

值得注意的是，谓热释电效应是响应与材料的温度变化率，比其它光热效应的响应速度要快得多，并己获得日益广泛的应用。

1.4光电探测器的物理基础
1、光电发射效应
在光照下，物体向表面以外空间发射电子（即光电子）的现象称为光电发射效应。

能产生光电发射效应的物体称为光电发射体，在光电管中又称为光阴极。

著名的爱因斯坦方程描述了该效应的物理原理和产生条件。

爱因斯坦方程是
式中，，是电子离开发射体表面时的动能，m是电子质量，是电子离开时的速度；是光子能量；是光电发射体的功函数。

该式的物理意义是：如果发射体内的电子所吸收的光子的能量h大于发射体的功函数的值，那么电子就能以相应的速度从发射体表面逸出。

光电发射效应发生的条件为
用波长表示时有
或
式中大于和小于表示电子逸出表而的速度大于零，等号则表示电子以零速度逸出，即静止在发射体表而上。

这里和分别称为产生光电发射的入射光波的截止频率和截止波长。

可见，小的发射体才能对波长较长的光辐射产生光电发射效应。

2、光电导效应
光电导效应只发生在某些半导体材料中。

半导体和金属的导电机构完全不同，在0 K 时，导电载流子浓度为零。

在0 K以上，由于热激发而不断产生热生载流子（电子和空穴），它在扩散过程中又受到复合作用而消失。

在热平衡下，单位时间内热生载流子的产生数目正好等于因复合而消失的数目。

在外电场E的作用下，载流子产生漂移运动。

图 1.1 说明光电导用图
参看图1.1，光辐射照射外加电压的半导体。

如果光波长满足如下条件:
式中，是禁带宽度，是杂质能带宽度。

那么光子将在其中产生出新的载流子（电
子和空穴）。

这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了一个量△n和△p。

这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子，我们现在称之为光生载流子。

显然，△P和△n将使半导体的电导增加一个量△G，我们称之为光电导效应。

3、光伏效应
如果光导现象是半导体材料的体效应，那么光伏现象则是半导体材料的―结‖效应。

也就是说，实现光伏效应需要有内部电势垒，当照射光激发出电子一空穴对时，电势垒的内建电场将把电子一空穴对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，形成光生伏特效应。

我们知道，PN结的基本特征是它的电学不对称性，在结区有一个从N侧指向P
侧的内建电场存在。

热平衡下，多数载流子（N侧的电子和P侧的空穴）的扩散作用与少数载流子（N侧的空穴和P侧的电子）由于内电场的漂移作用相互抵消，没有净电流通过PN结。

此为零偏状态，如果照射光的波长满足条件
（1.6）
那么，无论光照N区或P区，都会激发出光生电子一空穴对。

例如光照P区，如图1.2所示。

由于P区的多数载流子是空穴，光照前热平衡空穴浓度本来就比较大，因此光生空穴对P区空穴浓度影响很小。

相反地，光生电子对P区的电子浓度影响很大，从P区表面（吸收光能多，光生电子多）向区内自然形成电子扩散趋势。

如果P区的厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电子都能扩散进PN结，一进入PN结，就被内电场扫向N区。

这样，光生电子一空穴对就被内电场分离开来，空穴留在P区，电子通过扩散流向N区。

这时用电压表就能量出P区正N区负的开路电压，称为光生伏特效应。

图1.2光生伏特效应
以上我们说明了三种光子效应，下面我们再说明两种常用的光热效应。

4、温差电效应
当两种不同的配偶材料（可以是金属或半导体），两端并联熔接时，如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电效应。

5、热释电效应
当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷。

这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。

2 典型光电探测器响应时间的研究
光电导探测器和光生伏特器件是国防、空间技术、工农业科学技术中得到广泛应用的光电探测器，也是本次实验研究用到的两类探测器，下面将详述其构造、工作原理与特性。

2.1 光电导探测器
利用光电导效应原理而工作的探测器称为光电导探测器，又称光敏电阻或光导管。

本征型光敏电阻一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测；非本征型光敏电阻通常必须在低温条件下工作，常用于中、远红外辐射探测。

由于光敏电阻没有极性，只要把它当作阻值随光照强度而变化的可变电阻来对待即可，因此在电子电路、仪器仪表、光电控制、计量分析以及光电制导、激光外差探测等领域中获得了十分广泛的应用。

常用的光敏电阻有CdS，CdSe，PbS，InSb以及TeCdHg等。

其中CdS是工业应用最多的，而PbS主要用于军事装备。

2.1.1 光电转换原理
以非本征N型材料为例，分析模型如图2.1所示。

图中u表示端电压，L、w、h分别表示材料的尺寸，光功率P在x方向均匀入射。

现在我们来求在上述条件下它所产生的光电流i等于多少。

如果光电导材料的吸收系数为a，表而反射率为R，那么光功率在材料内部沿x方向的变化规律为
因为端而光照均匀。

所以光生面电流密度j在x方向变化：
图2.1光敏电阻分析模型
式中，e是电子电荷，是电子在外电场方向的漂移速度，为电子在x处的体密度。

流过电极的总电流i为
利用稳态下电子产生率和复合率相等即可求出。

如果电子的平均寿命为，那么电子的复合率为，而电子的产生率等于单位体积、单位时间吸收的光子数乘以量子效率，即，于是
把式代入式，有
式中，
其中，是有效量子效率，M为电荷放大系数，亦称光电导体的光电流内增益，是载流子平均寿命与载流子渡越时间之比。

内增益M的大小主要由探测器类型、端电压u 和结构尺寸L决定。

光电导探测器的实际结构如图2.2所示。

掺杂导体薄膜淀积在绝缘基底上，然后在薄膜而上蒸镀金或钢等金属，形成梳状电极结构。

这种排列使得间距很近（即L小、M大）的电极之间具有较大的光敏而积，从而获得高的灵敏度为了防止潮湿对灵敏度的影响，整个带子采用密封结构。

1一光电导体；2一电极；3一绝缘基底；4导电层
（a）梳状式；（b）刻线式；（c）夹层式
图2.2光敏电阻结构示意图
2.1.2 工作特性分析
光敏电阻的性能可依据其光谱响应特性、照度伏安特性、频率响应和温度特性来判别。

依据这些特性，在实际应用中就可以有侧重，从而合理地选用光敏电阻。

1、光谱响应特性
光敏电阻对各种光的响应灵敏度随入射光的波长变化而变化的特性称为光谱响应
特性。

光谱响应特性通常用光谱响应曲线、光谱响应范围以及峰值响应波长来描述。

峰值波长取决于制造光敏电阻所用半导体材料的禁带宽度。

其值可由下式估算：
式中为峰值响应波长（nm），为禁带宽度（eV）。

峰值响应波长的光能把电子
直接由价带激发到导带。

实际光电半导体中，由于杂质和晶格缺陷所形成的能级与导带间的禁带宽度比价带与导带间的主禁带宽度要窄得多，因此波长比峰值波长长的光将把这些杂质能级中的电子激发到导带中去，从而使光敏电阻的光谱响应向长波方向有所扩展。

另外，光敏电阻对波长短的光的吸收系数大，使得表面层附近形成很高的载流子浓度。

这样一来，自由载流子在表面层附近复合的速度也快。

从而使光敏电阻对波长短于峰值响应波长的光的响应灵敏度降低。

综合这两种因素，光敏电阻总是具有一定响应范围的光谱响应特性。

利用半导体材料的掺杂以及用两种半导体材料按一定比例混合并烧结形成固溶体
的技术，可使光敏电阻的光谱响应范围和峰值响应波长获得一定程度的改善，从而满足某种特殊需要。

图2.3给出了CdS、CdSe、PbS光敏电阻的典型光谱响应特性曲线。

图2.3二种光敏电阻的光谱响应特性
光电特性和伏安特性
2、照度伏安特性
式（2. 5）是理想情况下的光敏电阻的光电转换关系式。

由于许多实际因素的影响，光敏电阻（在一定端偏压u条件下）的光照特性呈非线性关系，即
式中均为常数。

K与器件的材料、尺寸、形状以及载流子寿命有关；电
压指数的值一般在1.0 1.2之间，在烧结体中主要受接触电阻等因素影响；是照度指
数，由杂质的种类及数量决定，其值约在0.5.0之间。

在低偏压（几伏到几十伏）、弱光照条件下。

通常可取于是式变为
这样无论是光电特性（i-P关系）还是伏安特性（i-u关系）都认为是线性特性。

图2.4 光敏电阻工作电路
图所示的电路中，省掉了极间电容，所以上述分析只适用于低频情况。

当
入射光功率变化频率较高时，在等效电路中一定不能省去。

从前而的讨论知道，为了得到较大的电流增益M，总是设法减小极间距离L。

但这又使增大。

导致器件时间常
数增大，使响应频率减小。

所以一般说，光敏电阻的响应频率比较低，响应时间比较长，这也是它的不利因素之一。

3、前历效应
前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前―历史‖有关的一种现象。

前历效应有暗态前历与亮态前历之分。

暗态前历效应：是指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态。

前历越长，光电流上升越慢。

其效应曲线如下图所示。

一般，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。