光电探测器综述(PD)讲解

光电探测器综述

摘要：近年来，围绕着光电系统开展了各种关键技术研究，以实现具有高集成

度、高性能、低功耗和低成本的光电探测器（Photodetector）及光电集

成电路（OEIC）已成为新的重大挑战。尤其是具有高响应速度，高量

子效率和低暗电流的高性能光电探测器，不仅是光通信技术发展的需

要，也是实现硅基光电集成的需要，具有很高的研究价值。本文综述了

近十年来光电探测器在不同特性方向的研究进展及未来几年的发展方

向，对其的结构、相关工艺和制造的研究具有很重要的现实意义。

关键词：光电探测器，Si ,CMOS

Abstrac t: In recent years, around the photoelectric system to carry out the study of all kinds of key technologies, in order to realize high integration, high

performance, low power consumption and low cost of photoelectric

detector (Photodetector) and optoelectronic integrated circuit (OEIC) has

become a major new challenge. Especially high response speed ，high

quantum efficiency, and low dark current high-performance photodetector,

is not only the needs for development of optical communication technology,

but also realize the needs for silicon-based optoelectronic integrated,has the

very high research value.This paper reviews the development of different

characteristics and results of photodetector for the past decade, and discusses the

photodetector development direction in the next few years,the study of high

performance photoelectric detector, the structure, and related technology,

manufacturing, has very important practical significance.

Key Word: photodetector, Si ,CMOS

一、光电探测器

1.1概念

光电探测器在光通信系统中实现将光转变成电的作用，这主要是基于半导体材料的光生伏特效应，所谓的光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。（光电导效应是指在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化的象。即当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象，光子作用于光电导材料，形成本征吸收或杂质吸收，产生附加的光生载流子，从而使半导体的电导率发生变化，产生光电导效应。）

1.2分类

根据器件对辐射响应的方式不同或者说器件工作的机理不同，光电探测器可分为两大类[1]：一类是光子探测器；另一类是热探测器。根据形态也可分为两大类：一是真空光电器件；另一类是固体光电器件。固体光电器件又包括光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管等。

1.3工作原理

光电探测器的基本工作机理包括三个过程：（1）光生载流子在光照下产生；（2）载流子扩散或漂移形成电流；（3）光电流在放大电路中放大并转换为电压信号。当探测器表面有光照射时，如果材料禁带宽度小于入射光光子的能量即Eg

当光在半导体中传输时，光波的能量随着传播会逐渐衰减，其原因是光子

在半导体中产生了吸收。半导体对光子的吸收最主要的吸收为本征吸收，本征吸收分为直接跃迁和间接跃迁。通过测试半导体的本征吸收光谱除了可以得到半导体的禁带宽度等信息外，还可以用来分辨直接带隙半导体和间接带隙半导体。本征吸收导致材料的吸收系数通常比较高，由于半导体的能带结构所以半导体具有连续的吸收谱。从吸收谱可以看出，当本征吸收开始时，半导体的吸收谱有一明显的吸收边。但是对于硅材料，由于其是间接带隙材料，与三五族材料相比跃迁几率较低，因而只有非常小的吸收系数，同时导致在相同能量的光子照射下在硅材料中的光的吸收深度更大。直接带隙材料的吸收边比间接带隙材料陡峭很多，图1-1 画出了几种常用半导体材料（如GaAs、InP、InAs、Si、Ge、GaP 等材料）的入射光波长和光吸收系数、渗透深度的关系[2]。

图 1 -1半导体材料光吸收系数与波长的关系

1.4 光电探测器的性能指标

光电探测器的性能指标主要由量子效率、响应度、响应速度和本征带宽、光

电流，暗电流和噪声等指标组成：

1.量子效率：

%100-⨯=入射光子数空穴对个数生成的电子η ○1

)1(a

s e ωαη--= ○

2 （wa 表示吸收层的厚度，αs 表示光吸收系数，入射波长 λ、材料消光系数 k 决定吸收系数 αs=4πk/λ。）考虑实际情况，入射光在探测器表面会被反射。

同时探测器表面存在一定宽度的接触掺杂区域，其中也会产生光子的消耗，考虑以上两种因素的量子效率的表达式：

)1()1(a

s s w d f e e R ααη---⋅⋅-= ○3

其中 d 表示接触层厚度，Rf 表示光电探测器表面的反射率。反射率与界面

的折射率 nsc 和吸收层的消光系数 κ 有关，Rf 可以表示成下式：

2

222)1()1(κκ+++-=sc sc f n n R ○4

2.响应度：

定义为光电探测器产生光电流与入射光功率比，单位通常为 A/W 。响应度

与量子效率的大小有关，为量子效率的外在体现。响应度 R ：

r p P I R =

或 r p P V R = ○5

p I 表示光电探测器产生的光电流，Pr 代表入射光功率。则量子效率可变为

下式表示：

hv P q I r p //=

η ○6

进而可得响应度的公式为：