第14-3章光电探测器

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光电导效应
光电导效应只发生在某些半导体材料中，金 属没有光电导效应。
1.半导体材料的电导概念： 金属之所以导电，是由于金属原子形成晶体
时产生了大量的自由电子。自由电子浓度n是 个常量，不受外界因素影响。 半导体和金属的导电机构完全不同，在0K时， 导电载流子浓度为零。在0K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。
用下，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使
P区带正电，N区带负电，
形成光生电动势。
PN
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§14.3 光电探测器
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。
1。按照材料分。 2。按照器件波段分类。
可见Si、InGaAs，红外Ge、 InGaAs、 GaAs，远红 外TeCdHg
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拉通型APD,耗尽层”拉通”到整个π区
P＋与 N+分别为重掺杂的P 型材料与N 型材料，π为近似本征
型的材料。当外加反向偏压较低时，它与PIN 光二极管相似，
即入射光仅能产生较小的光电流。随着反向偏压的增大，其耗
尽层的宽度也逐渐增加，当反向偏压增加到一定数值（如100
伏以上）时，则耗尽层会穿过P 区而进入π区形成了高电场区
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雪崩光电二极管（A P D）
雪崩光电二极管的结构
当耗尽区中的场强达到足够高时，入射光产生 的电子或空穴将不断被加速而获得很高的能量，这 些高能量的电子和空穴在运动过程中与晶格碰撞， 使晶体中的原子电离，激发出新的电子—空穴对。这 些碰撞电离产生的电子和空穴在场中也被加速，也 可以电离其它的原子。
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当光照射到光电导体上时，若光电导体为本 征半导体材料，而且光辐射能量又足够强， 光导材料价带上的电子将激发到导带上去， 从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使 光导体的电导率变大。
光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱 特性、很长的使用寿命、高度的稳定性能、 小的体积及工艺简单，故应用广泛。
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(μm)

c

1.24 Eg (eV)
(本征)
本征吸收是半导体吸收光的主要机制， 从而构成光电探测器工作的基础。
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吸 收 系数(cm－ 1) In0.70Ga0.30As 0.64P0.36
In 0. 5 3 Ga0. 4 7 As
105 Ge
104 GaA s
103
102 Si
材料的带隙决 定了截止波长 要大于被检测 的光波波长， 否则材料对光 透明，不能进 行光电转换。
经过多次电离后，载流子迅速增加，形成雪崩 倍增效应。
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雪崩光电二极管的结构
APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到 倍增的高灵敏度的检测器。
下图为一种被称为拉通型APD（RAPD） 的结构。π层为低掺杂区（接近本征态），而 且很宽。当偏压加达到一定程度后，耗尽区将 被拉通到π层，一直抵达P+层。
这是一种全耗尽型结构，具有光电转换 效率高、响应速度快和附加噪声低等优点。
无论是直接带隙半导体还是间接带隙半导体，都 能制成光电探测器。
光于能量较大(>Eg)时，将发生本征吸收，而能 量大于能带同杂质能级之差时，可观察到杂质吸 收、自由载流子吸收。
本征吸收、杂质吸收等是半导体吸收光的主要机 制，从而构成光电探测器工作的基础。
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光辐射照射外加电压的半导体。如果光波 长λ满足如下条件，即：
到导带上，形成一个电子
—空穴对。
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在耗尽区，在内建电场的作用下电子向N区漂移， 空穴向P区漂移，如果PN结外电路构成回路，就会形 成光电流。当入射光功率变化时，光电流也随之线性 变化，从而把光信号转换成电信号。当入射光子能量 小于Eg时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生， 即产生光电效应必须满足：
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。
基于这种效应的光电器件有光敏电阻。
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光电效应 ------内光电效应
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。
电子能量E
np ni2
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Hale Waihona Puke Baidu
光 面积A 导带
导带
施主能级
Ei
+V 禁带
Eg
受主能级
Ei
L
价带
本征
价带 -电子
杂质
-空穴
式中Eg是禁带宽度，Ei是杂质能带宽度。那么光 子将在其中发出新的载流子(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
Wavelength nm
与书上图６-８相同
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(3)依器件结构分类 结构主要有四种：光电
二极管、PIN光电二极管、雪崩光电二极管 和MSM光电探测器。PN结光电二极管结构 最简单，PIN光电二极管结构稍复杂一些， 性能优异、应用最广；雪崩光电二极管结构 复杂，同时兼有探测和放大两种功能；MSM 光电探测器无需制造pn结，适合于难于掺杂 的半导体材料。
子，我们现在称之为光生载流子。显然，n 和 p
将使半导体的电导增加一个量 G ，我们称之为
光电导。
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光敏电阻的主要参数和基本特性
暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电 流 光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电 阻，此时流过的电流为暗电流。 在受到光照时的电阻称为亮电阻，此时的 电流称为亮电流。 亮电流与暗电流之差为光电流。
3。按照器件结构分类。
PD、 PIN、 APD、MSM
4。按照内部增益分类。
无：PD、PIN、MSM。有： APD
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(1)依材料分类
无论是直接带隙半导体材料还是间接带隙半 导体材料，都能够用来制备半导体光电探测 器件。而半导体发光器件要求半导体材料必
须是直接带隙半导体材料。因此，在这一点 上，光电探测器件对材料的要求比发光器件 宽容一些。材料有四族、II-IV族等半导体，例 如Ⅳ族的Si、Ge和SiGe合金，III-V族的GaAs、 InGaAs、InGaAsP、InGaN等。异质结材料 能够提供透明的窗口、完全的光学限制和优 异的导波特性，异质结构的光电探测器性能 超群，显示出了更多的好处，
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按器件响应波段分
常用的光电接收器材料
常用光电接收 器的材料有硅 锗等
右图为几种常 用材料的响应 曲线
光电接收器的 基本性能：响 应波长，敏感 度，噪声性能 等
Quantum Efficiency = 1
Germanium
InGaAs 0.5
Silicon
0.1
500
1000
1500
第14章 光器件
§14.1 光学吸收 § 14.2 太阳能电池 § 14.3 光电探测器 § 14.4 光致发光和电致发光 § 14.5 光电二极管
光
电 方式一
光电效应 ------外光电效应
物体内的电子逸出物体表面向外发射的现 象叫做外光电效应。 基于外光电效应的光电器件有光电管、光 电倍增管。
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Si光电二极管的波长响应范
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
波 长 /m
围0.5～1μm。
Ge和InGaAs―PIN光电管的
图 材料吸收系数随波长的变化情况波 长 响 应 范 围 约 为 1~1.7μm 。 15
普通光电二极管(PD)
P
N
光电二极管作成的光检测器 的核心是PN结的光电效应。
与漂移区。
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雪崩光电二极管的原理
在高电场区，由入射光产生的空穴电子对在高电场作用下高速 运动。由于其速度很快而具有很大的动能，所以在运动过程中 会出现“碰撞电离”现象而产生新的二次空穴电子对。同样， 二次空穴电子对在高电场区运动又可以通过“碰撞电离”效应 产生三次、四次空穴电子对。这样以来，由入射光产生的一个 首次空穴电子对，可能会产生几十个或几百个空穴电子对，即 所谓“倍增”效应，如图所示。
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光谱特性
相 100
对 80
灵 敏
60
度 40
20
硫化铅
硫化铊 硫化镉
/%
0 500 1000 1500 2000 2500
入射光波长/nm
图8-10 光敏电阻的光谱特性
硫化镉的峰值在可见光区域，硫化铅的峰
值在红外区域。故选用时要把元件和光源
结合起来考虑。
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光敏电阻实例
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20
PIN光电二极管
PIN光电二极管工作原理
降低半导体材料的掺 杂浓度可以增加耗尽 层的宽度。因此往往 在P 型材料与N 型材 料的中间插入一层掺 杂浓度十分低的I 型 半导体材料（接近本 征型）以形成较宽的 耗尽层。
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PIN光电二极管工作原理
高场强
PIN 光二极管中 的I 区之电场强度 远远大于P 区与N 区中的电场，从 而保证了光子载 流子的定向运动 以形成光电流。
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。
因此在导带和满带中维持着一个热平衡的电子浓
度n和空穴浓度p，他们的平均寿命分别用
和
即 p 表示。无论何种半导体材料，下式一定成n立，
式中ni是响应温度下本征半导体中的本征热生载 流子浓度。这说明，在n型或p型半导体中，一种 浓度增大，另一种浓度就减少，但绝不会减少到 零。
即存在
h Eg
c

hc Eg
这是必要条件， 还要满足波长响 应度！！！
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光电二极管( PD )反向 p接 - , n 接 +
n区电子 n端，p区空穴 p端
P
N
Is
R
E
-+
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P
N
I
R
E -+
当光不照射时，光敏二极管处于截止状态 = 0状态。 当光照射时，光敏二极管处于导通状态 = 1状态。
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雪崩光电二极管的原理
在漂移区，虽不具有象高 电场区那样的高电场，但 对于维持一定的载流子速 度来讲，该电场是足够的 。总之，在同样大小入射 光的作用下，由于倍增效 应，APD 光二极管可以产 生比PIN 光二极管高得多 的光电流。
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APD光电二极管动画
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光敏电阻
如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下 ，用光照射就能改变电路中电流的大小.
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爱因斯坦光电效应方程：
h

1 2
m02

A0
1.光电子能否产生，取决于光子的能量是 否大于该物体的表面电子逸出功A。
2.υ一定时，产生的光电流和光强成正比。
3.逸出的光电子具有动能。
3
4
光
电 方式二
光电导效应
------内光电效应 当光照在物体上，使物体的电导率发生变 化1．，光或电产导生效光应生电动势的效应。
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反向偏置时，整个I区 都为耗尽层，在耗尽层 中电场作用下，光生载 流子会很快地扫过耗尽 层，电子到达n区，空 穴到达p区，在外电路 上形成光电流。
PIN光电二极管及能带图
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PIN光电二极管动画
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PIN光电二极管实例
InGaAs PIN PD
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光电探测器结构
普通光电二极管(PD) ------pn结 PIN光电二极管------pn结+I层 雪崩光电二极管（APD）------PIN+p层
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半导体中的光发射 (e)反向偏置的pn结
•光电二极管（PD）是一 个工作在反向偏压下的PN 结二极管，当PN结加反向 偏压时，外加电场方向与 PN结的内建电场方向一致 ，势垒加强，在PN结界面 附近载流子基本上耗尽形 成耗尽区。
•当光束入射到PN结上，
且光子能量hv大于半导体
材料的带隙Eg时，价带上 的电子吸收光子能量跃迁
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光电探测器工作原理
半导体光电探测器的依据：
能够吸收光能并把光变为电。半导体材料对光的吸 收可分：本征吸收、激子吸收、晶格振动吸收、杂 质吸收和自由载流子吸收。
普通光电二极管(PD) ------pn结
PIN光电二极管------pn结+I层
雪崩光电二极管------PIN+p层
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半导体光电探测器的原理：
导带
自由电子所占能带
Eg 禁带
不存在电子所占能带
hυ≧Eg
价带
价电子所占能带
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光电效应 ------内光电效应
２．光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一 定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电 池和光敏二极管、三极管。
光电效应
光照射PN结时，若hυ≧Eg，使价带中的电子跃
迁到导带，产生电子空穴对，在阻挡层内电场作