光电探测器芯片

• •
• •
•
6.2.4 表面漏电流（Leakage current） 由于表面钝化工艺引起的表面电荷迁移引起。
80um diameter InGaAs Planar PIN PD Id<=50pA(低偏压到中等偏压时，Id 与面积成正比，偏压较高时Id与直径成正比，见后图)
Id d 2 Id d
•
6.7 模拟应用时的IMD2.IMD3 指标 IMD (Intermodulation distortion), CSO( Composite Second Order) CTB (Composite Triple Beat) 对一般测试:取A=B 所以三阶非线形成的频率为: ω1 ; ω2 2ω1; 2ω2 ω1-ω2; ω1+ω2 3ω1 ; 3ω2 2ω1-ω2; 2ω1+ω2; 2ω2-ω1; 2ω2+ω1
T1e
0d1
(1 e
0Wd
)
• η<=1 T1 为投射率，α0 为吸收系数 • InGaAs PD：R>=0.85A/W@1310nm • GaAs PD :R>=0.5A/W@850nm
• 6.2 暗电流（Id－Vr关系）
• • • • 无光照射下，在外加偏压下的PD电流。 暗电流根据形成机理主要分： 扩散电流，产生复合电流，隧穿电流，表面漏电流 6.2.1扩散电流Idiff：耗尽区周围的非耗尽区P区和n区内的少数载流子向耗 尽区扩散形成的电流。扩散电流密度Jdiff：Js: 饱和扩散电流密度
• • • • • • • InP:Eg=1.3eV In0.53Ga0.47As:Eg=0.75eV Eg InGaAs<hv<Eg InP 解释: 1.短波长截至 2:光谱斜率不直 3:温度关系
光电探测器
• 光电探测器的基本原理及一般分类 • 光纤通信用光电二级管分类 • InGaAs PIN－PD光电二极管原理工艺及相 关参数 • APD 光电二极管原理及相关参数 • 小结
光电探测器的基本原理及一般分类
• 电磁波
f *
光电探测器的基本原理及一般分类
光电效应： 当光束投射到固体表面时，进入体内的 光子如直接与电子作用（吸收、动量传递 等），引起电子状态的转变，则固体的电 学性质随之改变，这类现象统称为固体的 光电效应。 光电效应分类：光电导效应 、光伏效应…
2( Va ) 0 r Wd qNd
• Va：外加偏压 • Nd： 载流子浓度 • Wd：耗尽层厚度
• 6 PIN PD的光电特性
• 6.1 η量子效率和响应度R
R Ip Pin ( A / W )(mA/ mW)
Ip / q 产生的电子－空穴数 h ＝ R 入射光子数 Pin / h q hc 1.24 R R q
• 6.6 串联电Hale Waihona Puke BaiduRs
(Ws Wd ) Rs Rc A
• Ws 衬底厚度,Wd 耗尽层厚度,ρ 表面电阻率 • 6.7频率响应fr • fr指输出电信号幅度下降3dB时的频率值,表征 PD响应速度的快慢. • tr,tf 指PD对于输出为方脉冲的10-90%的上 升或下降时间 • tdrift:载流子在耗尽层平均漂移时间 • tdiffused:载流子在非耗尽层的扩散时间. • tRC 二极管电路的寄生RC常数
• 6.2.5 Id VS Temp.
• 从图中可以看出低于320K是，在中等偏压范围，Id随Vr有轻微的变化， 大于320K时与偏压几乎无关。
从图中可以得知，在～297K以下，Id～exp（－ΔE/2kT） ~297K 以上，Id～exp （－ΔE/kT) 变化。因此变化更快。
• 6.2.6反向击穿电压(Vb) • PD在反向偏置时,当暗电流达到某个特定值如(10uA 或1uA)时的电压 值.测试时,限制电流不应该超过PD的最大额定电流,否则会造成PD的 损坏(曲线参考I-V 反向曲线) • 6.2.7 正向开通电压(VF) • 与Vb定义相反,当正向偏置下电流达到某个特定值时电压值,一般定义 电流为1mA下的电压值为开通电压.
光电探测器的基本原理及一般分类
• 光电导效应： 半导体材料吸收光辐射而产生载流子 （光生载流子），从而使半导体的导电率 发生变化的现象。 光伏效应： 在有PN结的半导体材料中，外界光入射 后产生的载流子在P区及N区堆积产生电势。
光电探测器的基本原理及一般分类
• 1 常用光电探测器分类：
按可探测的波长范围 紫外光探测器（200～400nm）：GaN，金刚石膜，SiC ,ZnO,TiO2…
2 按照工作原理分: 光电导探测器/光伏探测器 3 按照结构分: 体材料,PN结.PIN.APD,MSM等
光电探测器的基本原理及一般分类
光纤通信用光电探测器
• 光纤通信波长范围： • 1:塑料光纤（POF）通信波长范围 0.4-0.8um
• 2:玻璃光纤通信波长范围 0.7－1.65um
SMF （O E S C L 波段1260-1675nm） O初始波段：1260-1360 E扩展波段：1360-1460 S短波段：1460-1530 C常规波段：1530-1565 L长波段： 1565-1625 U超长波段：1625－1675
4 光电吸收
A：hv>=Eg时，电子会从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
B：hv<Eg时，不会发生电子跃迁。
• 5: 异质结，PIN结构及特点 • PN结使用同种材料制作的称为同质结，采用不同材料制作的称为异
质结。另外还有同型同质结，异型异质结。采用两种材料制作的形成 的异质结具有某些同质结不具备的功能。如，异质结晶体管中用宽带 的一侧做发射极会得到较高的注入比等，在激光器的应用中的载流子 及光子的限制作用，PD中的透明窗口作用等。
可见光探测器（400～780nm）:Si CdS、CdSe、CdTe 近红外光探测器（0.76～3um） 中红外光探测器（3～30um）：
InGaAs、 AsGa、PbSe、InSb、 HgCdTe、 PbS….
远红外光探测器（30～1000um）“热探测器”TGS /SBN /LiNaO3etc. 很多探测器的探测范围是相互叠加的，因此可以实现较大波长范围的光测试。 *注，红外光根据应用分类方法略微不同。
固体由分立的原子凝聚而成．因此固体中的电于状态不同 于原子中的电子状态，但两者的电子状态之间又必定存在 着联系。当每个原子都处于孤立状态时，电子都有相同的 能级结构。如将这些孤立原子看作一个系统，那么每个电 子能级都是简并的。如果将这些原子逐渐靠近。则它们之 间的相互作用就会增强。首先是最外层的波函数发生交叠， 这时相应于孤立原子的电子能级，内于原子之间的相互作 用就要解除简并。原来具有相同能值的几个能级将分裂为 具有不同能量值的几个能级。原于的间距愈小，电子波函 数的交叠就越厉害，则分裂出来的能级之间的能量差距就 放大。若由N个相同原子聚集而成为固体，则相应于孤立 原子的每个能级将分裂成N个能级。由于原子数N很大， 所以分裂出来的能级将是 十分密集的。它们形成一个能 量数值上准连续的能带，称为允许带。由不同的原子能级 所形成的允许带之间的间隔为禁止能带。
• 6.3 结电容（C－V特性曲线）
C Cp Cj
Cj
Wd
0 r Area
Wd
2( Va ) 0 r qNd
Cj Area
0 r qNd
2( Va )
• 此公式适用于外加电势在最大耗尽层之内,超过最 大耗尽层后,Va增加不会导致Wd增加.
• 典型的CV曲线图
•
单的PN结，是在反向偏压作用下增加内建电场和耗尽层厚度。在入射光的作用下产生电子空穴 对，这些电子空穴对在耗尽层内的以较高的速度漂移，在耗尽层外则以扩散速度向两个电极运 动，因此总的速度较慢，要增加响应速度就不得不增加反压来增加耗尽层宽度。另外的办法是 使N层的掺杂浓度降低来从而在固定的偏压下获得较高的耗尽层厚度，从而提高速度。因而考 虑在PN结中间增加I（近乎本征）层的区域。
J diff J s [exp(qV / kT ) 1] Js qni2 D p / nLp
ni: 本征载流子密度 Dp：空穴扩散系数
Lp ：空穴扩散长度
• •
6.2.2 产生复合电流（Generation－recombination current） Ig-r:耗尽区内的电子空穴对产生和复合形成的电流。
V K1U1 K 2U12 K 3U13 .... K1 ( A cos(1t 1 ) B cos(2t 2 )) K 2 (( A cos(1t 1 ) B cos(2t 2 ))2 K 3 (( A cos(1t 1 ) B cos(2t 2 ))3 3 3 K 3 A3 K 3 AB2 ) 4 2 3 3 cos(2t 2 )(K 2 B K 3 B 3 K 3 A2 B) 4 2 1 1 cos(21t 21 ) K 2 A2 cos(22t 2 2 ) K 2 B 2 2 2 cos((1 2 )t (1 2 ))K 2 AB cos(1t 1 )(K1 A cos((1 2 )t (1 2 ))K 2 AB 1 1 cos(31t 31 ) K 3 A3 cos(32t 3 2 ) K 3 B 3 4 4 3 cos((21 2 )t (21 2 )) K 3 A2 B 4 3 cos((21 2 )t (21 2 )) K 3 A2 B 4 3 cos((22 1 )t (2 2 1 )) K 3 AB2 4 3 cos((22 1 )t (2 2 1 )) K 3 AB2 4 1 1 K 2 A2 K 2 B 2 2 2
CATV PIN PD 测试频率: f1:50MHz f2:505MHz f1:400MHz f2:450.25MHz Pin=1mW(P1=P2=0.5mW OMI=40%) RL=50ohm或75ohm IMD2<-70dBc IMD3<-80dBc
• 6.8 InGaAs/InP PD光谱吸收特征
J gr (qniWd / eff )[exp( / 2kT ) 1] qV
• • teff是：载流子等效寿命 在Vr反偏电压较低的时候，暗电流主要是以上两种因素。且产生复合电流是 温度较低的情况占主要地位，扩散电流是温度较高情况下占主要地位。 6.2.3 隧穿电流（Tunneling Current） 当外加偏压足够高时，隧穿电流逐渐占主要地位。隧穿电流的主要特性是类 似于指数变化的软击穿特性。
光纤通信用光电探测器
• MSM (Metal-Semiconductor-Metal)
InGaAs PIN PD 工作原理
1.III－V 族半导体材料特性：
InGaAs PIN PD 工作原理
2.晶格结构：闪锌矿晶格结构
• 3 能带：Ec conduction ; Ev valence ;
Eg band gap
• 带宽计算常用公式
0.35 tr fr fr 0.35 tr
2 2 2 tr tdrift tdiffused t RC
tdrift Wd /

tdiffused (Ws Wd ) / diffsued
t RC 2.2RC

• 典型PD带宽图
5V
10V
• fr-Wd and Area
光纤通信用光电探测器
• 分类： 1)吸收材料： • Si • GaAs • InGaAs • Ge
光纤通信用光电探测器
2)结构类型： • PN（Positive－Negative）
光纤通信用光电探测器
• PIN（Positive-Intrinsic-Negative）
光纤通信用光电探测器
• APD (Avalanche-Photodiode )