6.半导体中的光吸收和光探测器

W
n, pE
③光检测器和它有关电路的时间常数τRC，主要随电 阻和电容的增大而增大。
总的时间常数： r
2 di
2 dr
2 RC
减小耗尽层宽度W，可以减小渡越时间τdr，从而提高截 止频率fc，但是同时要降低量子效率η。
耗 尽 区 宽 度m /
内量子效率
1000 600 400 200 100 60 40 20 10 6 4 1.0
6.4 半导体光电探测器
一、光电二极管
光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能， 是由半导体PN结的光电效应实现的。
在PN结界面上，由于电子和空穴的扩散运动，形 成内建电场。内建电场使电子和空穴产生与扩散运动 方向相反的漂移运动，使能带发生倾斜， 形成耗尽层。 当入射光作用在PN结时，如果光子的能量大于或等于 带隙(hv≥Eg)， 便发生受激吸收，即价带的电子吸收光 子的能量跃迁到导带形成光生电子 - 空穴对。 在耗尽 层，由于内建电场的作用，电子向N区运动，空穴向P 区运动， 形成漂移电流。
声子能量非常小（Ep<0.1 eV），所以最小的光吸收能量 往往比较接近于禁带宽度。
（4）参考曲线：
常见半导体的带间光吸收谱曲线见图2。 IV族半导体属间接跃迁能带结构，它们的光吸收 谱曲线较缓；而III-V族半导体属直接跃迁能带结构，它 们的光吸收谱曲线都很陡峭。 此外，半导体中载流子的光吸收谱曲线一般都位于 带间光吸收谱曲线的截止波长以外。因为载流子光吸收 是在能带内部的各个能级之间跃迁，所以吸收的光子能 量更小，吸收的光波长更长。
第六章 半导体中的光吸收和光探测器
6.1 半导体中的光吸收理论 6.2 半导体中的本征吸收和其他光吸收 6.3 半导体光电探测器的材料和性能参数 6.4 半导体光电探测器
6.1 半导体中的光吸收理论
(1) 光吸收系数：
半导体吸收光的机理主要有带间跃迁吸收（本 征吸收）、载流子吸收、晶格振动吸收等。吸收光的 强弱常常采用描述光在半导体中衰减快慢的参量—— 吸收系数α来表示；若入射光强为I，光进入半导体中 的距离为x，则定义：
的下限，该能量下限也就对应于光吸收的长波限——
截止波长g ：
g (m)
1.24 Eg (eV )
一些用于光电探测器的半导体的禁带宽度、截止 波长和带隙类型，如下表所示。
根据光吸收截止波长的这种关系，即可通过光吸 收谱曲线的测量来确定出半导体的禁带宽度。
由于半导体禁带宽度会随着温度的升高而减小，
所以g 也将随着温度的升高而增长。
为什么半导体的带间光吸收谱曲线具有以上 一些特点呢？
——与半导体的能带结构有关。
(3) 对带间光吸收谱曲线的简单说明：
① 因为半导体的带间光吸收是由于价带电子跃迁到 导带所引起的，则光吸收系数与价带和导带的能态密 度有关。
在价带和导带中的能态密度分布较复杂, 在自由 电子、球形等能面近似下，能态密度与能量是亚抛物 线关系，在价带顶和导带底附近的能态密度一般都很 小，因此，发生在价带顶和导带底附近之间跃迁的吸 收系数也就都很小；随着能量的升高，能态密度增大， 故吸收系数就相应地增大，从而使得吸收谱曲线随光 子能量而上升。
然而，实际晶体中，禁戒跃迁并不是完全不会发 生，禁戒跃迁也是一种吸收光的跃迁形式，只是跃迁 几率非常小——远小于容许跃迁。
这是由于能带之间的相互作用会使得电子状态的 奇偶性发生一点改变，禁戒被松动，所以奇偶性相同 的电子状态之间，也有可能发生一定几率的光吸收跃 迁——禁戒跃迁。
6.2 半导体中的本征吸收和其他光吸收
③ GaAs和Si的光吸收效率比较：
• 直接跃迁带隙的GaAs：
GaAs的光吸收谱曲线上升得比较陡峭，这是由于 GaAs具有直接跃迁能带结构的缘故。在此，当价电子 吸收了足够能量的光子、从价带跃迁到导带时，由于它 的价带顶与导带底都在布里渊区的同一点上（即 kvmax=kcmin），则在跃迁时动量几乎不会发生变化：
响应度R：定义为单位入射光功率作用到探测器 上后在外电路中产生的光电流的大小。
R
I p 光电流
Pi
电子数 q
光子数 h
q
q
h
e
hc
A
W
2. 暗电流和噪声
理想的光电探测器，在无光照时应该没有光电流， 然而实际中由于：①在耗尽层中存在有载流子产生复 合电流，②耗尽层边界上少数载流子的扩散流，③表 面漏电流，使得无光时存在一个小电流，无光时的电 流称为暗电流。
ke k p 光子动量 0
同时能量守恒规律为： 光子能量hv=Eg
由于这种吸收光的直接跃迁既符合能量守恒、又符
合动量守恒的规律，则这种光吸收的效率很高，使得光
吸收系数将随着光子能量的增加而快速增大，从而形成
陡峭的光吸收谱曲线。
这时，吸收系数与光子能量hv和禁带宽度Eg之间的 函数关系可以表示为
1 exp 0W
1 R1 exp 0d1 1 exp 0W
Si探测器量子效率与波长、吸收层厚度的关系图
1.0
＝ 90 ％
0.8
In GaAs
70 ％
0.6
Si
50 ％
Ge
0.4 30 ％
(·W － 1)
0.2 10 ％
0 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 m
图 PIN光电二极管响应度、量子效应率与波长的关系
半导体对光的吸收机制大致可分为： ①本征吸收； ②激子吸收； ③晶格振动吸收； ④杂质吸收； ⑤自由载流子吸收。
参与光吸收跃迁的电子可涉及四种： ①价电子； ②内壳层电子； ③自由电子； ④杂质或缺陷中的束缚电子。
6.3 半导体光电探测器的材料和性能参数
一、常用的半导体光电探测器材料
光电二极管通常要施加 适当的反向偏压，目的是 增加耗尽层的宽度，缩小 耗尽层两侧中性区的宽度， 从而减小光生电流中的扩 散分量。
由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多，所以减 小扩散分量的比例便可显著提高响应速度。但是提高反 向偏压，加宽耗尽层，又会增加载流子漂移的渡越时间， 使响应速度减慢。为了解决这一矛盾， 就需要改进PN 结光电二极管的结构。
光电效应示意图
在耗尽层两侧是中性区，由于热运动，部分光生电 子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在内建电 场作用下，形成和漂移电流相同方向的电流。光生漂移 电流分量和光生扩散电流分量的总和即为光生电流。
当与P区和N区连接的电路开路时，便在两端产生 电动势。 当连接的电路闭合时，N区电子通过外部电路 流向P区。同样，P区的空穴流向N区， 便形成了光生电 流。 当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而 把光信号转换成电信号。这种由PN结构成，在入射光作 用下，由于受激吸收产生电子-空穴对的运动，在闭合电 路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极管(PD)。
【注】带间光跃迁的量子力学规则：
按照量子力学的跃迁理论，电子的跃迁需遵从——选 择定则。
满足选择定则的跃迁有两种：容许跃迁和禁戒跃迁。 这是由于电子在跃迁时的初态和终态的奇偶性需要符合一 定的要求，才能吸收光而发生跃迁。
波函数奇偶性不同的状态之间的跃迁是容许跃迁，波 函数奇偶性相同的状态之间的跃迁是禁戒跃迁。例如电子 从s态跃迁到p态是可以的——容许跃迁，但是从s态跃迁到 s态却是不可以的——禁戒跃迁。
第二项2eIdB是暗电流产生的噪声。
均方热噪声电流
iT2
4KBTB R
式中，T为等效噪声温度，R为等效电阻。
因此， 光电二极管的总均方噪声电流为：
i2
2e(I
p
Id
)B
4 K BTB R
3. 响应时间或频率带宽
光电二极管对高速调制光信号的响应能力用响应时 间τ或截止频率fc(带宽B)表示。
响应时间通常用光生电流脉冲前沿由最大幅度的 10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的时间来衡 量，有时这两者可能不同。
均方散粒噪声电流〈 i2sh〉=2e(IP+Id)B
式中，B为放大器带宽，IP和Id分别为信号电流和暗电流。
第一项2eIPB称为量子噪声，是由于入射光子和所形 成的电子—空穴对都具有离散性和随机性而产生的。只要 有光信号输入就有量子噪声。这是一种不可克服的本征 噪声， 它决定光接收机灵敏度的极限。
在波长λ<1um的波段内，硅是目前广泛使用的 探测器材料。
在λ>1.0um时，Ge是可供选择的材料。 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体光探测器适合在1.3um和 1.55um波段的光纤通信系统中使用的，同时还可以 调整组分，使吸收边正好处在工作波段之外。
二、半导体光电探测器的性能参数 1. 量子效率和响应度
所产生的电子 空穴对数 入射的光子数
温度越高，受温度激发的电子数量越多，暗电 流越大。
噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数，它直 接影响光接收机的灵敏度。光电二极管的噪声包括由信 号电流和暗电流产生的散粒噪声和由负载电阻和后继放 大器输入电阻产生的热噪声。噪声通常用均方噪声电流 (在1Ω负载上消耗的噪声功率)来描述。
i2 is2h iT2
(hv Eg )
式中的γ是常数。当光子能量降低到Eg时，吸收系数 即减小到0，这就明确地对应于截止波长。
• 间接跃迁带隙的Si：
Si的能带结构是间接跃迁型的，kvmax≠kcmin，价电子 跃迁时，就需要借助于声子的帮助才能达到动量守恒。于 是光吸收的动量守恒规律为：
ke k p 声子动量 K 则光吸收的能量守恒规律为：
对于幅度一定，频率为ω=2πf的正弦调制信号，用 光生电流I(ω)下降3dB的频率定义为截止频率fc。
图 响应时间
响应时间主要取决于三个因素：
①耗尽区外产生的载流子扩散时间τdi
di
L2n, p Dn, p
eL2n, p
KBTn, p
②载流子漂移通过耗尽区的渡越时间τdr
dr
W vn, p
dr
1 dIቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
I dx
吸收系数的单位是cm-1。
(2) 带间光吸收谱曲线的特点：
对于Si和GaAs的带间跃迁的光吸收，测得其吸收 系数a与光子能量hv的关系如图1所示。这种带间光吸 收谱曲线的特点是：
① 吸收系数随光子能量而上升； ② 各种半导体都存在一个吸收光子能量的下限（或 者光吸收长波限——截止波长），并且该能量下限随 着温度的升高而减小（即截止波长增长）； ③ GaAs的光吸收谱曲线比Si的陡峭。
光子能量 hv Eg 声子能量 Ep 这时，吸收系数与光子能量hv和禁带宽度Eg之间的 函数关系可以表示为:
(hv Eg Ep )
a）间接跃迁的实现需要第三者（声子）参与，因此光吸 收效率要低于直接跃迁的光吸收，所以光吸收谱曲线的
上升速度较慢；
b）因为声子的参与，最小的光吸收能量并不完全对应于 禁带宽度（多出了一个声子能量Ep），因此光吸收的截 止波长并不像直接带隙半导体的那么明显。不过，由于
半导体光电探测器材料的基本要求是希望对所 探测的入射光在半导体材料内部能引起大的受激吸 收速率，因此直接带隙材料是最理想的。但有些间 接带隙跃迁材料对一定波长范围的入射光也能产生 明显的吸收。
含有异质结的光电探测器，要考虑异质结材料 的晶格常数匹配。
Si、Ge、GaAs、InGaAsP是几种光纤通信中 常用的探测器材料。
要提高响应速度需减少耗尽层电容，这意味着大 面积的探测器不适合探测高频调制信号。加大耗尽层 宽度可减少结电容，同时可提高量子效率，但却增加 了载流子的渡越时间。
所以吸收区的厚度要兼顾量子效率和响应速度， 减小面积来减少结电容的同时还要考虑小面积与光纤 耦合的问题。
4. 灵敏度
半导体光探测器的灵敏度是指，在保证所要求的误 码率前提下，所能探测到的最小光功率，用dBm表示。
但是由于实际半导体能带中能态密度分布函数的 复杂性，而且电子吸收光的跃迁还必须符合量子力学 的跃迁规则——k选择定则，所以就导致半导体光吸收 谱曲线变得很复杂，可能会出现如图1所示的台阶和多 个峰值或谷值。
② 因为价电子要能够从价带跃迁到导带，至少应该吸
收禁带宽度Eg大小的能量，这样才能符合能量守恒规 律，所以就存在一个最小的光吸收能量——光子能量
0.9 Si -P IN
0.8
0.7
0.6 0.5 0.4
0.3
0.2 ＝ 1.0 6m
0.1
0
10
10 0
10 00
带 宽 / MHz
0.6328
0.80 0.85
0.90 0.95
2 10 00 0
在光纤通信中要求半导体光探测器对入射的高速 调制光信号能产生快速响应，以利于提高通信速度， 降低误码率。