第14-3章光电探测器讲解

In 0 .53Ga0 .47As
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。
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•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。



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：


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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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。
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光谱特性
相 100 对 80 灵 60 敏 40 度 20 /%
h E g
即存在
hc c 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 E
R
-
+
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Biblioteka Baidu 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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(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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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 与漂移区。 29
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。
•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 到导带上，形成一个电子 17 —空穴对。
半导体中的光发射 (e)反向偏置的pn结
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：
§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
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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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
1500 1000 Wavelength nm
1.24 (μm) c 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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1 05 Ge 1 04
数 (cm－ 1) 吸 收 系
GaAs 1 03
1 02 Si 1 01 0 .4 0 .6 0 .8
In 0 .70Ga0 .30As 0 .64P0 .36
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。
1 .0 1 .2 波长 / m
1 .4 1 .6 1 .8
Si 光电二极管的波长响应范 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 1~1.7μ m。 15
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。
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
光电效应
电
方式一
------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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爱因斯坦光电效应方程：
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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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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。
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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
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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 n 表示。无论何种半导体材料，下式一定成立， p 即 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。
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。
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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。 35
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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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：
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
1 2 h m0 A0 2
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
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光
光电导效应
电
方式二
------内光电效应 当光照在物体上，使物体的电导率发生变 1．光电导效应 化，或产生光生电动势的效应。
导带
自由电子所占能带 不存在电子所占能带 价电子所占能带
hυ≧Eg
Eg
禁带 价带
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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 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， P N 形成光生电动势。 7
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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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。


np n
2 i
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光 面积A 导带 导带 施主能级 +V 禁带 Ei Ei 杂质
Eg
受主能级
L
价带
本征
价带 -电子 -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 n 和 p 子，我们现在称之为光生载流子。显然， 将使半导体的电导增加一个量 G ，我们称之为 光电导。