光电探测器

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。
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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
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，
AsP 0.640.36 Ga 0.30 Si In 0.70
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。
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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
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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半导体光电探测器的 原理：
? 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。
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
来自百度文库
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 E g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：
Wavelength nm
与书上图６ -８相同 10
? (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。
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
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
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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
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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
即存在
h? ? Eg
?c
?
hc Eg
这是必要条件， 还要满足波长响 应度！！！
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。
2
爱因斯坦光电效应方程：
h?
?
1 2
m?
2 0
?
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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? 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：
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。
14
105
104 1)
－
m 系数???(c 103 收 吸
102
Ge
As
Ga 0.47
In 0.53
GaA s