光电子学与光子学讲义-Chapter6-PD

Chapter6光电探测器一、简介光电探测器：光能或光信号转换为电能或电信号的器件，是光接收机的核心。机理：光电效应。——物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质中电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电导效应、光生伏特效应和光电子发射等现象。在理解上述定义时，必须掌握以下三个要点：原因：是辐射，而不是升温；现象：电子运动状态发生变化；结果：电导率变化、光生伏特、光电子发射。简单记为：辐射→电子运动状态发生变化→光电导效应、光生伏特效应、光电子发射物理过程：在光的作用下，当光敏物质中的电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚时，电子就会从基态被激发到高能态，脱离原子核的束缚，在外电场作用下参与导电，因而产生了光电效应。说明:如果光子不是直接与电子起作用，而是能量被固体晶格振动吸收，引起固体的温度升高，导致固体电学性质的改变，这种情况就不是光电效应，而是热电效应。也可以用作光电探测.外光电效应:是指物质受光照后而激发的电子逸出物质表面，在外电场作用下形成真空中的光电子流,又称光电子发射效应。这种效应多发生于金属和金属氧化物。内光电效应:是指受光照而激发的电子在物质内部参与导电，电子并不逸出光敏物质表面。这种效应多发生于半导体内。内光电效应又可分为光电导效应、光生伏特效应、丹倍效应和光磁电效应等。外光电效应和内光电效应的主要区别在于：受光照而激发的电子，前者逸出物质表面形成光电子流，而后者则在物质内部参与导电。外光电效应光电子发射光电效应光电导效应内光电效应光生伏特效应丹倍效应光磁电效应光电导效应半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大，因而导致材料电导率增大（电阻减小）,这种现象称为光电导效应。光生伏特效应光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体中产生电子和空穴，并在空间分开而产生电位差的现象。即将光能转化成电能。丹倍效应由于光生载流子的扩散在光的传播方向产生电位差的现象称为光电扩散效应或丹倍效应。光磁电效应放在磁场内的均匀半导体材料受到光照射时，如果磁场的方向垂直于xoy平面，洛伦兹力把扩散电子和空穴偏转到相反方向，导致电子和空在垂直于光照方向和磁场方向的半导体的两端面分别积累，产生光磁电场，对应的电动势被称为光磁电电动势。利用光电效应制作的光电探测器称为光子探测器。除光子探测器外，光电探测器还有热电探测器，其机理是材料因吸收光辐射能量使其自身温度升高，从而改变它的电学性能。光电探测器的分类：光电探测器热电探测器光子探测器光电二极管pin光电二极管雪崩光电二极管光电三极管光电池光敏电阻光电倍增管热释电探测器热敏电阻热电偶气动管二、光电二极管1.pn结的光生伏特效应没有光照和开路情况下的pn结入射光垂直pn结面入射。如结较浅，光子将进入pn结区，甚至更深入到半导体内部。能量大于禁带宽度的光子，会产生本征吸收，在结的两边产生电子-空穴对。在光激发下多数载流子浓度一般改变很小，而少数载流子浓度却变化很大。pn结势垒区内存在自建电场（自n区指向p区），结两边的光生载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：p区的电子穿过pn结进入n区；n区的空穴进入p区。该运动使p端电势升高，n端电势降低，于是在pn两端形成了光生电动势。这就是光生伏特效应。由于光照产生的载流子各自向相反方向运动，从而在pn结内部形成自n区向p区的光生电流IL。由于光照在pn结两端产生光生电动势，相当于在pn结两端加正向电压V，使势垒降低为qVD-qV，载流子的飘移运动产生正向电流IF。pn结开路情况下，当光生电流和正向电流相等时，pn结两端建立起稳定的电势差，这就是光电二极管的开路电压。如将pn结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，pn结起了电源的作用。这就是光电二极管（光电池）的基本原理。在内建电场作用下，电子和孔穴分别漂移到N侧和P侧，产生与照射光功率成比例的电流。光在势垒区外也被吸收，只有势垒区内部及附近被吸收的光才能产生光生电流。2.外加反向偏压下的pn结不加反向偏压下pn结作为光电探测器的缺陷：pn结中形成的光电流是靠耗尽区（空间电荷区）中的内建电场形成的。当强度较大的入射光照射时，光生电场会消弱内建电场的强度，甚至使内建电场的强度消减为零（无耗尽区）。此时电子-空穴虽仍可以在pn区中产生，但无电场导引和加速，在杂乱的扩散过程中，大部分光生电子和光生空穴相继复合而消失，不能形成外部电流。若在pn结上加反向偏置电压，则势垒高度增加，耗尽区也加宽，从而使得器件的性能得到提高。pn结加反向偏压后能带的变化：在B处，此时电子和空穴两者都会在电场的作用下分别向n区和p区方向作漂移运动。在A处，一个入射的光子在p型半导体中被吸收并产生一个空穴和一个自由电子，如果这个过程发生在扩散长度以内（可以将扩散长度看成是少数载流子与相反类型的载流子复合之前行走的平均距离，即所能行走的最大距离），则电子会有很大的几率到达耗尽层的边界，并在电场的影响下漂移过到n区。在C处，n型半导体由于光照射产生的部分空穴会扩散进入耗尽区（发生在扩散长度以内）并漂移到p区。LnLpW实际应用中，第一个过程（吸收发生在耗尽区）对光生电流的贡献最大、效果最好。因为每一个光子的吸收都会形成电子、空穴的流动，而且避免了由于扩散时间引起的电流相应延迟（漂移时间扩散时间）。pn光电二极管的实际结构：在n型衬底上扩散高掺杂的p+区形成p-n结。p区的受主浓度远大于n区的施主浓度，因此在空间电荷区中，n区一侧的宽度远大于p区一侧的宽度。为使光能够被有效的吸收，措施：(1)表面镀抗反射膜（antireflectioncoating），减小反射。(2)p+区做的很薄（小于1微米），使光在结内吸收。(3)用环形电极（annularelectrode）施主受主pn结光电二极管的缺点：①耗尽区太窄，这不利于电子空穴的漂移运动。而且长波长光子的穿透深度大于耗尽区宽度，使得大量光子在耗尽区外被吸收。耗尽区外的光生载流子在扩散过程中大部分因复合而损失掉，只有小部分能够达到结区，因此降低了量子效率。②耗尽区之外的电场很小（可视为无场区），因此在耗尽区之外的光生载流子在这些区域的扩散速度很慢，需要经过一段时间才能扩散入耗尽区形成漂移电流，与耗尽区内的光生载流子形成时间差，这将直接影响光电二极管的响应速度。解决办法：（1）加宽耗尽区，让光子尽可能在耗尽层内被吸收。（2）通过减小p区和n区厚度减小扩散时间来增大势垒区宽度;(3)异质结结构。典型例子：PIN光电二极管雪崩光电二极管APD三、pin光电二极管pin光电二极管的结构特点相对pn结构，pin结构有着很宽的耗尽区（基本上整个i区）。很宽的耗尽区意味着较高的量子效率。很宽的耗尽区可使器件的结电容下降。WACrdep0A：结面积，W：结宽度（本征层宽度）。典型值为微法数量级。异质结PIN光电二极管采用双异质结能显著提高PIN光电二极管的性能。类似于半导体激光器，I层夹在另一种半导体的P层和N层中间，其带隙的选取使光仅在中间I层吸收。通常用于光通信系统的PIN光电二极管采用InGaAs作为中间层，用InP作为P层和N层的覆盖层。由于InP的带隙为1.35eV，对λ0.9μm的光，InP是透明的，而晶格匹配的InGaAs的带隙约为0.75eV，相应的截止波长λc=1.65μm，因而中间InGaAs层，在1.3—1.6μm范围内有很强的吸收。由于光子仅在耗尽区内吸收，完全消除了扩散分量，采用几微米厚的InGaAs，量子效率可接近100％，这种InGaAs光电二极管广泛用于1.3和1.5μm的光接收机中。光电二极管的响应速度光电二极管的响应速度主要由光生载流子通过耗尽层的渡越（漂移）时间、光生载流子在非耗尽层中的扩散时间以及RC的充放电时间所决定。载流子通过耗尽层的渡越时间ttr：dtrWtvvd为电子或空穴的漂移速度，由于空穴的漂移速度要小于电子的漂移速度，所以载流子通过耗尽层的渡越时间主要依赖于空穴的漂移速度。（扩散时间也符合同样的规律，不过速度要小）讨论：增加i区（耗尽区）的宽度能使器件的量子效率增加，但会使载流子的渡越时间增加，使器件的响应速率下降。加大反向偏压可使载流子的渡越时间缩短（电场增强，漂移速度增大）。当电场高到一定程度时，载流子达到饱和漂移速度。此时渡越时间按饱和漂移速度估算。RC充放电时间主要由器件的结构和封装所决定。四、雪崩光电二极管雪崩光电二极管是具有内部电增益的光电探测器，可以用于检测微弱的光信号。具有雪崩效应的管子具有很高的内增益，Si增益可达100，因此输出电流较大。雪崩效应：（1）在p-n结上加很高的反向偏压，接近于击穿电压，使得结区内部形成高电场区。（２）入射光产生的电子和空穴，经过高场区时不断被加速而获得很高的能量，（3）这些高能量的电子或空穴在运动过程中与原子碰撞，使晶格中的原子电离，产生新的电子一空穴对。新产生的电子空穴受到的同样加速运动，又与原子碰撞电离，再次产生电子一空穴对，称为二次电子一空穴对。如此重复，使载流子和光电流迅速增大，称为雪崩倍增效应。雪崩过程倍增了一次光电流，使之得到放大，可用倍增因子M表示。器件结构及原理结构：由四层组成n+层：高掺杂的n型半导体p层：p型半导体，i（π）层：轻掺杂的p型半导体，近于本征半导体，p+层：高掺杂的p型半导体原理：i区：轻掺杂的p型半导体，近于本征半导体，很宽，（１）可以充分吸收光子，提高光电转换效率。在该区内产生的光生载流子称为初级的电子空穴对，电子在电场作用下从i区向雪崩区漂移，进入雪崩区形成雪崩增益，而所有的初级空穴则直接被ｐ+层吸收。（２）i区还有分离初级电子和空穴的作用。结区：雪崩倍增区，p型半导体，很窄，（1）不能充分吸收光子，使相当多的光子透射进入i区；（２）此处电场很强，大到足以使载流子发生碰撞电离，产生雪崩效应。n+层和p+层分别收集产生的电子和空穴载流子雪崩增益过程倍增因子M随偏压增大而上升，可以这样理解：偏压上升，耗尽层内的电场普遍增强，雪崩区变宽，倍增作用增强，M得以增大。M与温度有关，温度上升，倍增下降，引起输出光电流减小。所以，APD需要进行温度补偿，使用不如PIN方便。设置保护环：p-n+的边缘要比光照区先出现反向击穿，暗电流增大。可在n+区的外围制作n型掺杂的环状区，使边缘的反向击穿电压升高，雪崩效应只在光照区域产生。讨论五、谐振腔增强型光电探测器谐振腔增强型(ResonantCavityEnhanced,简称RCE)光电探测器的概念是AT&TBell实验室的Chin等人1990年提出的一种非常有实用价值的高性能光电探测器。其结构特点是在谐振腔中插入一薄层半导体吸收层，入射光在F-P腔的作用下发生共振增强吸收现象。RCEPhotodetector=Photodetector+ResonantCavity薄吸收层：高速率多次吸收：高量子效率可以将谐振腔增强型光电探测器看成是光学滤波器与一般结构PIN探测器的有机结合，因而其具有很好的波长选择性。在WDM技术中，波长选择探测是一大关键，而RCE光电探测器所具有的窄响应线宽、高响应频带宽度等特点，使其成为WDM系统中理想的接收器件。六、工作特性和参数七、常用光电二极管