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《光电子器件》大作业题目：结型光电探测器姓名：班级：学号：2011年6月15日中文摘要：结型光电探测器又称为势垒型光电探测器。利用光生伏特效应制成的光电探测器叫做势垒型光电探测器，因势垒型光电探测器是对光照敏感的“结”构成的。常见的器件有光电池、光电二极管、PIN管、雪崩光电二极管、光电三极管和光电场效应管等。结型光电探测器正朝着超高速、高灵敏度、宽带宽以及高集成的方向发展，它可广泛地应用于广度测量、光开关报警系统、光电检测、图像获取、光通信、自动控制等方面。EnglishAbstract：Junctionphotodetectors,alsoknownasbarrier-typedetector.Thebarriermadeofphotovoltaiceffectiscalledthephotoelectricdetector,duetothebarrierphotodetectorissensitivetolightknotformed.Commonlytherearelightbatterydevice,photodiode,PINtransistor,avalanchephotodiodes,optoelectronicsandopticalFETtransistor.Junctionphotodetectorisdevelopinginhighspeed,highsensitivity,widebandwidthandhighintegrationofdirection,itcanbewidelyusedbreadthofmeasurement,opticalswitchalarmsystems,photoelectricdetection,imagecapture,opticalcommunication,automaticcontrol,etc.正文：光生伏特效应是两种半导体材料或金属、半导体相接触形成势垒，当外界光照时，激发光生载流子，注入到势垒附近，形成光生电压现象。光生伏特效应属于内光电效应。利用光生伏特效应制成的光电探测器叫做势垒型光电探测器。势垒型光电探测器是对光照敏感的“结”构成的，故也称结型光电探测器。根据所用结的种类不同，结型光电探测器可分为PN结型、PIN结型、异质结型和肖特基势垒型等。最常用的器件有光电池、光电二极管、PIN管、雪崩光电二极管、光电三极管和光电场效应管等。势垒型光电探测器的应用十分广泛，广泛应用于广度测量、光开关报警系统、光电检测、图像获取、光通信、自动控制等方面。一、光电池1、用途光电池是根据光生伏特效应制作的器件。其用途有两个：（1）因在光照下能产生光生电压，可作电源用，即常说的太阳能电池。做电源用时要求其效率高、成本低、寿命长，便于与其它的能源竞争。（2）作为光电探测器用。优点是工作时不需要外加偏压，接收面积大。要求其线性好，灵敏度高，光谱响应范围合适，响应时间短，能满足使用要求。目前生产的光电池材料有硅、锗、硒、砷化镓等，用的最多的是硅光电池（在可见光区），锗的光谱响应在红外。P1、太阳能路灯P2、太阳能房屋2、结构硅光电池因所用基片的导电类型不同分为两种类型：2CR和2DR型2CR：在n型硅上扩散三族元素硼，作成很薄的p型层；2DR：在p型硅上扩散五族元素磷，作成很薄的n型层。都可以形成p-n结，区别只在于导电类型不同。为了使输出电流增大，硅光电池的受光面积尽可能做得大些。上电极为栅状透明电极，以增加透光量，减小电极与光敏面的接触电阻。衬底下面的电极称为下电极或背电极，用Al材料。为了减少光的反射，在受光面上镀有SiO2或其它介质材料的增透膜，其透过率与材料的折射率、厚度及波长有关，另外还起到防潮、防腐蚀的保护作用。3、特性（1）光电特性光电特性是指输出光电流和光电压与入射光功率的关系。光电池的短路电流和开路电压为短路电流与Ps成正比开路电压与Ps成对数关系短路电流和开路电压与入射光功率的关系曲线：（2）伏安特性当外接负载时，伏安特性曲线如右图。曲线在横轴上的截距代表某一光强下的开路电压，在纵轴上的截距代表短路电流。在曲线的拐弯处，电流与电压的乘积最大，即此时光电池的输出功率最大，所以负载RL应选在曲线的拐弯处。硅光电池的开路电压不能大于p-n结热平衡时的接触电势差，一般在0.45~0.6V之间。（3）主要参数（硅）光谱范围：0.4~1.1μm,λp=0.8~0.9μm,τ=10-5~10-6s,Vs=450~600mV,is=16~30mA二、p-n结光电二极管光电二极管与光电池基本结构相同，其主要区别是结面积小，频率特性好，但输出电流小，只有几μA到几十μA，而且要在反向偏压下工作。制作光电二极管的材料有很多，如：Si、Ge、GaAs、InGaAs,GaAsP,InGaAsP等，日常使用最广泛的是硅光电二极管，而在光通信系统中则选用后几种材料。1、结构按衬底的导电类型不同，硅光电二极管也分为两种系列：2CU型：以n-Si为衬底，有两个引出线：前极和后极2DU型：以p-Si为衬底，有三个引出线：前极、后极和环极在2DU管子上加环极的原因：SiO2膜中常含有少量的钠、钾、氢等正离子，由于SiO2是电介质，因此正离子在SiO2中不能移动，但由于静电感应，可使p-Si表面产生一个感应电子层，称为反型层，其导电类型与n-Si相同，因此在表面无耗尽层或很窄。当二极管加反向偏压时，其暗电流中含有通过表面感应电子层产生的漏电子流，使暗电流增大。为了减小暗电流，在n区外围设置一个n+环，从其上引出电极，所加电位高于前极，使得表面漏电子流不经过负载直接到达电源，可达到减小暗电流和噪声的目的。用法：在使用时，如果环极悬空，除了暗电流和噪声大以外，其它性能不受影响。2CU管虽然也有感应电子层，但导电类型与p型硅相反，所以不用加环极。2、工作原理p-n结光电二极管原理示意图依据p-n结光电导效应。器件两端外加反向偏压，入射光从P侧进入，被半导体材料吸收，产生电子一空穴对。结区内和其附近产生的光生载流子受电场的作用漂移过结，形成光电流。不加电压时相当于光电池。加正向偏压时，与普通的二极管一样，只有单向导电性，表现不出它的光电效应。3、特性（1）伏安特性光电二极管的外电路电流为：i=id＋isid：暗电流，等于二极管反向饱和电流；is：光电流。在低反向偏压下，光电流随电压变化非常明显，原因是反向偏压增加，使耗尽层加宽，结电场增强，引起光在结区的吸收率和光生载流子的收集效率增大。当反向偏压进一步增加时，光生载流子的收集已达极限，光电流趋于饱和。这时，光电流与反向偏压几乎无关，而仅取决于入射光功率。（2）光电特性在较小负载电阻下，is~ps曲线为线性。（3）参数（硅光电二极管）电流响应度Rv=0.4~0.5μA/μW量级；光谱响应：可见光—近红外，0.8-0.9μm响应度最高。（4）噪声主要是热噪声和散粒噪声R主要由负载RL决定。（5）频率特性光电流输出相对于光功率输入有时间迟后，其值主要决定于载流子通过耗尽区的渡越时间w为耗尽区宽度，v为平均漂移速度，典型值为w=10μm，v=107cm/s,tD≈100ps，很小，因而p-n结光电二极管能检测1Gb／s的数字光脉冲。在光通信系统中要求光电流的响应时间愈短愈好。p-n结光电二极管响应频率的限制因素：在耗尽区外光吸收产生的载流子对光电流的影响。在p-n结外产生的光生载流子需要经过一段时间扩散才能进入结区。不利因素：1）结区以外的电场很小，可视为无场区。光生载流子在这些区域扩散速度很慢，到达结区需要很长的时间，与p-n结内的光生载流子形成时间差，影响频率特性。2）一部分载流子在扩散过程中因复合而损失掉，只有小部分能够达到结区形成漂移电流。结区外的光生载流子多经历了一个慢速扩散过程，附加的时延使检测器输出电流脉冲后沿的拖尾加长，影响光电二极管的响应速度。三、PIN光电二极管1、结构在高掺杂的P型和N型半导体之间生长一层掺杂浓度很低的N型半导体，该层近乎为本征半导体，故称为I层。此结构称为PIN光电二极管。在半导体中，掺杂浓度和耗尽层宽度的关系可表示为DpLp=DnLnD：掺杂浓度，Lp、Ln：分别为p区和n区的耗尽层宽度。在PIN结构中，P区和I区形成p-n结。由于I区近乎本征半导体，因此有：DnDp,LnLp在I区中形成很宽的耗尽层。外加反向偏压时，中间层材料的本征高阻抗性质，使大部分电压降落其上，进一步驱除了本征层内的载流子，实质上耗尽区扩展到整个I区，其宽度w可在制造过程中通过中间层厚度控制。在高掺杂的n区，因Dn很大，扩散长度很短，光生少数载流子很快被复合掉，对光电效应的贡献忽略不计，其作用是减小半导体和金属电极的接触电阻。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，InP作为P层和N层。PIN结构示意图反偏工作时的场分布InGaAsPIN光电二极管的结构示意图InP：带隙1.35eV，对于λ0.9μm的光透明InGaAs：带隙0.75eV，截止波长λc=1.65μm，与InP晶格匹配，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％。InGaAs光电二极管广泛用于1.3和1.5μm的光接收机中。较好的长波PIN管的响应速度达到50GHz以上。2、特性（1）穿透深度由于半导体对光有吸收，光功率在半导体内部按指数规律衰减，P(x)=P(0)exp(-αsx)P(0)、P(x)分别为半导体表面和深度为x处的光功率，αs是材料对光的吸收系数。当x=1/αs时，P(x)=P(0)/e，令δ=1/αs为光在半导体中的穿透深度。半导体对光的吸收与波长有关。为了提高量子效率，耗尽层应做得很宽，以便吸收更多的光子。最好让耗尽层的宽度大于穿透深度。但是耗尽层的宽度又影响器件的响应速度，因此要折衷考虑。另外，为了减小半导体表面对光的反射损耗，器件的接收面上最好镀增透膜，让更多的光进入内部。（2）时间响应PIN管的时间响应与三方面的因素有关：结电容、载流子在耗尽层中的渡越时间、耗尽层外载流子的扩散时间。其中，PIN管已经尽可能使光在耗尽层内被吸收，因此耗尽层外载流子的扩散时间的影响很小。时间响应主要由另外两个因素决定。结电容的影响：PIN使用时有偏置电路，并与放大器相连。光检测电路及其等效电路如图。其中RD、CD是PIN管的结电阻和结电容，RL是负载电阻，CL是探测器后电路中电容。结电容按平板电容器来计算，ε、A、W分别为材料的介电常数、结面积和耗尽层宽度。等效电路中的无源并联支路相当于一个低通滤波器，通带上限为W大，CD小，ωm大，时间响应越好。载流子渡越时间的影响：载流子渡越时间tD与耗尽层宽度W及载流子的漂移速度v有关，假定漂移速度是均匀的，则有：tD=W/v减小耗尽层宽度或加大反向偏压都可以使渡越时间缩短。减小耗尽层宽度，可以起到两方面的作用：使W变小；使内建电场增强，漂移速度加快。加大反向偏压，增强内建电场，使漂移速度增大。但漂移速度并不能无限制的增加，当电场强度高到一定程度时载流子就达到饱和漂移速度。对于一定宽度的耗尽层，偏压有足够值就可以达到饱和速度，因此渡越时间按饱和漂移速度估算。tD的存在引起高频失真，限制了器件的使用带宽。较好的PIN管的渡越时间一般在0.1-10ns量级。由tD限制的最高调制频率（转换效率与直流光信号相比下降3db时的频率）fD=0.4/tD综合考虑器件的量子效率和响应速度的要求，耗尽层宽度可取1-2个穿透深度δ。（3）线性和饱和对于PIN管当入射光功率太强时，光电流与光功率将不成正比，从而产生非线性失真。原因：由检测电路看，随着入射光功率和光电流的增大，负载RL上的压降增大，使PIN管上的实际压降减小，内建电场变弱。当内建电场不足以使光生载流子达到饱和漂移速