光電探測器原理

1、.光電探測器原理及應(yīng)用光電探測器種類繁多，原則上講，只要受到光照后其物理性質(zhì)發(fā)生變化的任何材料都可以用來制作光電探測器?，F(xiàn)在廣泛使用的光電探測器是利用光電效應(yīng)工作的，是變光信號為電信號的元件。光電效應(yīng)分兩類，內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)。他們的區(qū)別在于，內(nèi)光電效應(yīng)的入射光子并不直接將光電子從光電材料內(nèi)部轟擊出來，而只是將光電材料內(nèi)部的光電子從低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài)。于是在低能態(tài)留下一個空位空穴，而高能態(tài)產(chǎn)生一個自由移動的電子，如圖二所示。硅光電探測器是利用內(nèi)光電效應(yīng)的。由入射光子所激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對，稱為光生電子空穴對，光生電子空穴對雖然仍在材料內(nèi)部，但它改變了半導(dǎo)體光電材料的導(dǎo)電性能，如果設(shè)法檢測出

2、這種性能的改變，就可以探測出光信號的變化。無論外光電效應(yīng)或是內(nèi)光電效應(yīng)，它們的產(chǎn)生并不取決于入射光強，而取決于入射光波的波長或頻率，這是因為光子能量E只和有關(guān)：E=h（1）式中h為普朗克常數(shù)，要產(chǎn)生光電效應(yīng)，每個光子的能量必須足夠大，光波波長越短，頻率越高，每個光子所具有的能量h也就越大。光強只反映了光子數(shù)量的多少，并不反映每個光子的能量大小。目前普遍使用的光電探測器有耗盡層光電二極管和雪崩光電二極管，是由半導(dǎo)體材料制作的。半導(dǎo)體光電探測器是很好的固體元件，主要有光導(dǎo)型，熱電型和PN結(jié)型。但在許多應(yīng)用中，特別是在近幾年發(fā)展的光纖系統(tǒng)中，光導(dǎo)型探測器處理弱信號時噪聲性能很差；熱電型探測器不能獲得

3、很高的靈敏度。而硅光電探測器在從可見光到近紅外光區(qū)能有效地滿足上述條件，是該波長區(qū)理想的光接收器件。一、耗盡層光電二極管在半導(dǎo)體中，電子并不處于單個的分裂能級中，而是處于能帶中，一個能帶有許多個能級。如圖三所示。能帶與能帶間的能量間隙稱為禁帶，禁帶中沒有電子，電子從下往上填，被電子全部填滿的能帶稱為滿帶，最高的滿帶稱為價帶，緊靠在價帶上面的能帶稱為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶只有部分被電子填充，或是全部空著。內(nèi)光電效應(yīng)發(fā)生在導(dǎo)帶與價帶之間。價帶中的電子吸收了入射光子的能量h后被激發(fā)到導(dǎo)帶中去，于是在導(dǎo)帶中產(chǎn)生一個能自由運動的電子，而在價帶中留下一個空穴，空穴可以看作是一個帶正電的載流子?？昭梢栽趦r帶中自由移動

4、。因此，當(dāng)入射光子在半導(dǎo)體的夾帶和導(dǎo)帶中激發(fā)產(chǎn)生光生電子空穴對后，將改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。以半導(dǎo)體為材料制成的光電二極管，其核心是P-N結(jié)。P-N結(jié)是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合而成的。由于擴散作用始終是濃度高的向濃度低的運動，所以P型和N型合在一起時，P區(qū)的空穴會向N區(qū)移動，N區(qū)的電子會向P區(qū)移動。結(jié)果會使P區(qū)變負，N區(qū)變正。電荷堆積在P-N結(jié)兩側(cè)形成自建電場，其方向由N指向P。該自建電場阻止空穴和電子的進一步擴散并使之逐漸達到平衡，于是在P-N結(jié)區(qū)形成了耗盡層。為了提高光電二極管的響應(yīng)速率，我們希望光生電子空穴對的產(chǎn)生盡量發(fā)生在耗盡層內(nèi)，因為在這一區(qū)域內(nèi)一旦產(chǎn)生電子空穴對，電子和空穴立即被

5、P-N結(jié)內(nèi)強烈的自建電場分開而各自向相反方向作漂移運動，如圖4所示：由于自建電場很強，所以電子和空穴漂移運動的速度很快，如果光生電子空穴對在耗盡層外產(chǎn)生，由于耗盡層外沒有自建電場，所以電子和空穴只能靠擴散到達P-N結(jié)區(qū)，會慢上許多，將影響探測器的響應(yīng)速率。所以實際上使用時，會將光電二極管反向偏置，即N接正，P接負，外加電場和自建電場方向相同。這使得P-N結(jié)兩側(cè)的勢壘進一步加大，耗盡層寬度進一步加寬，允許更多的光生電子空穴對在高場強區(qū)產(chǎn)生，從而進一步提高光電二極管的性能。所以耗盡層光電二極管實質(zhì)上是一個反向偏置工作的二極管，其反向工作電流受入射光調(diào)制。二、雪崩光電二極管雪崩光電二極管有內(nèi)部增亦或

6、放大作用，一個入射光子可以產(chǎn)生10-100對光生電子空穴，使光電流大大增加，明顯提高了光電探測器的靈敏度。雪崩光電二極管內(nèi)部增益如何產(chǎn)生呢？如前所述，在反向偏置二極管的耗盡層中，存在著一相當(dāng)強的電場。反向偏置電壓越高，耗盡層中電場強度越大。如果耗盡層中的電場強度達到非常高時，例如：對半導(dǎo)體硅雪崩光電二極管來說，電場強度超過105V/cm時，在耗盡層中的光生電子和空穴會被強電場加速而獲得巨大的動能，他們將于其他的原子發(fā)生碰撞而激發(fā)產(chǎn)生新的二次碰撞電離的電子空穴對。這些新產(chǎn)生的電子空穴對反過來又在耗盡層中被強電場加速而獲得足夠的動能，再一次又與其他原子發(fā)生碰撞電離而激發(fā)產(chǎn)生更多的電子空穴對。這樣的

7、碰撞電離一個接一個地不斷發(fā)生，就形成所謂“雪崩”倍增現(xiàn)象，使光電流放大，如圖5所示。很明顯，在半導(dǎo)體中，不僅電子可引起這種雪崩倍增，空穴同樣會造成雪崩倍增。所加的反向偏置電壓低于某個確定電壓時，即低于所謂雪崩電壓時，由碰撞電離而產(chǎn)生的電子空穴對的總數(shù)是有限的，平均說來是正比于入射光子數(shù)或初始光生載流子數(shù)。一個載流子穿過單位距離時，由于碰撞電離所產(chǎn)生的電子空穴對的平均數(shù)，稱為載流子的離化率。離化率和耗盡層內(nèi)的電場強度密切相關(guān)。不同的半導(dǎo)體材料，離化率不相同。即使在同一種半導(dǎo)體材料中，不同類型的載流子的離化率也是各不相同的，即電子離化率和空穴離化率彼此不通。雪崩光電二極管的一個重要問題是噪聲問題。

8、除了一般光電探測器所具有的噪聲之外，由于雪崩光電二極管有內(nèi)部增益，因而還將引入附加噪聲。這種附加噪聲和雪崩管內(nèi)的碰撞電離有關(guān)。理論證明，當(dāng)只有一種載流子引起碰撞電離，那么雪崩光電二極管的噪聲就比較低，他的增益帶寬積才比較大。也就是說，要么是由電子產(chǎn)生碰撞電離而空穴不產(chǎn)生碰撞電離，要么是由空穴產(chǎn)生碰撞電離而電子不產(chǎn)生碰撞電離，這樣的雪崩光電二極管的性能才會比較好。反之，弱電子和空穴這兩種類型的載流子同時引起碰撞電離，就會使附加噪聲增加，增益帶寬積減小，從而導(dǎo)致整個雪崩光電二極管器件性能下降。要實現(xiàn)只有一種類型的載流子產(chǎn)生碰撞電離，就要求半導(dǎo)體材料電子離化率和空穴離化率二者差值越大越好。由于半導(dǎo)體

9、硅的電子離化率和空穴離化率二者相差較大，因此硅是制作雪崩光電二極管較理想的材料之一。除了半導(dǎo)體材料本身特性外，還可以在工藝結(jié)構(gòu)上采取一些措施來盡量保證只有一種類型的載流子才能產(chǎn)生碰撞電離。例如：可以設(shè)法將雪崩管中的耗盡層分為吸收漂移區(qū)和高場倍增區(qū)。讓入射光盡量在漂移區(qū)中被吸收而產(chǎn)生出光生電子空穴對，然后只讓其中一種類型的載流子進入高場強區(qū)域產(chǎn)生倍增。圖6（a）所示的達通型硅雪崩光電二極管即此結(jié)構(gòu)。圖6（b）是它響應(yīng)個區(qū)域的電場分布。達通型硅雪崩光電二極管簡稱為RAPD。RAPD由n+-p-p+層組成，其中n+，p+分別表示重摻雜的n型和p型半導(dǎo)體，表示p型高阻層。在X1到X2之間為n+的接觸層

10、，X2到X3是P型倍增區(qū)，雪崩倍增主要發(fā)生在這個區(qū)域。從X3到X4是漂移區(qū)，入射光子大部分在該區(qū)域被吸收，因為區(qū)比P區(qū)寬的多。X4以后是P+接觸區(qū)，為雪崩管的襯底。從這種結(jié)構(gòu)的雪崩管內(nèi)的電場強度分布有圖可以看出，在n+-p靠近P區(qū)一側(cè)電場強度最高，在低壓反向偏置時，所加電壓大部分降落在該p-n+結(jié)區(qū)上，當(dāng)外加反向偏壓增大時，P型倍增區(qū)將隨之加寬，在達通電壓V下，一直拉通達到近似于本征半導(dǎo)體的區(qū)，正因為如此，所以稱之為“達通型雪崩光電二極管”。當(dāng)超過達通電壓V后，外加電壓將降落在包括整個區(qū)的p-n結(jié)耗盡層上。由于區(qū)比p區(qū)寬的多，所以此時P型倍增區(qū)的電場隨外加電壓增大相對來說變化較慢，于是倍增因子

11、的增加也相對較慢。在正常工作時，雖然區(qū)電場低于p-n+結(jié)倍增區(qū)電場，但仍然相當(dāng)高，以便使在該區(qū)產(chǎn)生的光生載流子能以略低于產(chǎn)生二次碰撞電離的速度快速運動，這樣才能保證雪崩管的快速響應(yīng)。區(qū)相當(dāng)寬，能保證入射光絕大部分在該區(qū)被吸收，而且只有在該區(qū)產(chǎn)生的初始電子空穴對中的電子才能進入p-n+結(jié)高場倍增區(qū)去產(chǎn)生碰撞電離，獲得增益。在區(qū)產(chǎn)生的空穴是向相反方向運動的，不可能進入高場倍增區(qū)，從而抑制了空穴產(chǎn)生碰撞電離得可能性。雖然在n+區(qū)和P區(qū)由入射光子所產(chǎn)生的空穴也可能在高場區(qū)中發(fā)生碰撞電離，但畢竟n+和p區(qū)很窄，所以在該區(qū)產(chǎn)生的初始光生空穴很少。另外，硅的空穴離化率比電子離化率小很多，因此，硅雪崩管的空穴在倍增過程中起的作用很小，在倍增區(qū)主要靠一種載流子