半導(dǎo)體中的光吸收和光探測器

1、半導(dǎo)體中的光吸收和光探測器半導(dǎo)體中的光吸收和光探測器 1 半導(dǎo)體中的光吸收理論半導(dǎo)體中的光吸收理論 2 半導(dǎo)體中的本征吸收和其他光吸收半導(dǎo)體中的本征吸收和其他光吸收 3 半導(dǎo)體光電探測器的材料和性能參數(shù)半導(dǎo)體光電探測器的材料和性能參數(shù) 4 半導(dǎo)體光電探測器半導(dǎo)體光電探測器 半導(dǎo)體中的光吸收和光探測半導(dǎo)體中的光吸收和光探測 n半導(dǎo)體對光的吸收機(jī)構(gòu)大致可分為：半導(dǎo)體對光的吸收機(jī)構(gòu)大致可分為： n 本征吸收；本征吸收； n 激子吸收；激子吸收； n 晶格振動(dòng)吸收；晶格振動(dòng)吸收； n 雜質(zhì)吸收；雜質(zhì)吸收； n 自由載流子吸收自由載流子吸收. . n參與光吸收躍遷的電子可涉及四種：參與光吸收躍遷的電子可

2、涉及四種： n 價(jià)電子；價(jià)電子； n 內(nèi)殼層電子；內(nèi)殼層電子； n 自由電子；自由電子； n 雜質(zhì)或缺陷中的束縛電子，雜質(zhì)或缺陷中的束縛電子， (1) 光吸收系數(shù)：光吸收系數(shù)： 半導(dǎo)體吸收光的機(jī)理主要有帶間躍遷吸收（本半導(dǎo)體吸收光的機(jī)理主要有帶間躍遷吸收（本 征吸收）、載流子吸收、晶格振動(dòng)吸收等。吸收光征吸收）、載流子吸收、晶格振動(dòng)吸收等。吸收光 的強(qiáng)弱常常采用描述光在半導(dǎo)體中衰減快慢的參量的強(qiáng)弱常常采用描述光在半導(dǎo)體中衰減快慢的參量 吸收系數(shù)吸收系數(shù)來表示；若入射光強(qiáng)為來表示；若入射光強(qiáng)為I，光進(jìn)入半導(dǎo)，光進(jìn)入半導(dǎo) 體中的距離為體中的距離為x，則定義：，則定義： 吸收系數(shù)的單位是吸收系數(shù)的單

3、位是cm-1。 dx dI I 1 1 半導(dǎo)體中的光吸收理論半導(dǎo)體中的光吸收理論 (2) 帶間光吸收譜曲線的特點(diǎn)：帶間光吸收譜曲線的特點(diǎn)： 對于對于Si和和GaAs的帶間躍遷的光吸收，測得其吸收的帶間躍遷的光吸收，測得其吸收 系數(shù)系數(shù)a與光子能量與光子能量hv的關(guān)系如圖的關(guān)系如圖1所示。這種帶間光吸所示。這種帶間光吸 收譜曲線的特點(diǎn)是：收譜曲線的特點(diǎn)是： 吸收系數(shù)隨光子能量而上升；吸收系數(shù)隨光子能量而上升； 各種半導(dǎo)體都存在一個(gè)吸收光子能量的下限（或各種半導(dǎo)體都存在一個(gè)吸收光子能量的下限（或 者光吸收長波限者光吸收長波限截止波長），并且該能量下限隨截止波長），并且該能量下限隨 著溫度的升高而減

4、?。唇刂共ㄩL增長）；著溫度的升高而減?。唇刂共ㄩL增長）； GaAs的光吸收譜曲線比的光吸收譜曲線比Si的陡峭。的陡峭。 為什么半導(dǎo)體的帶間光吸收譜曲線具有以上為什么半導(dǎo)體的帶間光吸收譜曲線具有以上 一些特點(diǎn)呢？一些特點(diǎn)呢？ 與半導(dǎo)體的與半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)。有關(guān)。 (3) 對帶間光吸收譜曲線的簡單說明：對帶間光吸收譜曲線的簡單說明： 因?yàn)榘雽?dǎo)體的帶間光吸收是由于價(jià)帶電子躍遷到因?yàn)榘雽?dǎo)體的帶間光吸收是由于價(jià)帶電子躍遷到 導(dǎo)帶所引起的，則光吸收系數(shù)與價(jià)帶和導(dǎo)帶的能態(tài)密導(dǎo)帶所引起的，則光吸收系數(shù)與價(jià)帶和導(dǎo)帶的能態(tài)密 度有關(guān)。度有關(guān)。 在價(jià)帶和導(dǎo)帶中的能態(tài)密度分布較復(fù)雜在價(jià)帶和導(dǎo)帶中的能態(tài)

5、密度分布較復(fù)雜, 在自由在自由 電子、球形等能面近似下，能態(tài)密度與能量是亞拋物電子、球形等能面近似下，能態(tài)密度與能量是亞拋物 線關(guān)系，在價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底附近的能態(tài)密度一般都很線關(guān)系，在價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底附近的能態(tài)密度一般都很 小，因此，發(fā)生在價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底附近之間躍遷的吸小，因此，發(fā)生在價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底附近之間躍遷的吸 收系數(shù)也就都很小；隨著能量的升高，能態(tài)密度增大，收系數(shù)也就都很小；隨著能量的升高，能態(tài)密度增大， 故吸收系數(shù)就相應(yīng)地增大，從而使得吸收譜曲線隨光故吸收系數(shù)就相應(yīng)地增大，從而使得吸收譜曲線隨光 子能量而上升。子能量而上升。 但是由于實(shí)際半導(dǎo)體能帶中能態(tài)密度分布函數(shù)的但是由于實(shí)際半導(dǎo)體能帶

6、中能態(tài)密度分布函數(shù)的 復(fù)雜性，而且電子吸收光的躍遷還必須符合量子力學(xué)復(fù)雜性，而且電子吸收光的躍遷還必須符合量子力學(xué) 的躍遷規(guī)則的躍遷規(guī)則k選擇定則選擇定則，所以就導(dǎo)致半導(dǎo)體光吸收，所以就導(dǎo)致半導(dǎo)體光吸收 譜曲線變得很復(fù)雜，可能會出現(xiàn)如圖譜曲線變得很復(fù)雜，可能會出現(xiàn)如圖1所示的臺階和多所示的臺階和多 個(gè)峰值或谷值。個(gè)峰值或谷值。 因?yàn)閮r(jià)電子要能夠從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，至少應(yīng)該吸因?yàn)閮r(jià)電子要能夠從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，至少應(yīng)該吸 收禁帶寬度收禁帶寬度Eg大小的能量，這樣才能符合能量守恒規(guī)大小的能量，這樣才能符合能量守恒規(guī) 律，所以就存在一個(gè)最小的光吸收能量律，所以就存在一個(gè)最小的光吸收能量光子能量光子能量

7、的下限，該能量下限也就對應(yīng)于光吸收的長波限的下限，該能量下限也就對應(yīng)于光吸收的長波限 截止波長截止波長 ： )( 24. 1 )( eVE m g g g 一些用于光電探測器的半導(dǎo)體的禁帶寬度、截止一些用于光電探測器的半導(dǎo)體的禁帶寬度、截止 波長和帶隙類型，如下表所示。波長和帶隙類型，如下表所示。 根據(jù)光吸收截止波長的這種關(guān)系，即可通過光吸根據(jù)光吸收截止波長的這種關(guān)系，即可通過光吸 收譜曲線的測量來確定出半導(dǎo)體的禁帶寬度。收譜曲線的測量來確定出半導(dǎo)體的禁帶寬度。 由于半導(dǎo)體禁帶寬度會隨著溫度的升高而減小，由于半導(dǎo)體禁帶寬度會隨著溫度的升高而減小， 所以所以 也將隨著溫度的升高而增長。也將隨著溫

8、度的升高而增長。 g GaAs和和Si的光吸收效率比較：的光吸收效率比較： 直接躍遷帶隙的直接躍遷帶隙的GaAs： GaAs的光吸收譜曲線上升得比較陡峭，這是由于的光吸收譜曲線上升得比較陡峭，這是由于 GaAs具有直接躍遷能帶結(jié)構(gòu)的緣故。在此，當(dāng)價(jià)電子具有直接躍遷能帶結(jié)構(gòu)的緣故。在此，當(dāng)價(jià)電子 吸收了足夠能量的光子、從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，由于它吸收了足夠能量的光子、從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，由于它 的價(jià)帶頂與導(dǎo)帶底都在布里淵區(qū)的同一點(diǎn)上（即的價(jià)帶頂與導(dǎo)帶底都在布里淵區(qū)的同一點(diǎn)上（即 kvmax=kcmin），則在躍遷時(shí)動(dòng)量幾乎不會發(fā)生變化：），則在躍遷時(shí)動(dòng)量幾乎不會發(fā)生變化： 同時(shí)能量守恒規(guī)律為：同時(shí)

9、能量守恒規(guī)律為： 光子能量光子能量hv=Eg 0光子動(dòng)量 pe kk 由于這種吸收光的直接躍遷既符合能量守恒、又符由于這種吸收光的直接躍遷既符合能量守恒、又符 合動(dòng)量守恒的規(guī)律，則這種光吸收的效率很高，使得光合動(dòng)量守恒的規(guī)律，則這種光吸收的效率很高，使得光 吸收系數(shù)將隨著光子能量的增加而快速增大，從而形成吸收系數(shù)將隨著光子能量的增加而快速增大，從而形成 陡峭的光吸收譜曲線。陡峭的光吸收譜曲線。 這時(shí)，吸收系數(shù)與光子能量這時(shí)，吸收系數(shù)與光子能量hv和禁帶寬度和禁帶寬度Eg之間的之間的 函數(shù)關(guān)系可以表示為函數(shù)關(guān)系可以表示為 式中的式中的是常數(shù)。當(dāng)光子能量降低到是常數(shù)。當(dāng)光子能量降低到Eg時(shí)，吸收系

10、數(shù)時(shí)，吸收系數(shù) 即減小到即減小到0，這就明確地對應(yīng)于截止波長。，這就明確地對應(yīng)于截止波長。 )( g Ehv 間接躍遷帶隙的間接躍遷帶隙的Si： Si的能帶結(jié)構(gòu)是間接躍遷型的，的能帶結(jié)構(gòu)是間接躍遷型的，kvmaxkcmin，價(jià)電子，價(jià)電子 躍遷時(shí)，就需要借助于聲子的幫助才能達(dá)到動(dòng)量守恒。于躍遷時(shí)，就需要借助于聲子的幫助才能達(dá)到動(dòng)量守恒。于 是光吸收的動(dòng)量守恒規(guī)律為：是光吸收的動(dòng)量守恒規(guī)律為： 則光吸收的能量守恒規(guī)律為：則光吸收的能量守恒規(guī)律為： 這時(shí)，吸收系數(shù)與光子能量這時(shí)，吸收系數(shù)與光子能量hv和禁帶寬度和禁帶寬度Eg之間的之間的 函數(shù)關(guān)系可以表示為函數(shù)關(guān)系可以表示為: Kkk pe 聲子動(dòng)

11、量 pg EEhv聲子能量光子能量 )( pg EEhv a）間接躍遷的實(shí)現(xiàn)需要第三者（聲子）參與，因此光吸）間接躍遷的實(shí)現(xiàn)需要第三者（聲子）參與，因此光吸 收效率要低于直接躍遷的光吸收，所以光吸收譜曲線的收效率要低于直接躍遷的光吸收，所以光吸收譜曲線的 上升速度較慢；上升速度較慢； b）因?yàn)槁曌拥膮⑴c，最小的光吸收能量并不完全對應(yīng)于）因?yàn)槁曌拥膮⑴c，最小的光吸收能量并不完全對應(yīng)于 禁帶寬度（多出了一個(gè)聲子能量禁帶寬度（多出了一個(gè)聲子能量Ep），因此光吸收的截），因此光吸收的截 止波長并不像直接帶隙半導(dǎo)體的那么明顯。不過，由于止波長并不像直接帶隙半導(dǎo)體的那么明顯。不過，由于 聲子能量非常小（聲

12、子能量非常?。‥p0.1 eV），所以最小的光吸收能量），所以最小的光吸收能量 往往比較接近于禁帶寬度。往往比較接近于禁帶寬度。 （4）參考曲線：）參考曲線： 常見半導(dǎo)體的帶間光吸收譜曲線見圖常見半導(dǎo)體的帶間光吸收譜曲線見圖2。 IV族半導(dǎo)體屬間接躍遷能帶結(jié)構(gòu)，它們的光吸收族半導(dǎo)體屬間接躍遷能帶結(jié)構(gòu)，它們的光吸收 譜曲線較緩；而譜曲線較緩；而III-V族半導(dǎo)體屬直接躍遷能帶結(jié)構(gòu)，它族半導(dǎo)體屬直接躍遷能帶結(jié)構(gòu)，它 們的光吸收譜曲線都很陡峭。們的光吸收譜曲線都很陡峭。 此外，半導(dǎo)體中載流子的光吸收譜曲線一般都位于此外，半導(dǎo)體中載流子的光吸收譜曲線一般都位于 帶間光吸收譜曲線的截止波長以外。因?yàn)檩d流

13、子光吸收帶間光吸收譜曲線的截止波長以外。因?yàn)檩d流子光吸收 是在能帶內(nèi)部的各個(gè)能級之間躍遷，所以吸收的光子能是在能帶內(nèi)部的各個(gè)能級之間躍遷，所以吸收的光子能 量更小，吸收的光波長更長。量更小，吸收的光波長更長。 2 2 本征吸收本征吸收和其他光吸收和其他光吸收 n如果有足夠能量的光子作用到半導(dǎo)如果有足夠能量的光子作用到半導(dǎo) 體上，價(jià)帶電子就有可能被激發(fā)到體上，價(jià)帶電子就有可能被激發(fā)到 導(dǎo)帶而形成電子一空穴對。這樣的導(dǎo)帶而形成電子一空穴對。這樣的 過程稱為本征吸收。第一章已經(jīng)提過程稱為本征吸收。第一章已經(jīng)提 到，這種受激本征吸收使半導(dǎo)體材到，這種受激本征吸收使半導(dǎo)體材 料具有較高的吸收系數(shù)，有一連

14、續(xù)料具有較高的吸收系數(shù)，有一連續(xù) 的吸收譜，并在光子振蕩頻率的吸收譜，并在光子振蕩頻率 =E=Eg g/h/h 處有一陡峭的吸收邊，在處有一陡峭的吸收邊，在 E 1.24/E1.24/Eg g) )的區(qū)域內(nèi)，材的區(qū)域內(nèi)，材 料是相當(dāng)透明的。由于直接帶隙與料是相當(dāng)透明的。由于直接帶隙與 間接帶隙躍遷相比有更高的躍遷速間接帶隙躍遷相比有更高的躍遷速 率，因而有更高的吸收系數(shù)或在同率，因而有更高的吸收系數(shù)或在同 樣光子能量下在材料中的光滲透深樣光子能量下在材料中的光滲透深 度較小。與間接帶隙材料相比，直度較小。與間接帶隙材料相比，直 接帶隙材料有更陡的吸收邊，接帶隙材料有更陡的吸收邊， n圖圖7.1

15、-17.1-1比較了幾種直接帶隙材料比較了幾種直接帶隙材料(GaAs(GaAs、InIn0.7 0.7Ga Ga0.3 0.3As As0.64 0.64P P0.360.36、 、 In0.53Ga0.47As)In0.53Ga0.47As)和間接帶隙材料和間接帶隙材料(Ge(Ge、Si)Si)的光吸收系數(shù)和滲透深度的光吸收系數(shù)和滲透深度 與入射光波長的關(guān)系。與入射光波長的關(guān)系。 一、直接帶隙躍遷引起的光吸收一、直接帶隙躍遷引起的光吸收 n1 1允許躍遷允許躍遷 n在外光場作用下導(dǎo)帶電子向價(jià)帶躍遷的幾率為在外光場作用下導(dǎo)帶電子向價(jià)帶躍遷的幾率為 n在在1.21.2中已提到在直接帶隙躍遷吸收中

16、，可以產(chǎn)生允許的和禁戒的躍遷。中已提到在直接帶隙躍遷吸收中，可以產(chǎn)生允許的和禁戒的躍遷。 2 1v2v 12 1 2 0 2 0 2 21 exp exp 2 ruk jrurkkkj tjV j h nm e B cp (1.2-25)(1.2-25) n當(dāng)光輻射場與半導(dǎo)體中電子發(fā)生共振相互作用時(shí)，即滿當(dāng)光輻射場與半導(dǎo)體中電子發(fā)生共振相互作用時(shí)，即滿 = = 2 2= = 1 1， 則上式括號中第一個(gè)指數(shù)變?yōu)閯t上式括號中第一個(gè)指數(shù)變?yōu)? 1。由式。由式(1.2-25)(1.2-25)還可以看到，當(dāng)滿還可以看到，當(dāng)滿 足足 0 v kkk cp (1.2-26)(1.2-26) n時(shí)，則括號中

17、第二個(gè)指數(shù)變?yōu)闀r(shí)，則括號中第二個(gè)指數(shù)變?yōu)? 1，這時(shí)括號中就有非零值。這說明，這時(shí)括號中就有非零值。這說明， 只有當(dāng)半導(dǎo)體中的電子在輻射場作用下滿足動(dòng)量守恒只有當(dāng)半導(dǎo)體中的電子在輻射場作用下滿足動(dòng)量守恒(k(k選擇定則選擇定則) ) 所產(chǎn)生的躍遷才有最大的躍遷幾率。所產(chǎn)生的躍遷才有最大的躍遷幾率。 n由式由式(1.2-25)(1.2-25)和式和式(1.2-(1.2- 26)26)可以看出，當(dāng)滿足動(dòng)可以看出，當(dāng)滿足動(dòng) 量守恒時(shí)產(chǎn)生允許的直量守恒時(shí)產(chǎn)生允許的直 接帶隙躍遷，這時(shí)價(jià)帶接帶隙躍遷，這時(shí)價(jià)帶 能量的最大值所對應(yīng)的能量的最大值所對應(yīng)的 波矢波矢k=kk=kmax max與導(dǎo)帶能量最 與導(dǎo)

18、帶能量最 小值的波矢小值的波矢k=k=kmin kmin。均在 。均在 布里淵區(qū)的原點(diǎn)，即布里淵區(qū)的原點(diǎn)，即 k kmax max=k =kmin min=0 =0，如圖，如圖7.1-27.1-2 所示。允許的直接躍遷所示。允許的直接躍遷 有最大的躍遷幾率，且有最大的躍遷幾率，且 躍遷矩陣元與波矢躍遷矩陣元與波矢k k基本基本 無關(guān)。無關(guān)。 2 1v2v 12 1 2 0 2 0 2 21 exp exp 2 ruk jrurkkkj tjV j h nm e B cp (1.2-25)(1.2-25) 0 v kkk cp (1.2-26)(1.2-26) n吸收系數(shù)寫為吸收系數(shù)寫為 g g

19、gd Eh EhEhA 0 21 (7.1-7)(7.1-7) n其中其中A A為常數(shù)為常數(shù) if r f mchn me A 00 2 23 2 2 (7.1-8)(7.1-8) nm mr r折合有效質(zhì)量，表示為折合有效質(zhì)量，表示為 her mmm 111 (7.1-6)(7.1-6) nm m0 0為自由電子的質(zhì)量，其余都是所熟知的符號，只是為自由電子的質(zhì)量，其余都是所熟知的符號，只是f fif if表 表 示與偶極矩陣元示與偶極矩陣元|M|M|2 2有有 關(guān)的振子強(qiáng)度，關(guān)的振子強(qiáng)度，f fif if=2|M| =2|M|2 2/ / m m0 0， 它通常是數(shù)量級為它通常是數(shù)量級為1

20、1的因子。的因子。 g ggd Eh EhEhA 0 21 (7.1-7)(7.1-7) if r f mchn me A 00 2 23 2 2 (7.1-8)(7.1-8) n式式(7.1-8)(7.1-8)所能適用的范圍是有限的，當(dāng)所能適用的范圍是有限的，當(dāng)(h(h -E-Eg g) )的值較大時(shí)，吸收系數(shù)的值較大時(shí)，吸收系數(shù) 隨隨h h 變化緩慢，變化緩慢， d d隨隨h h 上升的曲線斜率與能帶的形狀有關(guān)。而且當(dāng)上升的曲線斜率與能帶的形狀有關(guān)。而且當(dāng)(h(h - - E Eg g) )與激子激活能與激子激活能( (關(guān)于激子吸收將在關(guān)于激子吸收將在7.27.2中討論中討論) )可以相比

21、擬時(shí)，式可以相比擬時(shí)，式 (7.1-7)(7.1-7)還應(yīng)作適當(dāng)修改。即使還應(yīng)作適當(dāng)修改。即使h h0 0，此時(shí)吸收系數(shù)并不為零而趨于一，此時(shí)吸收系數(shù)并不為零而趨于一 穩(wěn)定值；當(dāng)穩(wěn)定值；當(dāng)h h EEg g，也可觀察到由激子的高激發(fā)態(tài)引起的吸收，如圖，也可觀察到由激子的高激發(fā)態(tài)引起的吸收，如圖 7.1-37.1-3中的點(diǎn)線所示。中的點(diǎn)線所示。 n上述允許的直接帶隙躍遷上述允許的直接帶隙躍遷 發(fā)生在價(jià)帶和導(dǎo)帶分別為發(fā)生在價(jià)帶和導(dǎo)帶分別為 半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的s s帶和帶和p p帶構(gòu)成的帶構(gòu)成的 材料中。作為對材料中。作為對 d d值大小值大小 的粗略估計(jì)，可的粗略估計(jì)，可m me e= m= mh

22、h= m= m0 0， n=4n=4，f fif if 1 1， ，則則 n若進(jìn)一步設(shè)若進(jìn)一步設(shè)(h(h -E-Eg g)=0.01eV)=0.01eV， 則則 d d 6.76.7 10103 3cmcm-1 -1。 。 1 21 4 107 . 6 cmEh gd n(7.1-9)(7.1-9) 2. 2. 禁戒躍遷禁戒躍遷 n在某些材料中在某些材料中( (如如Ge)Ge)，價(jià)帶由單個(gè)，價(jià)帶由單個(gè) 原子的原子的s s態(tài)形成，而導(dǎo)帶則由態(tài)形成，而導(dǎo)帶則由d d電子電子 態(tài)形成，躍遷選擇定則禁止在態(tài)形成，躍遷選擇定則禁止在k=0k=0處處 發(fā)生直接帶隙躍遷，但卻允許在發(fā)生直接帶隙躍遷，但卻允許

23、在k k 0 0 處發(fā)生這種躍遷。禁戒躍遷亦表示處發(fā)生這種躍遷。禁戒躍遷亦表示 于圖于圖7.1-27.1-2中。并且可以證明。當(dāng)中。并且可以證明。當(dāng) k=0k=0時(shí)，躍遷幾率時(shí)，躍遷幾率B B12 12=0 =0，而當(dāng)，而當(dāng)k k離開離開 零點(diǎn)時(shí)，躍遷幾率隨零點(diǎn)時(shí)，躍遷幾率隨k k2 2增加，即正增加，即正 比于比于(h(h -E-Eg g) )。因?yàn)榕c直接躍遷相聯(lián)。因?yàn)榕c直接躍遷相聯(lián) 系的態(tài)密度正比于系的態(tài)密度正比于(h(h -E-Eg g) )1/2 1/2，所以 ，所以 吸收系數(shù)的光譜關(guān)系可表示為吸收系數(shù)的光譜關(guān)系可表示為 23 gd EhBh (7.1-10)(7.1-10) n式中系

24、數(shù)式中系數(shù)B B為常數(shù)，表示為為常數(shù)，表示為 if r if if r f mchn me fh f m m AB 0 2 0 3 25 2 0 2 3 2 3 2 (7.1-11)(7.1-11) n式中式中f fif if為在非允許的直接帶隙躍遷 為在非允許的直接帶隙躍遷( (禁戒躍遷禁戒躍遷) )情況下的振子強(qiáng)度。因而吸情況下的振子強(qiáng)度。因而吸 收系數(shù)可表示為收系數(shù)可表示為 23 4 105 . 4 gifd Ehfh(7.1-12)(7.1-12) nf fif if是小于 是小于1 1的數(shù)，為作粗略估計(jì)，的數(shù)，為作粗略估計(jì)， f fif if=1 =1，2m2mr r=m=m0 0，

25、h h =1=1eVeV， h h - - E Eg g=0.01eV=0.01eV，可得，可得 d d=45cm=45cm-1 -1，這與容許的直接帶隙遷躍相比差 ，這與容許的直接帶隙遷躍相比差10103 3倍。倍。 if r if if r f mchn me fh f m m AB 0 2 0 3 25 2 0 2 3 2 3 2 (7.1-11)(7.1-11) n由式由式(7.1-9)(7.1-9)和式和式(7.1-(7.1- 12)12)所得到的吸收系數(shù)所得到的吸收系數(shù) 的明顯差別似乎可以用的明顯差別似乎可以用 來從實(shí)驗(yàn)上來確定上述來從實(shí)驗(yàn)上來確定上述 這兩種躍遷，但實(shí)際上這兩種躍

26、遷，但實(shí)際上 由于激子吸收對吸收曲由于激子吸收對吸收曲 線的影響，使得這種比線的影響，使得這種比 較難以湊效。較難以湊效。 1 21 4 107 . 6 cmEh gd n(7.1-9)(7.1-9) 二、間接帶隙躍遷引起的吸收二、間接帶隙躍遷引起的吸收 n1 1二階微擾過程的物理描述二階微擾過程的物理描述 n當(dāng)導(dǎo)帶能量最小值與價(jià)帶能量最大值不對應(yīng)同一當(dāng)導(dǎo)帶能量最小值與價(jià)帶能量最大值不對應(yīng)同一k k值，即值，即k kmax max k kminmin時(shí)，不 時(shí)，不 滿足動(dòng)量守恒。但實(shí)驗(yàn)上卻觀察到電子在這兩個(gè)能量極值之間的躍遷所滿足動(dòng)量守恒。但實(shí)驗(yàn)上卻觀察到電子在這兩個(gè)能量極值之間的躍遷所 引起

27、的光吸收，因而可以判斷必定有聲子參與了躍遷過程，即必須通過引起的光吸收，因而可以判斷必定有聲子參與了躍遷過程，即必須通過 吸收聲子或發(fā)射聲子才能使電子從初態(tài)吸收聲子或發(fā)射聲子才能使電子從初態(tài)“O O”躍遷至終態(tài)躍遷至終態(tài)“m m”。這種間接。這種間接 帶隙躍遷可以有兩種方式來完成，如圖帶隙躍遷可以有兩種方式來完成，如圖7.1-47.1-4所示，而每種方式又均可所示，而每種方式又均可 分兩步來實(shí)現(xiàn)。分兩步來實(shí)現(xiàn)。 即即“O O”I I“m m”或或“O O”I I“m m”。( (圖畫得有些傾斜圖畫得有些傾斜) ) n對于從始態(tài)對于從始態(tài)“O O”經(jīng)中間態(tài)經(jīng)中間態(tài)(I(I或或I I) ) 至終態(tài)

28、至終態(tài)“m m”的躍遷來說，每一步的躍遷來說，每一步 都滿足動(dòng)量守恒但能量不守恒，都滿足動(dòng)量守恒但能量不守恒， 然而兩步合起來能量卻是守恒的。然而兩步合起來能量卻是守恒的。 由測不準(zhǔn)關(guān)系由測不準(zhǔn)關(guān)系E Et t可知，只可知，只 要電子在中間態(tài)停留的時(shí)間足夠要電子在中間態(tài)停留的時(shí)間足夠 短，并不要求每一步都滿足能量短，并不要求每一步都滿足能量 守恒，但由于有聲子參與這種二守恒，但由于有聲子參與這種二 級微擾過程，其躍遷幾率要比一級微擾過程，其躍遷幾率要比一 級微擾情況下小得多。級微擾情況下小得多。 n在這種能帶結(jié)構(gòu)中，也在這種能帶結(jié)構(gòu)中，也 可以發(fā)生從價(jià)帶頂可以發(fā)生從價(jià)帶頂(k=0)(k=0)

29、至導(dǎo)帶次能谷的豎直躍至導(dǎo)帶次能谷的豎直躍 遷或直接躍遷，如圖遷或直接躍遷，如圖 7.1-57.1-5中的箭頭中的箭頭A A表示，表示， 只是由于導(dǎo)帶底只是由于導(dǎo)帶底( (對應(yīng)對應(yīng) k=kk=kmin min) )的能量比 的能量比k=0k=0處處 的導(dǎo)帶能量小很多，則的導(dǎo)帶能量小很多，則 躍遷所涉及的能量比間躍遷所涉及的能量比間 接躍遷接躍遷( (圖圖7.1-57.1-5中箭頭中箭頭 B B大這已為很薄的純大這已為很薄的純 單晶單晶GeGe片、在入射光子片、在入射光子 能量能量h h = =0.8eV0.8eV附近表現(xiàn)附近表現(xiàn) 出很陡的吸收峰所證實(shí)，出很陡的吸收峰所證實(shí)， 如圖如圖7.1-67

30、.1-6所示。在更所示。在更 長波長處的吸收則是由長波長處的吸收則是由 于間接躍遷所引起，而于間接躍遷所引起，而 這必須伴隨著聲子的發(fā)這必須伴隨著聲子的發(fā) 射和吸收，以滿足所需射和吸收，以滿足所需 的動(dòng)量守恒。的動(dòng)量守恒。 2 2間接吸收的吸收系數(shù)間接吸收的吸收系數(shù) n在圖在圖7.1-47.1-4所表示的間接帶隙躍遷中，兩種從初態(tài)至終態(tài)的躍遷方式所表示的間接帶隙躍遷中，兩種從初態(tài)至終態(tài)的躍遷方式 都必將伴隨有聲子的發(fā)射和吸收，在不考慮多聲子吸收時(shí)，則有都必將伴隨有聲子的發(fā)射和吸收，在不考慮多聲子吸收時(shí)，則有 發(fā)射聲子 吸收聲子 sg sg EEh EEh (7.1-13)(7.1-13) n式

31、中式中E Es s為聲子能量，盡管為聲子能量，盡管E Es s與與E Eg g相相 比一般是很小的，但聲子的發(fā)射與比一般是很小的，但聲子的發(fā)射與 吸收都將影響吸收曲線在吸收邊附吸收都將影響吸收曲線在吸收邊附 近的形狀，或使吸收曲線的長波限近的形狀，或使吸收曲線的長波限 發(fā)生漂移。為了區(qū)分聲子的發(fā)射和發(fā)生漂移。為了區(qū)分聲子的發(fā)射和 吸收對吸收系數(shù)的貢獻(xiàn)，而把間接吸收對吸收系數(shù)的貢獻(xiàn)，而把間接 躍遷吸收系數(shù)躍遷吸收系數(shù) i i表示為表示為 aei (7.1-14)(7.1-14) n式中式中 e e和和 a a分別為發(fā)射聲子和吸收分別為發(fā)射聲子和吸收 聲子時(shí)的吸收系數(shù)，并且有聲子時(shí)的吸收系數(shù)，并且

32、有 sge EEh，0 sga EEh，0 (7.1-15)(7.1-15) (7.1-16)(7.1-16) n經(jīng)推導(dǎo)經(jīng)推導(dǎo)(p175(p175176)176) n由吸收聲子所引起的吸收系數(shù)為由吸收聲子所引起的吸收系數(shù)為 n式中式中c c為隨為隨 緩變的函數(shù)。緩變的函數(shù)。 n聲子發(fā)射時(shí)的吸收系數(shù)為聲子發(fā)射時(shí)的吸收系數(shù)為 sg sg s sg a EEh EEh kTE EEhc 0 1exp 2 (7.1-22)(7.1-22) sg sg s sg e EEh EEh kTE EEhc 0 exp1 2 (7.1-23)(7.1-23) n經(jīng)推導(dǎo)經(jīng)推導(dǎo)(p175(p175176)176)

33、n由吸收聲子所引起的吸收系數(shù)為由吸收聲子所引起的吸收系數(shù)為 n式中式中c c為隨為隨 緩變的函數(shù)。緩變的函數(shù)。 n聲子發(fā)射時(shí)的吸收系數(shù)為聲子發(fā)射時(shí)的吸收系數(shù)為 sg sg s sg a EEh EEh kTE EEhc 0 1exp 2 (7.1-22)(7.1-22) sg sg s sg e EEh EEh kTE EEhc 0 exp1 2 (7.1-23)(7.1-23) n間接帶隙躍遷的吸收系數(shù)為間接帶隙躍遷的吸收系數(shù)為 sg sgsg s sg sg s sg s sg i EEh EEhEE kTE EEhc EEh kTE EEh kTE EEh c 0 1exp 1expex

34、p1 2 22 (7.1-24)(7.1-24) n以上只是考慮了一種類型的聲子。深入的分析還應(yīng)區(qū)分縱波聲學(xué)聲子、橫以上只是考慮了一種類型的聲子。深入的分析還應(yīng)區(qū)分縱波聲學(xué)聲子、橫 波聲學(xué)聲子、縱波光學(xué)聲子、橫波光學(xué)聲子各自的貢獻(xiàn)，不同類型的聲子波聲學(xué)聲子、縱波光學(xué)聲子、橫波光學(xué)聲子各自的貢獻(xiàn)，不同類型的聲子 能量是不同的，因而能量是不同的，因而 i i應(yīng)該是各種類型聲子所引起的吸收系數(shù)之和。應(yīng)該是各種類型聲子所引起的吸收系數(shù)之和。 n在前面的討論中，我們只在前面的討論中，我們只 考慮單聲子過程，所作的考慮單聲子過程，所作的 i i1/2 1/2h h 關(guān)系曲線圖如圖關(guān)系曲線圖如圖 7.1-7

35、7.1-7所示。對應(yīng)每一溫所示。對應(yīng)每一溫 度的吸收曲線在橫軸度的吸收曲線在橫軸( (h h 軸軸) )上的截距分別為上的截距分別為E Eg g-E-Es s 和和E Eg g+E+Es s，即分別對應(yīng)于吸，即分別對應(yīng)于吸 收聲子與發(fā)射聲子的情況。收聲子與發(fā)射聲子的情況。 顯然在低溫下發(fā)射聲子是顯然在低溫下發(fā)射聲子是 主要的。主要的。 sg sg s sg e EEh EEh kTE EEhc 0 exp1 2 (7.1-23)(7.1-23) n在價(jià)帶頂附近的狀態(tài)與在價(jià)帶頂附近的狀態(tài)與 導(dǎo)帶底附近的狀態(tài)之間導(dǎo)帶底附近的狀態(tài)之間 的躍遷的躍遷( (即圖即圖7.1-57.1-5中箭中箭 頭頭B)

36、B)是是“禁戒禁戒”躍遷，躍遷， 由這種躍遷所引起的吸由這種躍遷所引起的吸 收系數(shù)是與過剩光子能收系數(shù)是與過剩光子能 量量(h(h -E-Eg g E Es s) )的三次方的三次方 成正比的。而如上所述，成正比的。而如上所述， 在這種能帶結(jié)構(gòu)中的允在這種能帶結(jié)構(gòu)中的允 許躍遷許躍遷( (在在k=0k=0處發(fā)生豎處發(fā)生豎 直躍遷直躍遷) )所產(chǎn)生的吸收所產(chǎn)生的吸收 系數(shù)是比例于系數(shù)是比例于(h(h - - E Eg g E Es s) )2 2 的。的。 n圖圖7.1-87.1-8和圖和圖7.1-97.1-9是間接躍遷半導(dǎo)體是間接躍遷半導(dǎo)體GeGe的基本吸收譜。的基本吸收譜。 由圖由圖7.1-

37、97.1-9看出，在看出，在k k空間空間 點(diǎn)和在高的光子能量作用下，點(diǎn)和在高的光子能量作用下， 仍可產(chǎn)生允許的直接躍遷，并得到其值不小的吸收系仍可產(chǎn)生允許的直接躍遷，并得到其值不小的吸收系 數(shù)。數(shù)。 【注注】帶間光躍遷的量子力學(xué)規(guī)則：帶間光躍遷的量子力學(xué)規(guī)則： 按照量子力學(xué)的躍遷理論，電子的躍遷需遵從按照量子力學(xué)的躍遷理論，電子的躍遷需遵從選選 擇定則擇定則。 滿足選擇定則的躍遷有兩種：允滿足選擇定則的躍遷有兩種：允許躍遷許躍遷和和禁戒躍遷禁戒躍遷。 這是由于電子在躍遷時(shí)的初態(tài)和終態(tài)的奇偶性需要符合一這是由于電子在躍遷時(shí)的初態(tài)和終態(tài)的奇偶性需要符合一 定的要求，才能吸收光而發(fā)生躍遷。定的要求

38、，才能吸收光而發(fā)生躍遷。 波函數(shù)奇偶性不同的狀態(tài)之間的躍遷是容許躍遷，波波函數(shù)奇偶性不同的狀態(tài)之間的躍遷是容許躍遷，波 函數(shù)奇偶性相同的狀態(tài)之間的躍遷是禁戒躍遷。例如電子函數(shù)奇偶性相同的狀態(tài)之間的躍遷是禁戒躍遷。例如電子 從從s態(tài)躍遷到態(tài)躍遷到p態(tài)是可以的態(tài)是可以的容許躍遷，但是從容許躍遷，但是從s態(tài)躍遷到態(tài)躍遷到 s態(tài)卻是不可以的態(tài)卻是不可以的禁戒躍遷。禁戒躍遷。 然而，實(shí)際晶體中，禁戒躍遷并不是完全不會發(fā)然而，實(shí)際晶體中，禁戒躍遷并不是完全不會發(fā) 生，禁戒躍遷也是一種吸收光的躍遷形式，只是躍遷生，禁戒躍遷也是一種吸收光的躍遷形式，只是躍遷 幾率非常小幾率非常小遠(yuǎn)小于容許躍遷。遠(yuǎn)小于容許躍遷

39、。 這是由于能帶之間的相互作用會使得電子狀態(tài)的這是由于能帶之間的相互作用會使得電子狀態(tài)的 奇偶性發(fā)生一點(diǎn)改變，禁戒被松動(dòng)，所以奇偶性相同奇偶性發(fā)生一點(diǎn)改變，禁戒被松動(dòng)，所以奇偶性相同 的電子狀態(tài)之間，也有可能發(fā)生一定幾率的光吸收躍的電子狀態(tài)之間，也有可能發(fā)生一定幾率的光吸收躍 遷遷禁戒躍遷。禁戒躍遷。 一、常用的半導(dǎo)體光電探測器材料一、常用的半導(dǎo)體光電探測器材料 半導(dǎo)體光電探測器材料的基本要求是希望對所半導(dǎo)體光電探測器材料的基本要求是希望對所 探測的入射光在半導(dǎo)體材料內(nèi)部能引起大的受激吸探測的入射光在半導(dǎo)體材料內(nèi)部能引起大的受激吸 收速率，因此直接帶隙材料是最理想的。但有些間收速率，因此直接帶

40、隙材料是最理想的。但有些間 接帶隙躍遷材料對一定波長范圍的入射光也能產(chǎn)生接帶隙躍遷材料對一定波長范圍的入射光也能產(chǎn)生 明顯的吸收。明顯的吸收。 含有異質(zhì)結(jié)的光電探測器，要考慮異質(zhì)結(jié)材料含有異質(zhì)結(jié)的光電探測器，要考慮異質(zhì)結(jié)材料 的晶格常數(shù)匹配。的晶格常數(shù)匹配。 3 半導(dǎo)體光電探測器的材料和性能參數(shù)半導(dǎo)體光電探測器的材料和性能參數(shù) Si、Ge、GaAs、InGaAsP是幾種光纖通信中是幾種光纖通信中 常用的探測器材料。常用的探測器材料。 在波長在波長1.0um時(shí)，時(shí)，Ge是可供選擇的材料。是可供選擇的材料。 -族化合物半導(dǎo)體光探測器適合在族化合物半導(dǎo)體光探測器適合在1.3um和和 1.55um波段

41、的光纖通信系統(tǒng)中使用的，同時(shí)還可以波段的光纖通信系統(tǒng)中使用的，同時(shí)還可以 調(diào)整組分，使吸收邊正好處在工作波段之外。調(diào)整組分，使吸收邊正好處在工作波段之外。 二、半導(dǎo)體光電探測器的性能參數(shù)二、半導(dǎo)體光電探測器的性能參數(shù) 1. 量子效率和響應(yīng)度量子效率和響應(yīng)度 入射的光子數(shù) 空穴對數(shù)所產(chǎn)生的電子 W 0 exp1 WdR 0101 exp1exp1 Si探測器量子效率與波長、吸收層厚度的關(guān)系圖探測器量子效率與波長、吸收層厚度的關(guān)系圖 圖圖 PIN光電二極管響應(yīng)度、量子效應(yīng)率與波長的關(guān)系光電二極管響應(yīng)度、量子效應(yīng)率與波長的關(guān)系 10 30 50 70 90 Ge InGaAs 0.70.91.11.

42、31.51.7 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 m (W 1) Si 響應(yīng)度響應(yīng)度R：定義為單位入射光功率作用到探測器：定義為單位入射光功率作用到探測器 上后在外電路中產(chǎn)生的光電流的大小。上后在外電路中產(chǎn)生的光電流的大小。 WA hc e h q q h q P I R i p 光子數(shù) 電子數(shù) 光電流 2. 暗電流和噪聲暗電流和噪聲 理想的光電探測器，在無光照時(shí)應(yīng)該沒有光電理想的光電探測器，在無光照時(shí)應(yīng)該沒有光電 流，然而實(shí)際中由于：在耗盡層中存在有載流子流，然而實(shí)際中由于：在耗盡層中存在有載流子 產(chǎn)生復(fù)合電流，產(chǎn)生復(fù)合電流，耗盡層邊界上少數(shù)載流子的擴(kuò)散耗盡層邊界上少數(shù)載流子的擴(kuò)散

43、 流，表面漏電流，使得無光時(shí)存在一個(gè)小電流，流，表面漏電流，使得無光時(shí)存在一個(gè)小電流， 無光時(shí)的電流稱為暗電流。無光時(shí)的電流稱為暗電流。 溫度越高，受溫度激發(fā)的電子數(shù)量越多，暗電溫度越高，受溫度激發(fā)的電子數(shù)量越多，暗電 流越大。流越大。 噪聲是反映光電二極管特性的一個(gè)重要參數(shù)，它直噪聲是反映光電二極管特性的一個(gè)重要參數(shù)，它直 接影響光接收機(jī)的靈敏度。光電二極管的噪聲包括由信接影響光接收機(jī)的靈敏度。光電二極管的噪聲包括由信 號電流和暗電流產(chǎn)生的號電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲散粒噪聲和由負(fù)載電阻和后繼放和由負(fù)載電阻和后繼放 大器輸入電阻產(chǎn)生的大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲熱噪聲。噪聲通常用均方噪聲電流。噪

44、聲通常用均方噪聲電流 (在在1負(fù)載上消耗的噪聲功率負(fù)載上消耗的噪聲功率)來描述。來描述。 均方散粒噪聲電流均方散粒噪聲電流 i2sh=2e(IP+Id)B 式中，式中，B為放大器帶寬，為放大器帶寬，IP和和Id分別為信號電流和暗電流。分別為信號電流和暗電流。 222 Tsh iii 第一項(xiàng)第一項(xiàng)2eIPB稱為量子噪聲，是由于入射光子和所形稱為量子噪聲，是由于入射光子和所形 成的電子成的電子空穴對都具有離散性和隨機(jī)性而產(chǎn)生的。只要空穴對都具有離散性和隨機(jī)性而產(chǎn)生的。只要 有光信號輸入就有有光信號輸入就有量子噪聲量子噪聲。這是一種不可克服的。這是一種不可克服的本征本征 噪聲噪聲， 它決定光接收機(jī)靈

45、敏度的極限它決定光接收機(jī)靈敏度的極限。 第二項(xiàng)第二項(xiàng)2eIdB是暗電流產(chǎn)生的噪聲。是暗電流產(chǎn)生的噪聲。 均方熱噪聲電流均方熱噪聲電流 R TBK i B T 4 2 式中，式中，T為等效噪聲溫度，為等效噪聲溫度，R為等效電阻。為等效電阻。 因此，因此， 光電二極管的總均方噪聲電流為：光電二極管的總均方噪聲電流為： R TBK BIIei B dp 4 )(2 2 光電二極管對高速調(diào)制光信號的響應(yīng)能力用響應(yīng)時(shí)光電二極管對高速調(diào)制光信號的響應(yīng)能力用響應(yīng)時(shí) 間間或截止頻率或截止頻率fc(帶寬帶寬B)表示。表示。 響應(yīng)時(shí)間通常用光生電流脈沖前沿由最大幅度的響應(yīng)時(shí)間通常用光生電流脈沖前沿由最大幅度的 1

46、0%上升到上升到90%，或后沿由，或后沿由90%下降到下降到10%的時(shí)間來衡的時(shí)間來衡 量，有時(shí)這兩者可能不同。量，有時(shí)這兩者可能不同。 對于幅度一定，頻率為對于幅度一定，頻率為=2f的正弦調(diào)制信號，用的正弦調(diào)制信號，用 光生電流光生電流I()下降下降3dB的頻率定義為截止頻率的頻率定義為截止頻率fc。 3. 響應(yīng)時(shí)間或頻率帶寬響應(yīng)時(shí)間或頻率帶寬 圖圖 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)時(shí)間主要取決于三個(gè)因素：響應(yīng)時(shí)間主要取決于三個(gè)因素： 耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散時(shí)間耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散時(shí)間di 載流子漂移通過耗盡區(qū)的渡越時(shí)間載流子漂移通過耗盡區(qū)的渡越時(shí)間dr 光檢測器和它有關(guān)電路的時(shí)間常數(shù)光檢測器和

47、它有關(guān)電路的時(shí)間常數(shù)RC，主要隨，主要隨 電阻和電容的增大而增大。電阻和電容的增大而增大。 總的時(shí)間常數(shù)：總的時(shí)間常數(shù)： pnB pn pn pn di TK eL D L , 2 , , 2 , E W v W pn pn dr dr , , 222 RCdrdir 減小耗盡層寬度減小耗盡層寬度W，可以減小渡越時(shí)間，可以減小渡越時(shí)間dr，從而提高截，從而提高截 止頻率止頻率fc，但是同時(shí)要降低量子效率，但是同時(shí)要降低量子效率。 10 1001000 10000 1000600 20010060402010 642 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

48、.0 1.06 m Si-PIN 0 .9 5 0 .9 0 0 .8 5 0 .8 0 0 .6 3 2 8 帶 寬 /MHz 內(nèi) 量 子 效 率 耗 盡 區(qū) 寬 度 / m 400 在光纖通信中要求半導(dǎo)體光探測器對入射的高速在光纖通信中要求半導(dǎo)體光探測器對入射的高速 調(diào)制光信號能產(chǎn)生快速響應(yīng)，以利于提高通信速度，調(diào)制光信號能產(chǎn)生快速響應(yīng)，以利于提高通信速度， 降低誤碼率。降低誤碼率。 要提高響應(yīng)速度需減少耗盡層電容，這意味著大要提高響應(yīng)速度需減少耗盡層電容，這意味著大 面積的探測器不適合探測高頻調(diào)制信號。加大耗盡層面積的探測器不適合探測高頻調(diào)制信號。加大耗盡層 寬度可減少結(jié)電容，同時(shí)可提高

49、量子效率，但卻增加寬度可減少結(jié)電容，同時(shí)可提高量子效率，但卻增加 了載流子的渡越時(shí)間。了載流子的渡越時(shí)間。 所以吸收區(qū)的厚度要兼顧量子效率和響應(yīng)速度，所以吸收區(qū)的厚度要兼顧量子效率和響應(yīng)速度， 減小面積來減少結(jié)電容的同時(shí)還要考慮小面積與光纖減小面積來減少結(jié)電容的同時(shí)還要考慮小面積與光纖 耦合的問題。耦合的問題。 半導(dǎo)體光探測器的靈敏度是指，在保證所要求的誤半導(dǎo)體光探測器的靈敏度是指，在保證所要求的誤 碼率前提下，所能探測到的最小光功率，用碼率前提下，所能探測到的最小光功率，用dBm表示。表示。 4. 靈敏度靈敏度 一、光電二極管一、光電二極管 光電二極管光電二極管(PD)把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的

50、功能，把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的功能， 是由半導(dǎo)體是由半導(dǎo)體PN結(jié)的結(jié)的光電效應(yīng)光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)的。 在在PN結(jié)界面上，由于電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形結(jié)界面上，由于電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形 成內(nèi)建電場。內(nèi)建電場使電子和空穴產(chǎn)生與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)成內(nèi)建電場。內(nèi)建電場使電子和空穴產(chǎn)生與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 方向相反的漂移運(yùn)動(dòng)，使能帶發(fā)生傾斜，方向相反的漂移運(yùn)動(dòng)，使能帶發(fā)生傾斜， 形成耗盡層。形成耗盡層。 當(dāng)入射光作用在當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時(shí)，如果光子的能量大于或等于結(jié)時(shí)，如果光子的能量大于或等于 帶隙帶隙(hvEg)， 便發(fā)生受激吸收，即價(jià)帶的電子吸收光便發(fā)生受激吸收，即價(jià)帶的電子吸收光 子的能量躍遷到導(dǎo)帶形成光生電子

51、子的能量躍遷到導(dǎo)帶形成光生電子 - 空穴對。空穴對。 在耗盡在耗盡 層，由于內(nèi)建電場的作用，電子向?qū)?，由于?nèi)建電場的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P 區(qū)運(yùn)動(dòng)，區(qū)運(yùn)動(dòng)， 形成漂移電流。形成漂移電流。 4 半導(dǎo)體光電探測器半導(dǎo)體光電探測器 光電效應(yīng)示意圖光電效應(yīng)示意圖 在耗盡層兩側(cè)是中性區(qū)，由于熱運(yùn)動(dòng)，部分光生電在耗盡層兩側(cè)是中性區(qū)，由于熱運(yùn)動(dòng)，部分光生電 子和空穴通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可能進(jìn)入耗盡層，然后在內(nèi)建電子和空穴通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可能進(jìn)入耗盡層，然后在內(nèi)建電 場作用下，形成和漂移電流相同方向的電流。場作用下，形成和漂移電流相同方向的電流。光生漂移光生漂移 電流分量和光生擴(kuò)散電流分量的總和即為

52、光生電流。電流分量和光生擴(kuò)散電流分量的總和即為光生電流。 當(dāng)與當(dāng)與P區(qū)和區(qū)和N區(qū)連接的電路開路時(shí)，便在兩端產(chǎn)生區(qū)連接的電路開路時(shí)，便在兩端產(chǎn)生 電動(dòng)勢電動(dòng)勢。 當(dāng)連接的電路閉合時(shí)，當(dāng)連接的電路閉合時(shí)，N區(qū)電子通過外部電路區(qū)電子通過外部電路 流向流向P區(qū)。同樣，區(qū)。同樣，P區(qū)的空穴流向區(qū)的空穴流向N區(qū)，區(qū)， 便形成了便形成了光生電光生電 流流。 當(dāng)入射光變化時(shí)，光生電流隨之作線性變化，從而當(dāng)入射光變化時(shí)，光生電流隨之作線性變化，從而 把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。這種由把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。這種由PN結(jié)構(gòu)成，在入射光作結(jié)構(gòu)成，在入射光作 用下，由于受激吸收產(chǎn)生電子用下，由于受激吸收產(chǎn)生電子-空穴對的運(yùn)動(dòng)

53、，在閉合電空穴對的運(yùn)動(dòng)，在閉合電 路中形成光生電流的器件，就是簡單的路中形成光生電流的器件，就是簡單的光電二極管光電二極管(PD)。 由于載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)比漂移運(yùn)動(dòng)慢得多，所以減由于載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)比漂移運(yùn)動(dòng)慢得多，所以減 小擴(kuò)散分量的比例便可顯著提高響應(yīng)速度。小擴(kuò)散分量的比例便可顯著提高響應(yīng)速度。但是提高反但是提高反 向偏壓，加寬耗盡層，又會增加載流子漂移的渡越時(shí)間，向偏壓，加寬耗盡層，又會增加載流子漂移的渡越時(shí)間， 使響應(yīng)速度減慢。為了解決這一矛盾，使響應(yīng)速度減慢。為了解決這一矛盾， 就需要改進(jìn)就需要改進(jìn)PN 結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu)。結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu)。 光電二極管通常要施加光電二極管通常要施加

54、適當(dāng)?shù)倪m當(dāng)?shù)姆聪蚱珘海康氖欠聪蚱珘?，目的?增加耗盡層的寬度增加耗盡層的寬度，縮小，縮小 耗盡層兩側(cè)中性區(qū)的寬度，耗盡層兩側(cè)中性區(qū)的寬度， 從而減小光生電流中的擴(kuò)從而減小光生電流中的擴(kuò) 散分量。散分量。 由于由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性 區(qū)吸收，區(qū)吸收， 因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器 件的特性，在件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半 導(dǎo)體導(dǎo)體(稱為稱為I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。光電二極管。 PIN光電二

55、極管的工作原理和結(jié)構(gòu)見下頁圖。中間的光電二極管的工作原理和結(jié)構(gòu)見下頁圖。中間的 I層是層是N型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體，兩側(cè)是摻雜濃度型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體，兩側(cè)是摻雜濃度 很高的很高的P型和型和N型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 二、二、PIN光電二極管光電二極管 PIN光探測器的結(jié)構(gòu)和原理圖光探測器的結(jié)構(gòu)和原理圖 I層很厚，吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)入材料層很厚，吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)入材料 內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子空穴對，因而大幅度空穴對，因而大幅度 提高了光電轉(zhuǎn)換效率。兩側(cè)提高了光電轉(zhuǎn)換效率。兩側(cè)P+層和層和N+層很薄，吸收入層很薄，吸收入 射光的比例很小，射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整個(gè)耗盡層，層幾乎占據(jù)整個(gè)耗盡層， 因而光生因而光生 電流中漂移分量占支配地位電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應(yīng)速從而大大提高了響應(yīng)速 度。度。另外，可通過控制耗盡層的寬度另外，可通過控制耗盡層的寬度W，來改變器件，來改變器件 的響應(yīng)速度。的響應(yīng)速度。 光電二極管輸出電流光電二極管輸出電流I和反偏壓和反偏壓U的關(guān)系示于下圖。的關(guān)系示于下圖。 隨著反向偏壓的增加，開始光電流基本保持不變。當(dāng)隨著反向偏壓的增加，開始光電流基本保持不變。當(dāng) 反向偏壓增加到一定數(shù)值時(shí)，光電流急劇增加，最后反向偏壓增加到一定數(shù)值時(shí)，光電流急劇增加，最后 器件被擊穿，這個(gè)