半導(dǎo)體探測(cè)器

半導(dǎo)體探測(cè)器第八章8.1光的吸收8.2p-n結(jié)光電二極管工作原理8.3PIN型光電二極管8.4探測(cè)器量子效率和響應(yīng)度8.5異質(zhì)結(jié)的窗口效應(yīng)8.6異質(zhì)結(jié)中的光電流8.7AlGaN基深紫外光探測(cè)器簡(jiǎn)介

探測(cè)器的種類？響應(yīng)度？p-np-i-n探測(cè)器中的光電流的主要來(lái)源？異質(zhì)結(jié)的窗口效應(yīng)？第一頁(yè)，共三十九頁(yè)。OpticalSpectrum第二頁(yè)，共三十九頁(yè)。半導(dǎo)體探測(cè)器的應(yīng)用第三頁(yè)，共三十九頁(yè)。電子的躍遷初態(tài)到終態(tài)的躍遷純凈半導(dǎo)體吸收邊通常把吸收限附近的吸收譜稱為吸收邊。它相應(yīng)于電子由價(jià)帶頂附近到導(dǎo)帶底附近的躍遷。禁帶寬度Eg光吸收過程Cut-offwavelengthvs.Energybandgap（8.1）Absorptioncoefficient（8.2）吸收系數(shù)8.1光的吸收第四頁(yè)，共三十九頁(yè)。直接躍遷和間接躍遷IfKiswavevectoroflatticewave,then?Krepresentsthemomentumassociatedwithlatticevibration?Kisaphononmomentum.直接帶材料的吸收系數(shù)比間接帶材料陡峭得多，這是由于直接帶隙中有更高的躍遷速率，因此在同樣的光子能量下，吸收系數(shù)更大、亦即光穿透深度更小。第五頁(yè)，共三十九頁(yè)。第六頁(yè)，共三十九頁(yè)。1WhatisaPhotodetector??Convertslighttoelectricalsignal–Voltage–Current?Responseisproportionaltothepowerinthebeam第七頁(yè)，共三十九頁(yè)。Howitworks?第八頁(yè)，共三十九頁(yè)。2p-n結(jié)光電二極管原理第九頁(yè)，共三十九頁(yè)。SiO2Electrodernet–eNaeNdxxE(x)REmaxe–h+Iphhv

>EgWEnDepletionregionARcoatingVrElectrodeVoutp+PD由一pn結(jié)組成，在入射光作用下，吸收區(qū)中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。pn結(jié)在外加反向偏置電壓的作用有一耗盡層，電子和空穴在該區(qū)中以漂移速度分別向兩端運(yùn)動(dòng)，在擴(kuò)散區(qū)中它們則作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。在外回路上形成光電流，在負(fù)載R上產(chǎn)生一定的壓降，從而探測(cè)出光信號(hào)。第十頁(yè)，共三十九頁(yè)。當(dāng)光照射在pn結(jié)部位時(shí)，由于光吸收使電子由價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，分別在導(dǎo)帶和價(jià)帶生成電子和空穴。這些電子和空穴，在pn結(jié)區(qū)域耗盡層存在的內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，分別向n型區(qū)域和p型區(qū)域移動(dòng)。這時(shí)，如果將p型區(qū)域和n型區(qū)域用外電路將其短路的話，外部電路就有由這些載流子產(chǎn)生的光電流。第十一頁(yè)，共三十九頁(yè)。8.3PIN型光電二極管一般pn型PD有兩個(gè)缺點(diǎn)：（1）結(jié)電容不夠小。RC常數(shù)限制。（2）對(duì)于pn結(jié)而言，耗盡層太窄，耗盡層一般為幾個(gè)微米，長(zhǎng)波長(zhǎng)時(shí)，穿透深度可能大于耗盡層和寬度，造成耗盡層外的吸收。光在耗盡層外被吸收有兩個(gè)缺點(diǎn)：光電轉(zhuǎn)換的效率低，光電響應(yīng)速度慢。解決的辦法：加寬耗盡層，讓光子盡可能在耗盡層內(nèi)被吸收。給p-n結(jié)加反向偏壓本身有助于加寬耗盡層；通過降低某一個(gè)區(qū)域半導(dǎo)體的摻雜濃度也可以加寬耗盡層。在光通信中用的較多的PIN光電二極管即利用此原理。在p-n結(jié)外產(chǎn)生的光生載流子需要經(jīng)過一段時(shí)間擴(kuò)散才能進(jìn)入結(jié)區(qū)。慢速擴(kuò)散過程，附加的時(shí)延使檢測(cè)器輸出電流脈沖后沿的拖尾加長(zhǎng)，影響光電二極管的響應(yīng)速度。第十二頁(yè)，共三十九頁(yè)。第十三頁(yè)，共三十九頁(yè)。第十四頁(yè)，共三十九頁(yè)。在p和n之間有一未摻雜i區(qū)。由于摻雜濃度低，材料接近本征，在外加反偏置電場(chǎng)作用下，整個(gè)i區(qū)都為耗盡層。光生載流子在電場(chǎng)作用，會(huì)很快地掃過耗盡層而分別到達(dá)p區(qū)或n區(qū)。在外電路上形成光電流，其響應(yīng)速度也就大大地得到了提高。第十五頁(yè)，共三十九頁(yè)。PhotodetectorsThepinPhotodiodeSmalldepletionlayercapacitancegiveshighmodulationfrequencies.HighQuantumefficiency.SiO2Schematicdiagramofpinphotodiodep+i-Sin+Electrodernet–eNaeNdxxE(x)RE0e–h+Iphhu

>EgWVrVoutElectrodeEIncontrasttopnjunctionbuilt-in-fieldisuniform第十六頁(yè)，共三十九頁(yè)。Inap–nphotodiode,Theelectricfieldinthedepletionlayerisnotuniform.ap–i–ndiodehasthefollowingtwoimportantcharacteristics:Thedepletionlayerisalmostcompletelydefinedbytheintrinsicregion;theelectricfieldinthedepletionlayerisuniformacrosstheintrinsicregion第十七頁(yè)，共三十九頁(yè)。

Electricfieldofbiasedpin

JunctioncapacitanceofpinPhotodetectorsThepinPhotodiodeSmallcapacitance:HighmodulationfrequencyRCdep

timeconstantis

50psec.

Responsetime

Thespeedofpinphotodiodesareinvariablylimitedbythetransittimeofphotogeneratedcarriersacrossthei-Silayer.Fori-Silayerofwidth10m,thedrifttimeisaboutisabout0.1nsec.第十八頁(yè)，共三十九頁(yè)。

Driftvelocityvs.electricfieldforholesandelectronsinSilicon.102103104105107106105104Electricfield(Vm-1)ElectronHoleDriftvelocity(msec-1)第十九頁(yè)，共三十九頁(yè)。(3)響應(yīng)時(shí)間影響探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間的因素有三個(gè)：耗盡層中光生載流子的渡越時(shí)間耗盡層外光生載流子的擴(kuò)散時(shí)間光電探測(cè)器及有關(guān)電路的寄生電容引起的RC時(shí)間常數(shù)。耗盡層中載流子的渡越時(shí)間為：

W和vd分別為耗盡層厚度和載流子的漂移速度。td在決定探測(cè)器的響應(yīng)速度中起主導(dǎo)作用。例如光電二極管中，耗盡層厚10m，電場(chǎng)強(qiáng)度約2104V/cm時(shí)，電子和空穴的極限速度分別可達(dá)8.6106cm/s和4.4106cm/s。因此，響應(yīng)時(shí)間的極限為0.1ns.擴(kuò)散過程比漂移過程慢許多。為了獲得高的量子效率，耗盡層的寬度必須比穿透深度（即吸收系數(shù)的倒數(shù)1/）大得多，以便吸收大部分光線。第二十頁(yè)，共三十九頁(yè)。AlargedireducestheRCtimeconstantofthedevicebyreducingCi,butitincreasesthetransittimeτtrThetransittimecanbeoptimizedwithachosenW.BecauseCicanbereducedbyreducingthedevicearea,ap–i–nphotodiodenormallyhasanintrinsicregionthathasathicknesschosentooptimizethequantumefficiencyandthetransittime.Forahigh-speedp–i–nphotodiode,thedeviceareaismadesmallenoughthattheRCtimeconstantisnotalimitingfactorofitsfrequencyresponse.第二十一頁(yè)，共三十九頁(yè)。第二十二頁(yè)，共三十九頁(yè)。（8.4）探測(cè)器量子效率和響應(yīng)度（1）量子效率和響應(yīng)速率量子效率是能量為的每一個(gè)入射率光子所能產(chǎn)生的電子空穴的數(shù)量。所謂響應(yīng)度，指的是光生電流同入射光功率之比：該式表明響應(yīng)度同量子效率成正比，即能量h一定時(shí)，R隨著線性增加。第二十三頁(yè)，共三十九頁(yè)。EcEvhv<Egn

的入射光子可以透過寬禁帶的n型層而主要在禁帶較窄的p型層中被吸收，寬禁帶材料對(duì)Hv<Egn的光起一個(gè)窗口作用。Alarge-gaphomogeneousregion,whichcanbeeitherthetopp+regionorthesubstratenregion,servesasaWindowfortheopticalsignaltoenter.Thesmallbandgapoftheactiveregiondeterminesthethresholdwavelength,λth,ofthedetectoronthelong-wavelengthside,Thelargebandgapofthehomogeneouswindowregionsetsacutoffwavelength,λc,ontheshort-wavelengthside.8.5異質(zhì)結(jié)的窗口效應(yīng)第二十四頁(yè)，共三十九頁(yè)。第二十五頁(yè)，共三十九頁(yè)。8.6異質(zhì)結(jié)中的光電流電流包括4部分：（1）耗盡層中的光生電子流，（2）耗盡層中的光生空穴流；（3）p型層中的擴(kuò)散流（4）n型層中的擴(kuò)散流LonglMediumlShortlP-njunctionDriftDiffusionAbsorptionEHPCurrent第二十六頁(yè)，共三十九頁(yè)。x1d1d2x2p耗盡層N耗盡層12電流包括4部分：（1）耗盡層中的光生電子流，（2）耗盡層中的光生空穴流；（3）p型層中的擴(kuò)散流（4）n型層中的擴(kuò)散流第二十七頁(yè)，共三十九頁(yè)。x1d1d2x20第二十八頁(yè)，共三十九頁(yè)。1透過d2區(qū)域2在x1區(qū)域吸收3內(nèi)建場(chǎng)作用下的漂移x1d1d2x2第二十九頁(yè)，共三十九頁(yè)。邊界條件：x=x1:Dn=0(到達(dá)空間電荷區(qū)邊界立刻被電場(chǎng)拉走。）X->∞,

Dn=0

第三十頁(yè)，共三十九頁(yè)。窄帶區(qū)對(duì)電流的總貢獻(xiàn)：第三十一頁(yè)，共三十九頁(yè)。x2d221d1x1x2d2寬帶區(qū)的空穴產(chǎn)生率：寬帶N區(qū)中空間電荷區(qū)里產(chǎn)生的空穴對(duì)光電流的貢獻(xiàn)：第三十二頁(yè)，共三十九頁(yè)。邊界條件：X=d2-x2:Dp=0(到達(dá)空間電荷區(qū)邊界立刻被電場(chǎng)拉走。）S為表面復(fù)合速度，流向表面的擴(kuò)散流等于表面的復(fù)合速率x2d2第三十三頁(yè)，共三十九頁(yè)。(8.18)8.13(8.19)(8.20)第三十四頁(yè)，共三十九頁(yè)。透過透過寬帶被窄帶吸收，產(chǎn)生光電流J1=J11+J12光子能量增加首先被寬帶吸收，透過的光子被窄帶吸收。吸收集中在寬帶的表面。x1d1d2x2第三十五頁(yè)，共三十九頁(yè)。第三十六頁(yè)，共三十九頁(yè)。它具有隱蔽性好、虛警率低、