光電探測器原理

光電探測器原理及應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工作的，是變光信號為電信號的元件。光電效應分兩類，內光電效應和外光電效應。他們的區(qū)別在于，內光電效應的入射光子并不直接將光電子從光電材料內部轟擊出來，而只是將光電材料內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光電效應的。由入射光子所激發(fā)產生的電子空穴對，稱為光生電子空穴對，光生電子空穴對雖然仍在材料內部，但它改變了半導體光電材料的導電性能，如果設法檢測出這種性能的改變，就可以探測出光信號的變化。無論外光電效應或是內光電效應，它們的產生并不取決于入射光強，而取決于入射光波的波長λ或頻率ν，這是因為光子能量E只和ν有關：E=hν（1）式中h為普朗克常數(shù)，要產生光電效應，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hν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，是由半導體材料制作的。半導體光電探測器是很好的固體元件，主要有光導型，熱電型和P—N結型。但在許多應用中，特別是在近幾年發(fā)展的光纖系統(tǒng)中，光導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，一個能帶有許多雪崩光電二極管的一個重要問題是噪聲問題。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部增益，因而還將引入附加噪聲。這種附加噪聲和雪崩管內的碰撞電離有關。理論證明，當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，要么是由電子產生碰撞電離而空穴不產生碰撞電離，要么是由空穴產生碰撞電離而電子不產生碰撞電離，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生碰撞電離，就要求半導體材料電子離化率和空穴離化率二者差值越大越好。由于半導體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。除了半導體材料本身特性外，還可以在工藝結構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生碰撞電離。例如：可以設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)域產生倍增。圖6（a）所示的達通型硅雪崩光電二極管即此結構。圖6（b）是它響應個區(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-π-p+層組成，其中n+，p+分別表示重摻雜的n型和p型半導體，π表示p型高阻層。在X1到X2之間為n+的接觸層，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π漂移區(qū)，入射光子大部分在該區(qū)域被吸收，因為π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。從這種結構的雪崩管內的電場強度分布有圖可以看出，在n+-p靠近P區(qū)一側電場強度最高，在低壓反向偏置時，所加電壓大部分降落在該p-n+結區(qū)上，當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體的π區(qū)，正因為如此，所以稱之為“達通型雪崩光電二極管”。當超過達通電壓V后，外加電壓將降落在包括整個π區(qū)的p-n結耗盡層上。由于π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，于是倍增因子的增加也相對較慢。在正常工作時，雖然π區(qū)電場低于p-n+結倍增區(qū)電場，但仍然相當高，以便使在該區(qū)產生的光生載流子能以略低于產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。π區(qū)相當寬，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)產生的初始電子空穴對中的電子才能進入p-n+結高場倍增區(qū)去產生碰撞電離，獲得增益。在π區(qū)產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，即π區(qū)來的電子產生碰撞電離，如前所述，當只有一種載流子產生碰撞電離時，雪崩管的響應速度就比較快，而由倍增所引入的過剩噪聲也就較小?？偨Y