光電轉(zhuǎn)換器件

第八章光電轉(zhuǎn)換器件第一節(jié)光電轉(zhuǎn)換基本原理

光電二極管的物理工作原理IIpRL輸出負(fù)載電阻偏置電壓光電二極管圖2.1外加反向偏置電壓的pin光電二極管的電路示意圖pniw

n導(dǎo)帶價帶擴散擴散p帶隙Eg光子h

>Eg擴散擴散i光生電子光生空穴耗盡區(qū)w漂移漂移

光功率檢測電流光脈沖電脈沖漂移擴散由光功率輸出轉(zhuǎn)換為電流輸出,有一時間延遲,其值主要決定了載流子通過耗盡區(qū)的渡越時間τtr=w/vs

(漂移運動)光電流存在擴散分量,它與耗盡區(qū)外的吸收有關(guān),擴散運動比漂移運動慢得多,載流子作擴散運動的時延檢測器后沿脈沖加長,影響光電二極管的響應(yīng)速度。增加w，減小擴散分量。

（1）最普通的光電二極管是pin光電二極管，如圖2.1示，它的p型材料區(qū)和n型材料區(qū)由輕微摻雜n型材料的本征（i）區(qū)隔開。正常工作時，器件上加上足夠大的反向偏置電壓，本征區(qū)的載流子不會完全耗盡，即本征區(qū)固有的n和p載流子的濃度非常小和摻雜載流子相比可忽略。

當(dāng)一個入射光子能量大于或等于半導(dǎo)體的帶隙能量時，將激勵價帶上的一個電子吸收光子的能量而躍遷到導(dǎo)帶上，此過程產(chǎn)生自由的電子一空穴對，由于它們是因光而產(chǎn)生的電載流子，故稱為光生載流子，如圖2.2所示。通常光電二極管的設(shè)計使得大部分的入射光在耗盡區(qū)吸收，故大部分載流子也在此區(qū)域產(chǎn)生。耗盡區(qū)的高電場使電子一空穴對立即分開并在反向偏置的結(jié)區(qū)中向兩端流動，然后在邊界處被收集，從而在外電路中形成電流。每個載流子對分別對應(yīng)一個流動的電子，這種電流稱為光電流。

當(dāng)電載流子在材料中流動時，一些電子一空穴對會重新復(fù)合而消失，此時電子和空穴的平均移動的距離分別為Ln和Lp，此距離稱為擴散長度。電子和空穴重新復(fù)合的時間稱為載流子壽命，分別記為τn和τP

。載流子壽命和擴散長度的關(guān)系可表示為：Ln=（Dnτn）1/2

和Lp=（Dpτp）1/2

（1）

其中Dn和Dp分別是電子和空穴的擴散系數(shù)，其單位是cm2/s

。

但在半導(dǎo)體材料中，光功率的吸收呈指數(shù)規(guī)律，即：

P（x）=P0（1-e-αs(λ)x）

（2）其中αs(λ)

是波長處的吸收系數(shù)，αs一般隨λ增加而減??；特定的半導(dǎo)體材料只能應(yīng)用在有限的波長范圍內(nèi)。上限截止波長取決于所用材料的帶隙Eg：

（3）

對si，λc=1.06μm；對Ge,λc=1.06μm。如果波長更長，光子的能量就不足以激勵一個價帶的電子躍遷到導(dǎo)帶中。請同學(xué)思考:有一個光電二極管是由GaAs材料構(gòu)成的，在300k時其帶隙能量為1.43ev，問它是否能用于1310nm的系統(tǒng)中？

問題:是否波長越短越好呢?在短波長段，材料的吸收系數(shù)變得很大，因此光子在接近光檢測器的表面就被吸收，電子一空穴對的壽命極短，結(jié)果載流子被光電檢測器電路收集以前就已經(jīng)復(fù)合了。如果耗盡區(qū)寬度為w，據(jù)（2）式，在距離w內(nèi)吸收功率為：

P（w）=P0（1-e-αs(λ)x)

（4）

設(shè)光電二極管入射表面的反射系數(shù)為Rf，則從（4）式得到初級光電流IP：

（5）

P0是入射光功率，q是電子電荷，hv是光子能量。

（I）量子效率和響應(yīng)度

光電二極管的兩個重要性參數(shù)是量子效率和響應(yīng)速度，這些參數(shù)主要由器件材料的帶隙能量Eg

,工作波長，p區(qū)，i區(qū)，n區(qū)的摻雜濃度和寬度所決定。量子效率表示每個能量為hv的入射光子所產(chǎn)生的電子一空穴對數(shù)，由下式給出：(6)在光電二極管的實際應(yīng)中，100個光子會產(chǎn)生35～95個電子一空穴對，為30%～95%。為了得到較高的量子效率，必須加大耗盡區(qū)的厚度，使其可以吸收大部分的光子，但耗盡區(qū)越厚，光生載流子漂移渡越（across）反向偏置結(jié)的時間就越長。由于載流子的漂移時間又決定了光電二極管的響應(yīng)速度，所以必須在響應(yīng)速度和量子效率之間取一折衷。●wvtηη●對Si和Ge等間接帶隙半導(dǎo)體材料，為確保值，w的典型值在20~50μm范圍，τtr>200ps,響應(yīng)速度較慢。對InGaAs等接帶隙半導(dǎo)體材料，w可減小至3~5μm，若取漂移速度vs

=107cm/s,τtr=30~50ps。若定義帶寬為Δf=(2πτtr)-1,Δf=3~5GHz。最佳設(shè)計的PIN光電二極管，其Δf=20GHz。w<1μm，其Δf=70GHz,η

和值均較低。InP襯底InGaAs(i)N型InPN+-InP襯底光輸入金屬電極金屬電極4μmInGaAsPIN光電二極管由于InP帶隙為1.35eV，λ>0.9μm的光，InP是透明的，而晶格匹配的InGaAs的帶隙約為0.75eV其相應(yīng)的截止波長λc=1.65μm，因而在中間InGaAs層，在1.3~1.6μm內(nèi)有很強的吸收。

由于光子僅在耗盡區(qū)內(nèi)吸收，完全消除了擴散分量，采用幾微米厚的InGaAs，量子效率可接近100%，這種InGaAs光電二極管廣泛用于1.3和1.5μm的光接收機中?！窆怆姸O管的性能經(jīng)常使用響應(yīng)度來表征。它和量子效率的關(guān)系為：

（7）它描述了單位光功率產(chǎn)生的光生電流的大小。隨波長及材料帶隙不同而不變。對給定材料與給定的波長，是常數(shù)；對于給定材料，當(dāng)入射光的波長越來越長時，光子能量越來越小，當(dāng)這個能量不足以從價帶激發(fā)一個電子躍遷到導(dǎo)帶上的能量要求時，響應(yīng)度就會在截止波長處迅速降低，如圖6.3示。

響應(yīng)度波長(μm)圖6.3n種不同材料的pin光電二極管的響應(yīng)度和量子效率與波長的關(guān)系曲線

例：如圖6.3示，波長范圍為1300nm<λ<1600nm，InGaAs的量子效率大約為90%，因此在這個波長范圍內(nèi)響應(yīng)度為

例如當(dāng)波長λ

=1300nm

時，有：=7.25×105×1.30×10-6A/W=0.92A/W

●（2）雪崩光電二極管（APD）APD可對尚未進入后面和放大器的輸入電路的初級光電流進行內(nèi)部放大。在高場區(qū)，光生電子或空穴可以獲得很高的能量，因此它們高速碰撞位于價帶的電子,使之產(chǎn)生電離，從而激發(fā)出新的電子---空穴對，這種載流子倍增的機理稱為碰撞電離。雪崩效應(yīng)：新產(chǎn)生的載流子同樣由電場加速，并獲得足夠的能量從而導(dǎo)致更多的碰撞電離產(chǎn)生，此現(xiàn)象稱雪崩效應(yīng)。當(dāng)偏置電壓高于擊穿電壓時，產(chǎn)生的載流子迅速增加。

●拉通型APD（RAPD）：把一種高阻的p型材料作為外延層而沉積在p型重?fù)诫s材料上，然后在高阻區(qū)進行p型擴散或電離摻雜，最后一層是一個n+（n型重?fù)诫s）層。π層主要是少量p摻雜的本征材料，此結(jié)構(gòu)稱為p+πpn+型結(jié)構(gòu)，如下圖示。wm耗盡區(qū)p+i(π)pn+電場雪崩區(qū)雪崩電離所需的最小電場

●RAPD工作原理：當(dāng)加上一個較低的反向偏置電壓時，大部分的電壓降在pn+結(jié)上，增加電壓，耗盡區(qū)寬度也將增加，直到加到pn+結(jié)上的峰值電場低于雪崩擊穿所需電場的5%～10%才停止，此時耗盡區(qū)正好拉通到整個本征區(qū)，故RAPD工作于完全耗盡的方式。光子從p+區(qū)進入，并在π處被吸收，π區(qū)就是收集光生載流子的區(qū)域。光子被吸收后產(chǎn)生的電子—空穴對立即由π區(qū)的電場分開，然后通過π區(qū)漂移到pn+區(qū)，pn+結(jié)上的高電場使得電子產(chǎn)生雪崩倍增。

APD的響應(yīng)度定義如下：是pin光電二極管的響應(yīng)度。

●光檢測器噪聲為了檢測到最小可能的信號，必須對光檢測器和它隨后的放大器進行最優(yōu)化設(shè)計，以此來保證一定的性噪比。光接收機輸出端的信噪比S/N定義為：S/N=光電流信號功率/（光檢測器噪聲功率+放大器噪聲功率）（10）為了得到較高的信噪比，可采取以下措施：●光檢測器必須要有很高的量子效率，以產(chǎn)生較大的信號功率；●使光檢測器和放大器噪聲保持盡可能低的值?！窆饫w通信系統(tǒng)中檢測器靈敏度用“最小可接收功率”來描述，是指產(chǎn)生和噪聲電流均方根大小相同的光電流所需的光功率，此時信噪比為1。

●光電二極管的脈沖響應(yīng)當(dāng)檢測器受到階躍光脈沖時，響應(yīng)時間可使用檢測器輸出脈沖的上升時間（τr）和下降（τf）時間來表示，對全耗盡型光電二極管τr=τf

；當(dāng)偏置電壓較低時，τr≠τf，光電二極管不是全耗盡型的，光子的收集時間就成為影響上升時間的重要因素了。在n區(qū)和p區(qū)產(chǎn)生的載流子要經(jīng)過一個緩慢的擴散時間才能達到耗盡區(qū)并經(jīng)歷分離和吸收。

為獲得較高的量子效率，耗盡區(qū)寬度必須大于1/αs，這樣才能吸收大部分的光。圖5.4（b）所示為一個低電容、耗盡區(qū)寬度w>>1/αs

的光電二極管對矩形輸入脈沖的響應(yīng)，它的上升與下降時間與輸入脈沖較一致；如果光電二極管電容較大，那它的響應(yīng)時間就會受RL和Rc時間常數(shù)所限制，其脈沖響應(yīng)如圖5.4（c）;如耗盡區(qū)寬度太窄，則非耗盡材料產(chǎn)生的任何載流子在被吸收以前不得不擴散到耗盡區(qū)，所以窄耗盡區(qū)的器件會有明顯不同的慢速和快速響應(yīng)分量，如圖5.4（d）。

●圖5.4在不同的檢測器參數(shù)條件下，光電二極管的脈沖響應(yīng)

請同學(xué)思考：上升時間的快速分量起源于？（耗盡區(qū)產(chǎn)生的載流子）；而慢速分量則源于？（耗盡區(qū)邊界Ln處的載流子的擴散）在光脈沖的后沿，耗盡區(qū)的光脈沖吸收很快，所以在下降時間里產(chǎn)生了快速分量，而在非耗盡區(qū)載流子的擴散造成了脈沖后沿的一個很慢的延遲拖尾。結(jié)電容Cj：

(26)εs：半導(dǎo)體材料介電常數(shù)；

A=擴散層面積。

設(shè)RT是負(fù)載電阻和放大器輸入電阻的組合，CT是光電二極管結(jié)電容和放大器輸入電容之和，如前面圖6.5示，則此檢測器可近似為一個RC低通濾波器，其帶寬為

InGaAsAPD結(jié)構(gòu)（1）為改善InGaAs

APD結(jié)構(gòu)，采用了多種多樣復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)，其中一種廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)就是吸收和倍增分離（SAM，separate－absorption－and－multiplication）的APD，如圖6.8示，這種結(jié)構(gòu)在吸收區(qū)和倍增區(qū)使用了不同的材料，每個區(qū)為了一個特殊的功能進行了最佳化的設(shè)計。光從InP襯底進入APD，由于這種材料的帶隙能量較大，使長波長的光透射過去而進入InGaAs吸收區(qū)，并產(chǎn)生電子一空穴對。倍增區(qū)InP層中有很高的電場但沒有隧道擊穿。

InP襯底InP緩沖層InGaAs吸收層InP倍增層光輸入金屬電極金屬電極圖6.8SAMAPD結(jié)構(gòu)簡單圖（各層未按實際比例）

SAM結(jié)構(gòu)的其它形式包括對器件增加一些其它的層區(qū)：●在吸收層和倍增層之間加入一個漸變層來加快響應(yīng)時間，增大器件帶寬；●增加一個電荷層，以便更好地控制電場分布；●加入一個諧振腔，去除耦合，提高量子效率和增大帶寬。

（2）超晶格結(jié)構(gòu)倍增區(qū)大約為250nm厚，比如由13層9nm厚的InAlGaAs量子阱和12層12nm厚的InGaAs墊壘交錯而成，此結(jié)構(gòu)提高了InGaAs

APD的響應(yīng)速度和靈敏度，可用在10Gb/s的長距離通信系統(tǒng)中。

圖5.5通過光數(shù)據(jù)鏈路的信號路徑光接收機數(shù)字信號傳輸

傳輸信號是一個兩電平的二進制數(shù)據(jù)流，在持續(xù)時間為Tb的時隙內(nèi)不是0就是1，這個時隙稱為一個比特周期。在電域中，對于給定的數(shù)字信息有許多種發(fā)送方法，其中一種最簡單發(fā)送二進制碼的方法是幅移鍵控，即對一個二值電壓進行開或關(guān)的切換，所得到的信號波形由兩個幅度分別為V和0的電壓脈沖組成，幅度為V的電壓脈沖對應(yīng)于二進制碼中的信號1，后者對應(yīng)于信號0，為簡單起見，設(shè)發(fā)送一個1碼時，有一個持續(xù)時間為Tb的電壓脈沖；對應(yīng)于0碼，電壓保持在零值。

光發(fā)送機的功能是把一個電信號轉(zhuǎn)換一個光信號，電流i(t)可用來直接調(diào)制光源以產(chǎn)生光輸出功率P（t）；光發(fā)送機產(chǎn)生光信號時，持續(xù)時間為Tb的光能量脈沖代表1碼，沒有光發(fā)出時代表0碼。從光源耦合到光纖的光信號沿光纖玻璃傳輸時發(fā)生衰減和失真，到達接收機時，光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)放大和濾波以后，判決電路把每個時隙的信號值和一個特定的參考電壓或閾值電壓進行比較，如果接收信號值大于閾值，則判定接收到一個1碼，如小于閾值，則判定為0碼。光電轉(zhuǎn)換器件是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。

第一節(jié)

概述第二節(jié)

外光電效應(yīng)器件第三節(jié)

內(nèi)光電效應(yīng)器件第四節(jié)

新型光電轉(zhuǎn)換器件第五節(jié)

光敏傳感器的應(yīng)用舉例三、光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電轉(zhuǎn)換器件的工作原理基于光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類1、外光電效應(yīng)

在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。光子是具有能量的粒子，每個光子的能量：E=hνh—普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s；ν—光的頻率（s-1）根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個電子只能接受一個光子的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時間不超過10-9s。根據(jù)能量守恒定理

式中m—電子質(zhì)量；v0—電子逸出速度。

該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比。即光強愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。光電子逸出物體表面具有初始動能mv02/2

，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。

當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類：

（1）光電導(dǎo)效應(yīng)

在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。2、內(nèi)光電效應(yīng)過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。導(dǎo)帶價帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶Eg材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對于一種光電導(dǎo)材料，總存在一個照射光波長限λ0，只有波長小于λ0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級間的躍進，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。式中ν、λ分別為入射光的頻率和波長。為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即圖2光電導(dǎo)元件工作示意圖圖2為光電導(dǎo)元件工作示意圖。圖中光電導(dǎo)元件與偏置電源及負(fù)載電阻RL串聯(lián)。當(dāng)光電導(dǎo)元件在一定強度的光的連續(xù)照射下,元件達到平衡狀態(tài)時,輸出的短路電流密度為

（2）光生伏特效應(yīng)

在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。

基于該效應(yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。

①勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）。

在接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時，便引起光電動勢，這就是結(jié)光電效應(yīng)。

以PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，使價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動勢。

②側(cè)向光電效應(yīng)。

當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時，有載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對時，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動勢?；谠撔?yīng)的光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感器件（PSD）。包含光-熱、熱-電,兩個階段的信息變換過程。光-熱階段是物質(zhì)吸收了光以后溫度升高,熱-電階段是利用某種效應(yīng)將熱轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。熱釋電效?yīng)就是這種效應(yīng)之一