半導(dǎo)體光電子器件-半導(dǎo)體光電探測(cè)器

半導(dǎo)體光電子器件§4.1光電導(dǎo)效應(yīng)與器件的基本結(jié)構(gòu)§4.2光電探測(cè)器的基本參數(shù)§4.3光電探測(cè)器的噪聲來(lái)源與參數(shù)§4.4光電二極管的基本結(jié)構(gòu)與工作機(jī)制§4.5光電二極管的等效電路§4.6pin光電二極管§4.7異質(zhì)結(jié)與肖特基光電二極管§4.8雪崩光電二極管§4.9光電晶體管與光敏場(chǎng)效應(yīng)管半導(dǎo)體光電探測(cè)器§4.1光電導(dǎo)效應(yīng)與器件基本結(jié)構(gòu)普通的光電探測(cè)器基本上有三個(gè)過程：（1）入射光產(chǎn)生載流子；（2）通過任何一種電流增加機(jī)構(gòu)造成載流子輸運(yùn)或者倍增；（3）電流與外電路相互作用提供輸出信號(hào)。一、光電導(dǎo)效應(yīng)二、光電導(dǎo)器件基本結(jié)構(gòu)光生載流子產(chǎn)生率光生載流子濃度的變化關(guān)系§4.1光電導(dǎo)效應(yīng)與器件基本結(jié)構(gòu)η為量子效率f(x)??xHWLV三、光電流與暗電流1.光電流§4.1光電導(dǎo)效應(yīng)與器件基本結(jié)構(gòu)f(x)??提高Ip措施總光電流強(qiáng)度xHWLV三、光電流與暗電流2.暗電流§4.1光電導(dǎo)效應(yīng)與器件基本結(jié)構(gòu)xHWLV

與光電流對(duì)應(yīng)的暗電流，是指在無(wú)光的黑暗環(huán)境下對(duì)光電探測(cè)器施加一定的偏壓，探測(cè)器輸出的電流值。光電探測(cè)器的暗電流越大，噪聲功率就越大，探測(cè)能力就越弱，所以暗電流對(duì)設(shè)備的靈敏度影響很大。對(duì)于光電導(dǎo)型的探測(cè)器，暗電流的大小主要取決于材料本身的電導(dǎo)率和偏壓。由于較大的暗電流會(huì)帶來(lái)較嚴(yán)重的噪聲問題，從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)講，通常希望光電探測(cè)器的暗電流盡可能的小。

一、光電導(dǎo)與光電流靈敏度1.光電導(dǎo)的靈敏度§4.2光電探測(cè)器基本參數(shù)光電導(dǎo)的靈敏度通常定義為單位入射光所產(chǎn)生的光電導(dǎo)率N為光子數(shù)僅有光生電子和僅有光生空穴的情況下，其靈敏度分別為有時(shí)也用光電導(dǎo)同暗電導(dǎo)的比值來(lái)表示光電導(dǎo)的靈敏度n0和p0越小，光電導(dǎo)靈敏度越高，所以應(yīng)采用高阻低溫材料做光電導(dǎo)元件。

一、光電導(dǎo)與光電流靈敏度2.光電流靈敏度§4.2光電探測(cè)器基本參數(shù)光電流靈敏度定義為光電流與入射光功率的比值二、光電導(dǎo)量子效率與增益1.光電子量子效率§4.2光電探測(cè)器基本參數(shù)量子效率是體現(xiàn)光電探測(cè)器的轉(zhuǎn)換能力的一個(gè)性能參數(shù)理想情況下的外量子效率為量子效率與靈敏度之間存在聯(lián)系一個(gè)光生載流子對(duì)外電路貢獻(xiàn)的載流子數(shù)。

考慮二點(diǎn)：復(fù)合，壽命載流子存在壽命，動(dòng)態(tài)平衡光生載流子形成一定分布；一端流出，另一端補(bǔ)充，直至載流子復(fù)合；壽命期間向外電路提供的載流子數(shù)，即增益：二、光電導(dǎo)量子效率與增益2.光電導(dǎo)增益§4.2光電探測(cè)器基本參數(shù)ptItI00.37I00.63I0三、光電導(dǎo)弛豫§4.2光電探測(cè)器基本參數(shù)1.響應(yīng)時(shí)間（響應(yīng)速度）上升時(shí)間和下降時(shí)間之和被稱為光電探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)三、光電導(dǎo)弛豫§4.2光電探測(cè)器基本參數(shù)2.光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)特性是光電導(dǎo)的一個(gè)重要性能指標(biāo)決定著光電導(dǎo)的應(yīng)用范圍和靈敏度光電導(dǎo)的光譜響應(yīng)范圍是由它的躍遷類型所決定的某波長(zhǎng)光波響應(yīng)度與靈敏度表達(dá)式一、噪聲來(lái)源§4.3光電探測(cè)器噪聲參數(shù)

噪聲的來(lái)源多種多樣，所有的光電探測(cè)器都會(huì)產(chǎn)生噪聲，有些來(lái)自大自然，有些來(lái)自器件本身，還有些來(lái)自應(yīng)用環(huán)境，無(wú)論來(lái)自哪里，都會(huì)對(duì)光電探測(cè)器的性能產(chǎn)生一定的影響。

研究表明熱噪聲、閃爍噪聲、散粒噪聲和產(chǎn)生-復(fù)合噪聲是其內(nèi)部噪聲的主要部分。特點(diǎn)：隨機(jī)，不可預(yù)測(cè)；統(tǒng)計(jì)平均值為0。表征：均方值（方均值）表述。一、噪聲來(lái)源1.噪聲表征均方值（方均值）表述總噪聲：tt§4.3光電探測(cè)器的噪聲來(lái)源與參數(shù)一、噪聲來(lái)源§4.3光電探測(cè)器的噪聲來(lái)源與參數(shù)2.熱噪聲載流子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)（白噪聲）熱噪聲均方振幅電壓值可表示為電流均方值為熱噪聲的功率譜密度為3.散粒噪聲散粒噪聲均方振幅電壓值可表示為電流均方值為功率譜密度為熱電子的隨機(jī)發(fā)射產(chǎn)生的噪聲，稱為散粒噪聲，也被稱為散彈噪聲一、噪聲來(lái)源4.產(chǎn)生-復(fù)合噪聲均方振幅電壓值可表示為電流均方值為電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生與復(fù)合是隨機(jī)起伏的，產(chǎn)生-復(fù)合噪聲的實(shí)質(zhì)是散粒噪聲，然而為了突出產(chǎn)生與復(fù)合兩個(gè)要素的作用，將其稱作產(chǎn)生-復(fù)合散粒噪聲，簡(jiǎn)稱為產(chǎn)生---復(fù)合噪聲5.閃爍噪聲功率譜密度為電流均方值為閃爍噪聲是由負(fù)極表層部分的不均勻，產(chǎn)生隨機(jī)激發(fā)的電子，它是頻率范圍在1KHz以內(nèi)的低頻噪聲，也稱為低頻噪聲和1/f噪聲§4.3光電探測(cè)器的噪聲來(lái)源與參數(shù)一、噪聲來(lái)源6.光子噪聲電流均方值為光子噪聲指光子在傳輸過程中的起伏，引起光生電流的起伏所產(chǎn)生的噪聲7.等效噪聲帶寬§4.3光電探測(cè)器的噪聲來(lái)源與參數(shù)二、光電探測(cè)器噪聲參數(shù)1.等效噪聲功率-NEP

等效噪聲功率是指當(dāng)光電探測(cè)器的信噪比等于1時(shí)入射光信號(hào)的功率大小，它反映了光電探測(cè)器噪聲電壓的大小及其探測(cè)微弱信號(hào)的能力。

即探測(cè)器輸出的光信號(hào)電流等于噪聲電流時(shí)的光功率。單位面積上的輻射光功率，也就是噪聲等效功率與光電探測(cè)器靶面積的比值§4.3光電探測(cè)器的噪聲來(lái)源與參數(shù)二、光電探測(cè)器噪聲參數(shù)2.歸一化探測(cè)率人們采用NEP的倒數(shù)來(lái)表示探測(cè)能力，越大則探測(cè)器的靈敏度越高

§4.3光電探測(cè)器的噪聲來(lái)源與參數(shù)§4.4光電二極管的基本結(jié)構(gòu)與工作機(jī)制

功能：將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的pn結(jié)二極管。類型：光電二極管(常規(guī)pn結(jié)型)；

pin光電二極管；雪崩光電二極管；金屬-半導(dǎo)體(勢(shì)壘接觸)光電二極管；光電晶體管(雙極型、單極型)。原理：光生載流子定向運(yùn)動(dòng)；光生載流子區(qū)域----

中性區(qū)、擴(kuò)散區(qū)、空間電荷區(qū)。一、光電二極管的基本結(jié)構(gòu)

在外加反向偏壓和內(nèi)建電勢(shì)共同產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，電子向n區(qū)漂移，空穴向p區(qū)漂移，從而在外電路中產(chǎn)生電流，即為光生電流。吸收入射光子而產(chǎn)生光生載流子的區(qū)域，稱為吸收區(qū)。高速工作時(shí)，耗盡區(qū)必須保持很薄以縮短渡越時(shí)間；為了增加量子效率（每個(gè)入射光子產(chǎn)生的電子--空穴對(duì)數(shù)目），耗盡區(qū)必須足夠厚，在響應(yīng)速度和量子效率之間應(yīng)取折中。

§4.4光電二極管的基本結(jié)構(gòu)與工作機(jī)制二、光電二極管的工作機(jī)制pn結(jié)反偏；光生載流子構(gòu)成輸出電流。

對(duì)光生電流有貢獻(xiàn)區(qū)域?

光生電流與光電池是否相等？光生電流是否常數(shù)(理想)?

所有光生載流子區(qū)一般不等一般常數(shù)§4.4光電二極管的基本結(jié)構(gòu)與工作機(jī)制三、光電二極管的量子效率

量子效率表示一定的入射光子能獲得的電流大小。即量子效率表示入射一個(gè)光子得到的載流子數(shù)目

波長(zhǎng)大于本征吸收波長(zhǎng)的光幾乎不會(huì)引起光的吸收，所以量子效率是零。對(duì)于短波長(zhǎng)的光來(lái)說，吸收幾乎發(fā)生在表面的附近，在沒有到達(dá)耗盡層被電場(chǎng)分離之前就被大量復(fù)合，量子效率降低。

響應(yīng)時(shí)間是指探測(cè)器將入射光輻射轉(zhuǎn)換為電輸出的弛豫時(shí)間。主要由三部分組成：光生少數(shù)載流子電子在吸收層的擴(kuò)散時(shí)間；電子在耗盡層的電場(chǎng)下漂移時(shí)間；由結(jié)電容和負(fù)載電阻所決定的電路時(shí)間常數(shù)

光電二極管響應(yīng)速度不僅由電子空穴的遷移時(shí)間、結(jié)的電容量所決定，也和p層、n層內(nèi)產(chǎn)生的載流子的擴(kuò)散時(shí)間有關(guān)。一般說來(lái)，耗盡層厚則遷移時(shí)間變長(zhǎng)；耗盡層薄會(huì)使結(jié)電容量增加，響應(yīng)特性變差§4.4光電二極管的基本結(jié)構(gòu)與工作機(jī)制§4.5光電二極管的等效電路一、直流等效電路光生電流

IL=If=C二極管電流If1.開路2.

短路IfI光生電流

IL=C二極管電流輸出電流

I

=IL

3.

負(fù)載IfIRL光生電流

IL=C二極管輸出電流

I

=If

+IL

？§4.5光電二極管的等效電路一、直流等效電路Rsh

RSRL非理想情況§4.5光電二極管的等效電路二、交流等效電路影響？RSRshRjCjRL反偏，pn結(jié)電阻可略：CjRLRLVCC光生電流與pn結(jié)反向電流疊加VI太陽(yáng)電池§4.5光電二極管的等效電路三、I-V特性（直流）1.

量子效率2.

頻率響應(yīng)見pin光電二極管見pin光電二極管缺點(diǎn)：表面反射，表面復(fù)合—影響效率寄生電阻，結(jié)電容，擴(kuò)散與中性區(qū)—影響頻率

信噪比

結(jié)構(gòu)措施§4.5光電二極管的等效電路四、光電二極管的靜態(tài)工作點(diǎn)影響因素：擴(kuò)散時(shí)間（擴(kuò)散區(qū)）

10-9S

漂移時(shí)間（勢(shì)壘區(qū)）

10-11S

結(jié)電容延遲時(shí)間10-9S

§4.6pin型光電二極管一、pin型光電二極管結(jié)構(gòu)-n+-Si+p-pin是在高摻雜p區(qū)和n區(qū)之間有一本征層（i區(qū)）的二極管。本征層很難實(shí)現(xiàn)，通常用高阻

p-型層或高阻n-型層代替：

pp-n---pπn;pn-n---pνn圖(a)---結(jié)構(gòu)斯示意圖

(b)---雜質(zhì)分布。pin:負(fù)電荷在p區(qū)側(cè)，正電荷在n區(qū)側(cè)pp-n---pπn:負(fù)電荷在p區(qū)側(cè)和p-，正電荷在n區(qū)側(cè)pn-n---pνn:負(fù)電荷在p區(qū)側(cè)，正電荷在n區(qū)側(cè)和n-電荷分布電場(chǎng)分布pinpp-npn-n§4.6pin型光電二極管二、pin型光電二極管電場(chǎng)分布擊穿電壓高：儲(chǔ)存時(shí)間（電荷消失時(shí)間）短：εm--臨界擊穿電場(chǎng)τ—少數(shù)載流子壽命(IR>If)P+P-nP+P-nWinn-P+WiP+nQ0常規(guī)單位面積勢(shì)壘電容近似常數(shù)：§4.6pin型光電二極管三、

基本特性對(duì)光電流貢獻(xiàn)區(qū)域：

中性區(qū)

擴(kuò)散區(qū)

本征區(qū)n+-Si-+pppnP

(1-R)exp(-αx)W通過調(diào)制本征區(qū)寬度：

提高量子效率；提高頻率響應(yīng)特性?！?.6pin型光電二極管四、工作機(jī)制？？可略即希望光生載流子在本征區(qū)-§4.6pin型光電二極管五、量子效率？？提高η和f

希望光子在本征區(qū)吸收p反射層n-+P型寬帶反射層N型寬帶-+折射率半絕緣InPp+-InPp+-InGaAsPi-InGaAsn+-InGaAsP優(yōu)點(diǎn)：1、效率高；2、響應(yīng)快折射率#利用異質(zhì)結(jié)改善性能？▲結(jié)構(gòu)考慮（改善表面復(fù)合）一、異質(zhì)結(jié)光電二極管異質(zhì)結(jié)光電二極管還具有以下特點(diǎn)：1.可以讓被檢測(cè)光子與電子的相互作用主要發(fā)生在窄帶側(cè)，以有效改善表面吸收效應(yīng)，提高轉(zhuǎn)換效率；2.通過對(duì)窄帶側(cè)材料的選擇與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的探測(cè)波長(zhǎng)選擇；3.異質(zhì)結(jié)就有較高載流子發(fā)射效率，因此其暗電流小?！?.7異質(zhì)結(jié)與肖特基光電二極管工作原理與前述光電二極管相同優(yōu)點(diǎn)：

1.勢(shì)壘區(qū)在表面，有效改善高能光子產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)的表面復(fù)合—轉(zhuǎn)換效率提高；

2.電容小速度高。

++++++++++++++++++++++++++++++E#如果采用金屬-本征-n+(或p+)器件性能會(huì)如何？n-Si-+§4.7異質(zhì)結(jié)與肖特基光電二極管二、肖特基光電二極管#金屬-本征-半導(dǎo)體勢(shì)壘區(qū)寬—效率高；響應(yīng)速度快。++++++++++++++++++En+-Si-+---------§4.7異質(zhì)結(jié)與肖特基光電二極管一、基本結(jié)構(gòu)示意圖p+-pn+n++-npp+金-半結(jié)p+nn++p+-p-n+nnp+-+pn+nn+θp+nE-θpn+EE§4.8雪崩光電二極管(APD)器件偏置于臨界雪崩狀態(tài)；

光生載流子渡越空間電荷區(qū)雪崩倍增。

輸出載流子獲得增益。優(yōu)勢(shì)：有增益；噪聲低§4.8雪崩光電二極管(APD)二、工作原理雪崩倍增輸出光電流與雪崩倍增前光電流比一般取100左右VRR雪崩擊穿電壓M