（光学工程专业论文）psd特性研究及阵列器件研制.pdf

一 一 一 一一 卫些逻 皿一匕 it 位 论 文 摘要 位置 敏感传感器( p o s i t i o n s e n s i t i v e d e te c t o r , p s d ) 是一 于 1， 基一于 横向光电 效应 的光电子器件。 它具有分辨率高、 响应速度快、 信号处理简单等优点， 适用于位 置、足 巨 离、位移、角度以及其他相关物理量的测量。 本文首先介绍了国内外当前对 p s d的研究发展和工程应用的现状，以及传 统的p s d位置响应理论 然后利用有限差分算法来求解 p s d的 r c网络传输线模型。利用该算法， 得到了一维 p s d在不同光信号激励下，从开始响应到进入稳态后的各个阶段的 精确数值解。揭示了p s d电极对不同照射点的起始响应时间的差异正相关于光 入射点与p s d几何中心之间的距离。 模拟计算纬果证明了p s d稳态位置响应结 果与入射光类型和时间无关。 p s d作为一种光电效应器件， 受到量子效率的限制， 属3 波长 敏感器件。 因 此，在实际应用中需要了 解 p s d的结构对其波长响应特性的影响。本文深入研 究了p n结结构p s d中各个层的潭度以及表面反射率的对波长 响应特性的影响， 为设计和优化p s d的波长响应以 适用于 特殊要求的应用场合提供了指导 线性度是评价p s d的一个重要指标。木文采用电路模拟软件对 p s d的线性 度进行了深入研究，涉及到p s d边界电阻、负载和表面分流电阻均匀性。 设计并研制了4 x 4 p s d阵列，并对该器件的暗电流、反向击穿电压、响应 时间、 光谱响应和响应灵墩度进行了测试。 结果显示该器件有着很好的位置响应 线性度， 响应时间在8 n s 左右， 击穿电压和暗电流也得到了很好的控制。该 器件 特别适合在高速响应的多目 标探测系 统中使用。 为了提高产品测试的速率， 解放人力r, 源并提高测试的可重复性， 本文最后 研制了一套 p s d 自动测试系统。利用 p c和数据采集卡以及步进电机，实现了 p s d的自 动测试。 关键词 位置敏感探测器， 瞬态响应、 有限差分， 波长fl ip 应线性度， 阵列 自 动测试 浙江大学硕 卜 学位论文 ab s t r a c t p o s i t i o n s e n s i t i v e d e t e c t o r ( p s d ) i s a p h o t o e l e c t r i c d e v i c e u t i l i z i n g t h e l a t e r a l p h o t o e l e c t r i c e ff e c t . p s d h a s t h e a d v a n t a g e s s u c h a s h i g h e r r e s o l u t i o n , f a s t r e s p o n s e s p e e d a n d s i m p l e p e r i p h e r a l c ir c u i t a n d i s s u i t a b l e f o r t h e p r e c i s e m e a s u r e m e n t o f p o s i t i o n ,d i s t a n c e .d i s p l a c e , a n g l e a n d o t h e r r e l e v a n t p h y s i c a l v a r i a b l e . i n t h e fi r s t s e c t i o n , t h e r e c e n t d o m e s t i c a n d o v e r s e a s r 探 测器的 研究 . 4 十 学 位 论允杭 州 : 浙江人 学 图 ， 馆， 加 们， 3 7 - 3 8 2 0 a . ma k y n e n , t . r a h k o n n e n , j . k o s t a m o v a a r a . a b i n a r a y p h o t o d e t e c t o r a r r a y f o r p o s it i o n s e n s i n g , s e n s o r s a n d a c t u a t o r s a , 1 9 9 8 6 5 : 4 5 - 5 3 2 1 a .m a k y n e n , t . r u o t s a l a i n e n , t . r a h k o n n e n . c n i o s - c o m p a t ib l e p o s it i o n - s e n s i t i v e d e v i c e s ( p s d s ) b a s e d o n p h o t o d e t e c t o r a r r a y s . s e n s o r s a n d a c t u a t o r s a , 2 0 0 3 , 1 0 5 :2 6 1 - 2 7 0 2 2 d .w .d e l i m a m o tnt e r i r o ,g .v d o v i n , p a s q u a l in a m .s a r r o . v a r io u s 丁a y o u ts o f a n a lo g c m o s o p t i c a l p o s i t i o n - s e n s i t i v e d e t e c t o r s . s p i e 1 9 9 9 , 3 7 9 4 : 1 3 8 浙江大学硕_ l 学位论文 第二章 p s d位置响应的机理 壮. 1半导体光生伏特效应( 1 ,2 ,3 1 当p n 结的结 面受到入 射光照 射时， 一 部分光 在p 区 被 吸收， 一部分 在耗尽 区被吸收， 最后一部分通过p 区和耗尽区在。 ix 被吸收。 光子 被吸收后在这于个 区 域将 产生电 子一 空穴 对 浓度梯度的 存在 使 得p x-的光生少 数载流子( 电 子) 向 耗尽区和n x扩散， n cx 的光生少数载流子 ( 空穴) 向耗尽区 和p 区扩散， 但 是p 区和n 区中只有离耗尽区一个扩散一氏 度之内的光生载流子刁 能够扩散到耗尽 区， 然后被p n 结耗尽区内较强的内 建电场迅速地拉向各自 的 低浓 度区， 而离耗 尽区 个扩散长度之外的光生载流子则会k ? 新复合掉， 它们对光电转换效率( 即 内部量子效率) 是没有贡献的。 耗尽区吸收光子所产生的电子一空穴对在内建电 场的作用下，电 子向n 区 漂移， 空穴向p 区漂移 结果造成p 端电势升高， n 端 电 势降低， 于是在p n 结两 端形成了 光生电 势， 这就是p n 结的光生伏特效应。 由 于光照产生的载流子各自 fl l1 相反方向 运动，从而在p n 结内部形成自n 区向p 区 的 光生电 流。 光 照在p n 结两 端产生光 生电 势， 相当 于 在p n 结 两端加f 向电 压v 使势垒降 低为g v d - q v ， 产生正向电 流。 在p n 结开路情况下， 光生电 流和正向电 流相等时， p n 结两端建立起稳定的电 势差， 这就是光电 池的开路电 压。 如 将p n 结与 外电 路 接通，只要光照 不停止， 就会有源 源不断的电 流通过电 路， p n结 起 了电 源的作用。 这就是光电二极管、 光电池的基本原理。 整个过程如图2 - 4 所示， 图2 - 2 为光照条件下p n 结的能带图。 浙江大学硕士学位沦文 一 e r 图2 - i偏压，无光照ik 1 2 - 2零偏版，有光照 )任， 卜 l、 一l , 3 ! i一 图2 - 3加反向偏爪，有光 照 图 2 - ,1 p n 结光电 转换示意lx l 上面对光照条件下p n 结内部光生载流子的 运动进行了 分析， 从中可 以 看到， 要 想 提高p n 结的内 部量 子 效率， 可以 从以 一 儿 个 方 面 着手: ( 1 ) 减小p n 结 受 光 面p 区 或n 区的 厚 度 即受光 面的 结 深， 一 般 情况下 p 区为 受光面) 。 这是因 为受光的一面p 区或n 区如果太厚， 入射光的大部分就会在这一 区域被吸收， 而 这一区域中产生的光生少数载流子只有离耗尽区 ， 个扩散长度内的部分刁能够 浙江大学硕士学位论文 到达耗尽区被电场拉向低浓度区， 所以人部分载流子在这一区域重新复合， 造成 光电流较小， 光电转换效率不高 理想情况 卜 受光一面的结深应小丁光生少数载 流子的扩散长 度。 ( 2 ) 尽可能增大耗尽区的宽度耗尽区越宽， 在耗尽区产生的 电子一空穴对就会越多，内建电场很快将它们分开， 复合的几率很小，因此量子 效率较高 光电探测器一般均工作在反向偏压状态 卜 ， 反向偏) i 、 使势垒区的电场 强度增强， 势垒区变宽， 势垒高度增加， 光照条件下的能带图如图2 .3 所示。 ( 3 ) 用p in 结结构取代一般的p n 结结构 一般p n 结的p 区和n 区 掺杂较重， 因 此耗 尽区宽 度较窄，如图2 - 5 所示 p i n 结是在重掺杂p 区和n 区 之间存在着 层本 征区 ( 杂质浓度很小) ，如图 2 - 6所示。p区掺杂浓度远大于本征区，本征区基 本上已完全耗尽，本征区的电阻又很高，外加反向偏压的大部分降落在本征区， 进一步使得耗尽区加宽， 增大了光电转换的有效工作区域， 提高了器件的灵敏度 并且 由于p i n 结的耗尽区宽度比 普通扩散型p n 结大的多，使得结电容减小， 提 高了器件的响应速度。 一 + p 一1 + n -一一 - d且 图2 - 5普 通p n 结 图2 - 6 p i n 结 以v表示光生电 势，p n 结受光照射时势垒高 度降 低为4 ( v o - v ) 。结附 近p 区多 子 浓 度p p 。 相对来晚 增加不明 显， 而少子 浓度将获 得明 显的 增量。结附 近p 区 少 子( 电子) 浓度的增量为: 。 _ 一 _ q v ,牛工、 1, tu 7 r、 ，二品，1 二 ， * 。 1 ，一n p o l p l) 一1 ) ，n p o / ， 儿儿职n 7 p匹a j 少丁l l c l 艾。 托 / ( 2 一 i ) 同 样， 结附近n区多子 ( 电子)的 浓度n a 增量不明显， 而少子( 空穴) 浓度的 增 量为: 、 。 = p .iexp (苦 ) 一 1 , p ro 为 无 光 照 时 区 的 少 子 浓 度 。 ( 2 一2) p n 结被光生电 势差v正向 偏置，就有部分载流子越过被降低的势垒， 从而形成 正向 注入电流i , ， 方向从p 区指向n 区，大小为: 一 oex p (kv ) - 1 ， ( 2一3) 浙江大学硕士学位沦义 一_d 其中，h = a ( n， = +n,. 二 二 )- p ， _ ， 、 - 、 i ,“ # ., 式中i 。 称为p n 结的反向饱和电流。 受光 照的p n 结如果处于开路状态， 稳定时光生电 流i l 和注入电 流i t 大小相 等方向 相反， 净电 流i 为零。这时在p n 结两端测得的电 势差称为开路电 压， 用 v , 。 表不。 v a c 将随光强而增大，但不可能大于v d 。当v n e v ,) 时，半导体的不 均匀性因光照而消失， 势垒区不复存在， 出现个非平衡的均匀状态，即少数载 流子完个补偿了 平衡时结两侧的空fl i) 电荷。 如 果把p n 结从外面短 路， 就有短 路电 流工 、 。 流 过 其 大小 显然等于几 _ ， 方向 与i l 致。由 于这时非平衡载流子不再 积累于p n 结两侧， 所以p n 结又恢复到 平衡状态。外电路中接有负载r l 时， 将有电流i 流过。对于串联电阻为零的理 想p n 结， 在负载r l 上 的电 压降1 r . 即 等于 接在p 。 结 上的 正向 偏压v ， 从而引 起正向 注入电流 i ,.。这时光电流 i l 可以看成两部分，一部分和 f . 向注入电流 i f 相 抵消， 另 一部分则流过外电 路， 见图2 - 7 。 于是 得到光照卜 理想p n 结的 伏安 特 性为 图2 - 7 p n结接负 载电 阻的 情形图2 - 8光 照卜 p n 结的 理想 伏安 特性 根 据式 ( 2 - 5 ) 可以 得到图2 - 8 所示的p n 结光 伏器 件的 伏安 特性曲 线。 当il=o 时，曲 线就是无光照时的p n 结暗特性。 有光照时，曲 线向一 移动， 入射光越强， 光电流越大， 曲线下降得越多。 曲线与电流轴的交点相应于短路情况( 电压为零) ， 其截距即为短路电流 i , - 曲线与电压轴的交点相应于电流为零的开路情况，其 截距即为开路电 压v o c 在开路情况下，1 = 0 ，从式 ( 2 一5 )取对数并整理后得到开路电压 浙江大学硕士学位论文 k t _1 , _ 气 = 一 i n ( i + 份) y t o c 2一6) 实际应用中总是希望输出电流大， 输出电压高 开路电压与短路电流是光伏器件 的两个重要参数。 2 .2半导体横向光电 效应 如果p n 结的受光面被非均匀辐照 ( 指光 敏面局部被辐照或虽然整个光 敏面 被 辐照但不均匀) ， 在光照区域的p 区、结区和n 区将发生与上述情况一 样的 现 象， 即 产生电 子一空穴对， p 区中的位于电子扩散长度范围内的电 子 将被结电 场拉向n 区， 而空穴则被电 场排斥留 在p 区， n 区中的位于空穴扩散长度范围内 的空穴被结电 场拉向p 区， 而电子被结电场排斤留 在n 区， 在耗尽区内 产生的电 子 一空穴 对在强电 场的 作用下， 电 子 被拉向n 区， 空穴被 拉向p 区， 在光 照区 域 形 成光生 载流子 堆积， 假设p 区的 掺 杂浓度远大 于n 区的 掺杂浓度， 则p 区的电 导 率远大丁 、 n 区， 则光 照区域的光生空穴在p 区很容易 扩散达到均匀分布， 可以 近似认为p 区 等电 势， 而n 区由于 电 阻 率.人 ， 光生电子 在光照区 域部分 堆积， 在 沿着结平面平行的方向非均匀分布，原来的结平衡被破坏，导致 p区空穴向n 区回注，在沿着结平面平行的方向形成横向电场， 如图2 - 9 所示。如果在n 层的 两侧设置电极，就有电 流输出 这种因p n 结被光照在沿着与结平面平行的方向 出 现 横向 电 势 差 的 现 象 称为p n 结 的 横向 光电 效 应 4 1 n y ip .:.i 光 土，!样 图2 - 9 p - n 结被非均匀辐照时载流子和横向电势的分布 我们制备的探测器采用p n n 十 结构 p 层很薄， 外加一定的反向 偏置电 压就可 浙江大学硕士学位论文 使n 区完全耗尽， n 十 区浓度远大于p 区， 当 一束光照在p 层表面某处， 形成非均 匀照射时， 与p 十 n 结中的情形类似， 不同的是光生电子 在n 十 层迅速扩散， 。 十 层近 似为等电 势层， p 层沿着与结平面平行的方向 存在横向电 势差，如图2 - 1 0 所示 o o o o o 耗 尽 区 二 二1. 了 一一一一一一-一一一一一一一一一一 州 . 砂 图2 - 1 0 p n n + 结 被非 均匀 辐照时载流子和 横向电 势的分 布 实质上，只要是非均匀的半导体， 无论是 p +n，+ p ， p 一 n ， n 一p ， +p + n , n p , p n , n p , n n , p 十 p , n n , p 一 p 还是肖 特基结或者异质结，当 受到非均匀辐照时， 都将产生横向 光电 效 应， 只不过不同掺杂形成的结， 横向电势的方向不同， 参与 横向扩散的载流子不 同而 己 2 .3 l u c o v s k y 方程， 根据实际位置敏感探测器的结构， 选择 一 个p n n 十 结构为讨论现象， 如图2 - 1 1 所示， 假设衬底为n 型高阻层，在衬底上面形成 层很薄的电阴率均匀的p 层， 在衬 底的背面形成n 掺杂层，由 于n 层具有很高的电导 率，可 看成等电 势层， p 层为受光面， 由 于p 层载流子浓度远大于n 层， 可以 认为耗尽区都在n 区， 并且 n区基本完全耗尽。 _浙 汀 大 学 硕 士 学 位 论 文 图2 - 1 1 p s d物理模) u 示意图 在光 照区 域的p 区内 作一个 很小的 方 柱， 如图2 - 1 1 所示， 小 柱底为 x 4 y , 厚 度为w p ( w p 为p 区 非 耗 尽 层 厚 度) ， 忽 略 漏电 流 根 据电 荷守 恒条 件， 单 位 时间内 从柱体纵向 流入( 包括p n结的结电 流和光生电流) 的电 荷与从柱体的 横向 流出的电荷之差应等十柱体内增加的电荷，于是: j , ( x + o x , y , t ) 一 j , r ( x , y , t ) a y 峨+ j , ( x , y + a y , 1 ) 一 人( x , y , t ) o x w , + j , ( x , y , t ) a x a y + 4 f ( x , y , t ) a x o y = o -( x , y , t + a t ) 一 二 ( x , y , 1 ) a x a y w , / 4 t ( 2 一 7 ) 其中 : j t.x .j l y 分 别是x方向 和y 方向 的 横同 电 流 密 度， j t 是 纵向 电 流 密 度, a ( x ,y ,t ) 是柱体内 ( x , y ) 处t 时刻的电荷体密度， f ( x ,y , t) 是( x , y ) 处电子一空穴对的产生率 上 式取极限，得: _ 二. j ,a 厂 8 o - v- j， 二二 卫 一 十衬 竺 生 一 一上 三 二了 ， _。 、 w , w n 8 t 而 且 .1 = - j , ( e y m , k 7 一 1 ) ( 2 - 9 ) o = c (d / w ( 2 一 1 0) 去= 一 v 中 / 只 ， 其中: ,t ， 是二极管的反向饱和电流密度， p p 是p 区电阻率 ( 2一 1 ) 小 是结电势差, c 是单位面积p n 结电容， 将式 ( 2 一9 ) , ( 2 一1 0 ) , ( 2 一1 1 )代入式 ( 2 一1 6 )得 o -(d (x ,y ,t) 一 华 e x p ( g q) (xy t)y t) ) 一 ， p , c pp ll (x , y , lf - - 伴 1, x 1川口 n 只 ， 八x , y , t ) w , ( 2一 1 2) 一一一一一一一一一止丝些望玺 兰 进竺 主 这就是结电势差小 满足的一般7 j - f = l u c o v s k y 方程 一ij 给定初值条件和边界条件， 通过求解式 ( 2 -1 2 ) ， 就能确定非均匀结在 非均匀光照射下结平面 i 电势的空间分布和h j i i 变化规律， 从而确定从电极输出 的电信号的大小和时间特性。 以r 表 示p 区 力 一块电 阻， 有r = p p / w p ， 于 是 式 ( 2 - 1 2 ) 可 写为 v zq) 一 j ,r ex p(癸 ) 一 ，- rc -tl 一 、 ( 2 一 1 3 ) 方程 ( 2 -2 1 )是一个非线性偏微分方程，不易求得其解，但在定边界条 件下可以化简为线性方程，并求得其解析解。 当p s d受光面的部分区域受到光照时，被光照区域由于产生光生电动势处 于正向偏置， 由于串连电阻即表面电阻的存在， 远离光照区域的结电势差逐渐降 低，因 此p n 结上的电 势差是不均匀的。当 外加的反向 偏置电 爪较小时， 可能出 现远离光照区域的结处于反向偏置而光照区域处于正向偏置的情形， 所谓完全反 偏指的是外加足够大的反向电压， 使得整个结均处于反向偏置， 而且在无光照时 流过整个p n 结的电流等于反向 饱和电流的 情形。 在p s d的实际使用中， 一般都 外加一定的反偏电压，使其处于完全反偏状态 参考文献 川 刘恩 科， 朱秉 升，罗晋生 . 半导 体 物理 学( 第四 版)北京，国 防 业出 版社 ( 1 9 9 4 ) 2 下 家弊，李 健，牛文成，半 导体器件物理， 北京，科学出 版社 ( 1 9 8 3 ) 3 s . m .s z e . p h y s ic s o f s e m ic o n d u c t o r d e v ic e s ( 2 1,d e d it io n ) j o h n w ile y 2 ) 耗尽层外光生载流子的扩散时间; 3 ) 集总常数的影响，即由于 p s d的固有电阻、电容的存在而使其高频特性 变坏。 对于因素1 ) ， 光生载流于通过耗尽层的漂移时间， 可由载流子的漂移速度和 浙江大学硕士学位论文 耗尽层的宽度确定。 在耗尽层内， 载流子的漂移能达到其极限速度， 对于 ， 在 室温时，电子的最大漂移速度是 i 丁 c m/ s , 通过儿微米的耗尽层所花的时间 不 足i n s ,因此，该因素完全可以被忽略 对干因素2 ) , 耗尽层外光生载流子向结的扩散过程比 耗尽层内的光生载流子 的漂移过程快得多， 我们 ,) . 以通过加适当的反偏压， 增加耗尽层的宽度， 一方面 减少在耗尽层外的光生载流子的数目，使光生载流子尽可能地产生在耗尽层内; 另一方面缩短了入射点与结的距离，可使这个距离小于少数载流子的扩散民 度， 此时，因索2 ) 也可被忽略。 如果上述条件满足，因素3 ) 将是影u n p s d时间响应特性的主要因素。 因此，对于 p s d的时间响应特性，可以采用 r c网络模型来进行模拟。在 p s d器件分流层电阻率均匀分布、 i _ 作在完全反偏状态， 光激发电流远大于 的反向 饱和电流， 并且负载及电极接触电阻为零的 情况下， 根据文献 3 , 的r c网络微分表达式为: p - n结 维 p s d t%r .:, c ( 3 - 2 ) 洲一。 其中， c是单位面积结电 容， r为面电 阻 起分配电 流的作用;r s i， 是结电 阻， 反映了p - n 结漏电流的大小。卜 面是p s d的r c网 络结构t意图。 rr c. 卜七c 孤 1 i甄 图3 - 2一 维p s d的r c网 络示意图 般情况下 ，lt s v ;r ,所以( 2 ) 式可近似为: c uc t ( 3 - 3 ) 迎味 1一扩 光生电流在结内的漂移时间在纳秒量级上， 与r c网络的时间常数相比可以 忽略， 所以c和r决定了电流在p s d内的传输响应时间。 文 献 4 l 认为一维p s d 的 时 间 常 数 为t c= r c l 2 1 n 2 0 方程( 3 ) 与一维热传导方程相类似， 我们采用c r a n k - n ic h o l s o n y 隐式差分格式 浙江大学硕_ 上 学位论文 ($ j 利用6 点网格并结合数值差分基于中间网 格点对其进行差分处理， 计 算精度为 o ( h + k 2 ) 4 假定一 维p s d的长度为l , 探测响应时问为t ， 则将矩形区域r = ( x ,t ) :o - x -g i f5 乙 1 .n !.! -一 、 d 十l 3 .4模拟结果和讨论 邹.4 . 1光激励点与探测时间的关系 取r = 3 0 k q ,c = 3 p f / m m ,l = 1 0 m m ，特征 时1) 1 t 。 约 为l u s o 假 设 光 点 入 射 在 3 m m处， 且为连续光激励， 经过一个t 。 时间后， 维p s d的各点电 压分布随时 间和位置的变化如图3 - 4 所示。 可以 看到， 在( 3 , t ) 的位置上，卜 日 于 光激励的持续注入产生光生电 流有了 1 单位的电压，然后迅速扩散，ot = 2 其它各1氛匕 就产生了电压。随着探测时间的 增加，最终可以达到稳态 接着研究公式 ( i ) 在时域上的准确特性。 考察5 个特征时间内的p s d响应， 将时间和位置区域各均分 1 0 1 个点，位置步长为0 . 1 毫米，时间步长为0 .0 5 u s , 误 差 为士 1 0 u m量 级 任 l a m a m a t s u 一 维p s d 探 测 误 差19 1) 。 各 入 射点的 训 算 结 果 见图3 - 5 。 其中， 水平轴为时间步长 数， 垂直轴为 根据公式( 1 ) 计算出的 光照位置 点x 。从图3 - 4 上可以得到以下结论: 浙江大学硕 针 学位论文 ot , 图3 - 4电月 、 随时间/ 位置变化关系图 第一，各个点上j r -始响应的时间有先后，且越靠近 p s d几何中心，开始响 应时间越短。中心点经过一个步长就开始响应，而x / l = 0 . 1 的边缘点直到第三个 时间步长才出现响应。出现这种状况的原因是激励光产生的光生电荷在 p s d内 扩散并到达电极的时间由于位置的不同而略有差异，从而使 p s d的响应产生误 差。 第二， 一 般认为p s d的 特征响 应时间为t , r c l 2 / 二 2 ， 经过 这个时间 后p s d 就线性响应了。 但是从实际计算结果来看， 经过一 个 特征时间后， 计算出的位置 点的值与最终稳态值的误差呈两头大中,n 1 小的特性。在 p s d几何中心很小的一 个区域内器件的位置响应达到了线性， 而各点随着离中心距离的扩 一 大达到线性响 应所需的时间也依次增大。 x / l =0 .4 -0 . 1 的各点到达线性响应的时间与t c 的比 值依次约为2 . 7 5 , 3 .2 5 , 3 . 7 5 ,3 . 7 5 。所以，在探测时间与特征响应时间相比拟时， 一方面必须考虑器件的参数结构， 减小其面电阻和单位面积结电容， 以及器件本 身的长度;另一方面也要考虑 p s d的使用区域的问题当 p s d在 1 -3 倍特征 时间内进行探测时， 只能使用相应的线性响应区域。 另外也可以看出，当使用全 部p s d有效光敏面时， 激励光脉冲的频率约为! / ( 3 . 7 5 t c ) 。 这也 规定了 调制探测 时的调制频率上限 浙江大学硕士学位论文 图3 - 5入射位w点与探测时间关系的计算 如4 .2光激励类型不同对结果的影响 p s d探测的是入射激励光的能量重心位置， 所以对光斑的大小和形状没有特 殊的要求。这也是 p s d探测的优势之一 。 作者计算了入射光分别为丁 a = o . i i 的脉冲光和各占i 个和3 个网格单元的 连续阶梯光和光斑。假定探测时间为t = 9 t c ， 光激励点在x / l = 0 . 3 的位置，部分结 果见一 h 表，其中第一行数值是探测时间与 特征响应时间的比值，第二行开始为 ( u l - u 2 ) / ( u i + u 2 ) ，表征p s d的响应位置点。 表3 - 1 p s d对各类刑激励光的响应 t / t c0 . 1 阶梯光0 . 9 9 9 5 脉冲光 09qq倪 光斑0 . 9 9 9 2 0 . 5 2 4 00 . 4 0 4 70 . 4 01 1 4 0 4 60 . 4 01 1 0 . 4 0 5 20 . 4 0 1 7 从表 3 一1 中可以看出三种类型光的计算结果完全吻合，均在4 倍特征时间 左右进入相同的稳态响应。这也从数值计算的角度证实了p s d探测的结果是激 励光的重心。 3 .4 . 3结论 通过构建p s d差分网络模型，采用c r a n k - n i a h o l s o n y隐式有限差分方法， 一维p s d进行了模拟计算并得出结沦如下: 当激励光照射在p s d不同点上 ，p s d两端电极的起始响应时间并不相同，并和距离入射点的远近成正相关。 刘时 浙江大学硕士学位论文 在 p s d高速探测中，激励光的频率受器件参数的h r 制，其调制频率上 限约为 1 / ( 3 .7 5 t c ) 。 并月 一应选择合适的p s d使用区域 证实了p s d探测入射光重心的 结论。p s d稳态响应 与入射光类型和时间无关 参考文献 1 l u c o v s k y .g . p h o t o e f f e c t s i n n o n u n i f o 二ly i r r a d ia t e d p - n j u n c t i o n s . . j a p p l . p h v s . , 1 9 6 0 , 3 1 ( 6 ) 1 0 8 8 - - 1 0 9 5 2 黄梅珍 7 6 4 7 6 8 唐九耀，林斌 等， 梳状) q 高线性度维位敏检测器， 光f 学报 2 0 0 0 , 2 9 ( 8 ) h u a n g m z, t a n g j yl i n b ,e t a l . a c t a p h o t o n i c a s i n i c a , 2 0 0 0, 2 9 ( 8 ) : 7 6 4 - 7 6 8 3 黄梅珍，唐九耀，陈钮清， 等. 一维 p s d的光. 匕 性能解析研究，电光与控制， 2 0 0 0 , 8 0 ( 4 ) : 5 55 9 h u a n g m z , t a n g j y c h e n y q , e t a l e l e c t r o n i e s o p t i c s : ( 4 - 8 ) s 。 为表面复合速率，解得电子扩散电流为: _c l n 人 =e 及. - - 止 二 匕二 = d x e f ( 卜r ) a l , a , 叮一 1 ( s l i d + a l ) 一 ( s ,l i d) c o s h 迎+ s i n h x ,- - 、 一二成一l , l e x p ( - a x ) 一 a l e x p ( - a x , ) )( 4 一 9 ) 为一几 ( s l / d , ) s in h 卫+ c o s h l 浙江大学硕士学位论文 同理，山 d r, d f n d x二 十 p ., - h n o + g ( x ) = 0 ( 4 - 1 i ) ) 边界条件: n 一 的掺杂浓度远大于p区，光生载流子在耗尽层己经基木吸收完毕， n 可 视 为等电势层， 类似于 l 二00 脚 x 二 h 十 w, h + w十 t : 八 ， 一 几。 二 0 解得空穴扩散电流为 j , = e f ( 1 一 r ) 叽， a 2 l ,2 一 1e xp(-a (” 二 ，一 去 ， ( 4 - 1 漂移电流: j 、 一 。 护 (z ) d z = q f ( 1 一 r ) 1 e x p ( - a h ) 一 e x p 卜 a ( h + w川 二 e f ( 1 一 r ) e x p ( - a h ) 1 一 e x p ( - a w )( 4 - 1 3 ) 总光生电流为: j 二 么 ， 十 j , + 风 、( 4 - i 4 ) 量子效率 ( 4 - 1 5 ) ( 4 - 1 6 4 .3计算结果与讨论 在 实 际的 器 件 制 造中， 1. 选用11 型 高 阻 硅片 作 为 基 底， 令空 穴 寿命r o = 3 0 0 u s ， 经 过 扩 磷 和 硼 离 子 注 入 后， 室 温 下n 十 区 杂 志 浓 度1 0 ,气 m 一3m ,p 区 杂 志 浓 度i o i l c m 3 ， 表 面 复 合 速率 为5 x 1 0 3 c m 2 t y ， 5 ,电 子寿 命为l o u s e 忽略表面二氧化硅层的厚度和硅表面对入射光的反射， 下图 给出在p 层厚 度3 0 0 n m和 耗尽层厚度3 0 0 g m的情况下，p s d的波长响应 浙江大学硕士学位论文 洲 洲 入 入 。/厂 / / 比叫 o。 xo b。 1 . qn 于勺 门 o 暇呢 一一 导朗 。林咖 洁入 的 去 分 w 4 - 2 p s d 波r 响版 的负载电阻: 分流层的电阻率要均匀 、气lj、.2 ，.1份、， 了.、 参考文献 1 1 r . l .c o w i n , d . l . w a t s o n . s u r f a c e c h a r g e fl o w i n t w o - d i m e n s i o n a l p o s i t io n s e n s it i v e s i l i c o n d e t e c t o r s n u c l . i n s t r . a n d m e t h . i n p h y s . r e s . a 3 9 9 ( 1 9 9 7 ) 3 6 5 - 3 8 1 2 1 s . k a l b i t z e r , w . s t u m p f i . a n o m o g r a m f o r t h e d e s i g n o f p o s it i o n s e n s i t i v e s i l i c o n d e t e c t o r s n u c l a n s t r u m. me t h . 7 7 : 3 0 03 0 2 ( 1 9 7 0 ) 3 1 黄 梅珍位置敏感探测器的研究浙i l 人 学博十 学位论文2 0 0 1 .6 一一一一一一一一一一一竺三竺鲤胜尝1 论 文 第六章 p s d阵列的研制 6 . 1前言 单光敏面 p s d器件只能探测单个光斑，因而限制了其应用的范围。在传统上可以 使用 c c d等器件来实现对多个目 标光信号的探测，但是山十高速响应 c c d的价格吊 贵并且测量精度受到半导体工艺的限制。二维 p s d阵列，则 q 以实现对多个目 标的实 时并行探测和处理， 极大地拓展p s d的探测精度和应用范围。 近年来已纤有阵列型p s d 的研制和应用的报导1 1 -2 1 我们与中国科学院成都光电所合作开发波前探测器用的阵列型位置敏感探测器 研 制成功了4 x4单元的四边形p s d阵列 荟 6 . 2设计与制作工艺 杯2 . 1光刻版图设计 1 . 隔离区 隔离区的作用主要是用来在其内部形成一个势阱区域。 隔离区重扩磷， 而位于其中 的光敏区轻掺杂硼， 这样在它们相接的区域将会形成势垒。由于势垒的存在， 光敏区内 的光生空穴被限制在隔离区以内，便于光生电流的收集， 如图6 - 1 所示。 2 . 光敏区 光敏区提供了对入射光斑进行位置探测的有效区域 光生电流在这一区域内进行分 流， 所以这一层的均匀性至关重要， 直接关系到器件的线性度。 我们设计的有效光敏范 围 ( 即四个电极围成的区域)为4 0 0 1, m x 4 0 0 u m的正方形，如图6 - 2 所示。 3 . 欧姆接触区 光敏层掺杂较轻 ( 浓度为1 0 1 5 量级) ， 在这样的杂质浓度下硅的导电 性较差， 不易 和铝电极形成良 好的欧姆接触。 所以在电极区域应提高硅衬底的掺杂浓度， 所以要另外 设计出欧姆接触区，如图6 - 3 所示 4 .引线孔 浙江大学硕士学位论文 6 1 前言 第六章p s d 阵列的研制 单光敏面p s d 器件只能探测单个光斑，因而限制了其应用的范同。在传统上可以 使用c c d 等器件来实现对多个目标光信号的探测，但是山十高速, l j jj , sc c d 的价格昂 贵并且测量精度受到半导体工艺的限制。二维p s d 阵列，则f t j _ 以实现对多个目标的实 时并行探测和处理，极大地拓展p s d 的探测精度和应用范围。近年束已经有阵列型p s d 的研制和应用的报导旧】。 我们与中困科学院成都光电所合作丌发波 j 探测器用的阵列型位置敏感探测器。研 制成功了4 4 单元的四边形p s d 阵列。 6 2 设计与s u f f - c 艺 6 2 1 光刻版图设计 1 隔离区 隔离区的作用主要是用来在其内部形成一个势阱区域。隔离区重扩磷，而位于其中 的光敏区轻掺杂硼，这样在它们相接的区域将会形成势垒。由于势垒的存在，光敏区内 的光生空穴被限制在隔离区以内，便于光生电流的收集，如图6 一l 所示。 2 光敏区 光敏区提供了对入射光斑进行位置探测的有效区域。光生电流在这一区域内进行分 流，所以这一层的均匀性至关重要，直接关系到器件的线性度。我们设计的有效光敏范 围( 即四个电极围成的区域) 为4 0 0 u m 4 0 0 “m 的if - i 方形，如图6 2 所示。 3 欧姆接触区 光敏层掺杂较轻( 浓度为l o ”量级) ，在这样的杂质浓度下硅的导电性较差，不易 和铝电极形成良好的欧姆接触。所以在电极区域成提高硅衬底的掺杂浓度，所以要另外 设计出欧姆接触区，如图6 - 3 所示。 4 引线子l 浙江_ 人学硕士学位论文 引线孔的作用璐提供一个电流从砖衬底输出到铝电极的通道。引线孔位于欧姆接触 区内部r 镪 黾极在引线i l 区域内和硅形成良好的欧姆接触，翔垦6 4 赝示。9 錾懿边挺 为划片时的标记。 5 镭毫极 铝电极主要有两个作用，一是在引线孔内和硅形成欧姆接触，二二是具有电流导线魑 作嗣，通过键合将电流从硅片引到管座的引脚，用于外部电路处理，如图6 。5 所示。 6 。对准标记 对准标记的作用是用于将以上i 块光刻版图套刻准确，对准精度为2 “m ，如图6 - 6 所示。 图6 1 隔离医 幽6 2 光敏医 + 劁6 - 3 欧姆媸触协 浙r t ：大学硕l 学位论文 士 嚣l 攀黼 黝霉萋蕊瓣氍l 蘩攀鞭囊黧蒸辫 幽6 - 5 谓电槭 羹誊嗡媾藕5 1 潜蠖瓣 薯 、o ：! _ ：鎏誊蠹j ，!：1 0 浮筝薰辫 豢j 2 ，涮爹誊 。薯鬻鬻：l j i 陶6 7p s d 阵到单元静宠挚光刺激酱 翻6 8p s d 阵列静繁体结构示意圈 6 2 2 制作工艺 p s d 阵列的制备采用硅甲西工艺，利用设训9 好的光刻版进霉f - 光刻，配以氧化、扩散、离 予注入等半导体工艺逐步地将光剿版图形复制到醚衬底上，从而完成p s