（机械制造及其自动化专业论文）硅光电探测器特性分析与实验研究.pdf

摘要 随着人类对新能源新技术的不断开发和利用，对光能的研究也进入了一个新的阶段。 2 0 世纪3 0 年代时，人们对光的探测与研究用的都是光电倍增真空管( p m t ) ，它昂贵，真 空管内部机械结构部分制造复杂，体积大而且对电磁干扰非常敏感。人们开始寻求新的替 代品来对光进行研究。在半导体行业飞速发展后，光敏半导体探测设备，像p i n 光电二极 管，雪崩二极管，以及9 0 年代出现的硅光电倍增管，得到了迅速的发展，并在很多领域 已经取代了p m t ，相信在将来这些半导体探测器将被更广泛的应用。其中硅光电倍增管被 认为是最有潜力的一个。因为它有非常高的增益，基本不用太复杂的外接放大电路。它的 加工制造也只是用的标准的c m o s 工艺，因此经济又有效。硅光电倍增管除了在辐射测量 领域的发展，随着现代医学的发展，它也在核医学领域受到了人们的广泛关注，如正电子 发射计算机断层扫描装置( p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y 简称p e t ) 。p e t 是目前惟一可在 活体上显示生物分子代谢、受体及神经介质活动的新型影像技术，但它缺乏对各断层面之 间的扫描。核磁共振成像( m a g n e tr e s o n a n c ei m a g i n g 简称m r i ) 正好可以满足这一要求。 磁共振成像是一种生物磁自旋成像技术，它可以直接作出各种体层图像，不会产生c t 检 测中的伪影，无电离辐射，对机体没有不良影响。如果能把p e t 和m 烈结合起来将会对 医学研究和发展起到深远意义。但是一直以来p e t 所使用的光探测器是p m t ，p m t 并不 能在强磁场中工作，也就限制了m 对的发展，但硅光电倍增管正好解决了这个问题。使得 p e t 和m r i 的结合成为可能。 本论文的任务首先是从h a m a m a t s u 德国分公司购买了一个p i n 光电二极管以及两个雪 崩二极管，最后从英国s e n s l 公司购买了一个性价比较高的硅光电倍增管。论文的下一个 阶段是设计实验装置，对光学中性滤光片进行校正，同时对不同驱动电源下的激光输出功 率进行标定。论文最后实验部分通过用三个不同的光探测器测量透过光学中性滤光片后的 微弱光，来比较他们之间的区别，分析他们各自的一些特性，寻找他们的探测极限。根据 所得的探测极限以及空心导波管衰减模拟的结果，分析所能使用的空心导波管长度。在目 前的实验条件下，能用的最大长度约为3 5 米。论文的最后给出了总结以及一些需要改进 的地方。 不久前e x c e l i t a st e c h n o l o g i e s 宣布，该公司在对固态硅光电倍增管( s i p m ) 技术进行开 发和实用化过程中，取得了破纪录的世界级高光子探测效率( p d e ) 与低暗计数的性能成果。 关键词：硅光电倍增管，雪崩二极管，p i n 光电二极管，光学中性滤光片，空心导波管 i l a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fn e we n e r g i e sa n dn e wt e c h n o l o g a c s ，t h e r e s e a r c ho fl i g h te n e r g yh a se n t e r e dan e ws t a g e i n19 3 0 s 1 i g h td e t e c t i o ni sb a s e do nt h eu s a g e o ft h ep h o t o m u l t i p l i e rt u b e s ( p m t ) t h e ya r ee x p e n s i v e ，a n dt h e i ri n t e m a lm e c h a n i c a ls t r u c t u r e s i nt h ev a c u u ms p a c ea r cc o m p l i c a t e dt om a n u f a c t u r e a l s ot h ev o l u m eo ft h e ma r el a r g ea n dt h e m o s ti m p o r t a n ti s s u ei st h a tt h e ya r es e n s i t i v et oe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e a f t e rt h a t p e o p l e b e g a nt os e a r c hn e wa l t e r n a t i v e st os t u d yt h el i g h t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t si nt h e s e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y , t h ep h o t o s e n s i t i v es e m i c o n d u c t o rd e v i c e s ，l i k eas i l i c o np i np h o t o d i o d e ， a v a l a n c h ed i o d e s ，a n ds i l i c o np h o t o m u l t i p l i e r sw h i c hw e r ei n v e n t e d19 9 0 s ，h a v eb e e nd e v e l o p e d r a p i d l yi nm a n ya r e a st h e yh a v ea l r e a d yr e p l a c e dt h ep m t , a n da sm i g h tb ee x p e c t e dt h a tt h e s e m i c o n d u c t o rd e t e c t o r sw i l lb em o r ew i d e l yu s e di nt h ef u t u r e t h es i l i c o np h o t o m u l t i p l i e ri s c o n s i d e r e da st h em o s tp r o m i s i n go n e ，b e c a u s ei th a sav e r yh i g hg a i n ，e v e nw i t h o u tt h en e e da n e x t e r n a la m p l i f i e r , a n di t i sm a d ei na ne c o n o m i c a la n de f f e c t i v ew a yb ys t a n d a r dc m o s p r o c e s s i n g b e s i d e st h ea p p l i c a t i o ni n r a d i a t i o nm e a s u r e m e n t s i l i c o np h o t o m u l t i p l i e ri s a r r a c t i n gw i d e s p r e a di n t e r e s ti nt h em e d i c a lf i e l d 1 i k ep o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ( p e t ) p e ti st h en e wa n dt h eo n l yi m a g i n gt e c h n o l o g yw h i c hs h o w st h ev i v om e t a b o l i s mo fb i o l o g i c a l m o l e c u l e s 。t h ea c t i v i t yo fr e c e p t o r sa n dn e u r o t r a n s m i t t e r s ，b u ti t sl a c ko fs c a n n i n gb e t w e e nt h e f a u l tp l a n e s m a g n e tr e s o n a n c ei m a g i n g ( m r i ) c a nf u l f i l lt h i sp u r p o s e m r ii sab i o m a g n e t i c s p i ni m a g i n gt e c h n o l o g yw h i c hc a nm a k ea l lk i n d so ft o m o g r a p h yi m a g e s i td o e sn o tp r o d u c e a r t i f a c t sd u r i n gt h ec tt e s t ，n oi o n i z i n gr a d i a t i o na n dw i t h o u ta d v e r s ee f f e c t so nt h eh u m a nb o d y i fp e ta n dm r lc a nb ec o m b i n e dt o g e t h e r , i tw i l lp l a yaf a r - r e a c h i n gs i g n i f i c a n c ef o rm e d i c a l r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t h o w e v e r , t h el i g h td e t e c t o ru s e df o rp e ti sp m ta n dp m ti su n a b l e t ow o r ki nas t r o n gm a g n e t i cf i e l d t h i s1 i m i t st h eu s a g eo fp m ti t s e l fw i t hm r i b u tt h es i l i c o n p h o t o m u l t i p l i e rc a n u s ts o l v et h i sp r o b l e m i tm a k e si tp o s s i b l et oc o m b i n ep e tw i t hm r i t h ef i r s ts t e po ft h i st h e s i sw o r ki s p u r c h a s i n gt h e d i f f e r e n tp h o t o d e t e c t o r s o n ep i n p h o t o d e t e c t o ra n dt w oa v a l a n c h ep h o t o d e t e c t o r sa r eb o u g h tf r o mh a m a m a t s ui ng e r m a n y , a n d o n ec o s t e f f e c t i v es i l i c o np h o t o m u l t i p l i e ri sb o u g h tf r o ms e n s li nb r i t a i n n e x ti st os e td o w n t h eb a s i ce x p e r i m e n tc o n f i g u r a t i o n t h eo p t i c a ln e u t r a ld e n s i t yf i l t e r sa n dt h el a s e ro u t p u tp o w e r d r o v ew i t ht w op o w e rs o u r c e sa r ec a l i b r a t e d t h el a s tp a r to ft h ee x p e r i m e n ti st e s t i n gt h et h r e e d i f f e r e n tp h o t o d e t e c t o r sw h i c hm e a s u r et h ew e a ko u t p u tl i g h ti n t e n s i t yt r a n s f e r r i n gt h r o u g ht h e o p t i c a ln e u t r a ld e n s i t yf i l t e r s ，t h i sp a p e l w i l lc o m p a r et h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e m ，s h o ws o m e o ft h e i rc h a r a c t e r i s t i c sr e s p e c t i v e l ya n dl o o kf o rt h e i rd e t e c t i o nl i m i t s f i n a l l yb a s e do nt h e d e t e c t i o n1 i m i t sa n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ea t t e n u a t i o nf r o mt h eh o l l o ww a v e g u i d e ，t h e l o n g e s tl e n g t ho ft h eh o l l o ww a v e g u i d ei sg i v e n i nt h ep r e s e n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，t h e m a x i m u ml e n g t hi sa b o u t3 5m e t e r s a tl a s t ac o n c l u s i o ni sg i v e na n ds o m ei m p r o v e m e n t sa r e a l s on o t e d r e c e n t l ye x c e l i t a st e c h n o l o g i e sa n n o u n c e dt h a tt h e i rc o m p a n yh a sa c h i e v e dt h ew o r l d r e c o r dh i g hp h o t o nd e t e c t i o ne 衔c i e n c y ( p o e ) w i t hl o wd a r kc o u n tp e r f o r m a n c ei nt h e d e v e l o p m e n to fs o l i ds t a t es i l i c o np h o t o m u l t i p l i e r ( s i p m ) t e c h n o l o g y k e y w o r d s ：s i l i c o np h o t o m u l t i p l i e r , a v a l a n c h ep h o t o d i o d e ，s i l i c o np i np h o t o d i o d e ，o p t i c a l n e u t r a ld e n s i t yf i l t e r , h o l l o ww a v e g u i d e s i p m硅光电倍增管 a p d雪崩二极管 优空心导波管的衰减 空一心导波管自身管半径 空心导波管的弯曲半径 信噪比 光电流 介电常数( 电容率) p n 结截面积 p i n 光电二极管本征层宽度 p i n 光电二极管的总电容 p i n 光电二极管p - n 结电容 倍增系数 负载电阻 加载电压 符号说明 吒陀删棚击穿电压 i外电路电流 尺。雪崩二极管总的内部串联电阻 f 础 暗电流产生的散粒噪声电流 屯神 光产生的散粒噪声电流 ，n暗电流 b信号带宽 j 由表面泄漏电流 ，由基底泄漏电流 f过量噪声因数 f空穴与电子的离子化系数比值 f 探测器本身总的噪声 尺( 力)探测器响应度( 反应性) 只入射光功率 只 射出( 接受) 光功率 f 拍删 探测器的热噪声 k玻尔兹曼常数 t绝对温度 心嘲，曲垤 降压电阻 q硅光电倍增管放电电量 c 。删 硅光电倍增管像素电容 n入射光子数 。枞产生的光电子 p d e光子探测效率 g增益 q e量子效率 g 。几何因数 只盖革放电触发概率 ，f 棚缸秽 泄漏电流 e硅的能带大小 m总的像素点个数 删一脚被触发的像素点个数 d光密度 r ( 旯)透射比 只平均光电流功率 只平均噪声电流功率 n e p噪声等效功率 v a r 咖k s a w e g m r v 黄敏敏硅光电探测器特性分析与实验研究 1 1 论文研究的背景 1 1 1 论文的来源及意义 第一章绪论 本论文源于h o c h s c h u l ef u r t w a n g e nu n i v e r s i t y 针对光纤探测系统研究的要求，对光 电探测器在此系统中的运用进行研究。 光电探测器是一种利用半导体材料的光电导效应制成的探测器件，而所谓的光电导 效应是指由辐射引起的，使得被照射材料电导率改变的这样一种物理现象，而电导率的 改变也是因为导体内载流子的密度变化所引起的。实际应用中光电探测器把辐射能量转 换成电流或电压，并从外部电路测量这些电流电压值。通过测量这些输出响应，反过来， 可以测定相应的入射光强度或辐射强度。 一直以来光电探测器无论在军事还是在国民经济的各个领域都有着广泛的用途。当 探测器用在可见光或者近红外波段时，它主要被用于射线的测量和探测、工业上的自动 控制以及光度计量等；当它被用在红外波段时，它主要用于导弹的制导、红外热成像仪 以及红外遥感等方面。当今随着科学技术和加工技术的不断发展，科学家们利用各种半 导体的特性，研制出了各种不同的新型的半导体光电探测器，硅光电倍增管又是其中最 具潜力的一种。硅光电倍增管特别适用于弱光的探测。弱光探测器技术在高能物理、天 体物理和核医学成像领域等一直具有非常重要的应用。目前被最广泛应用的弱光探测器 主要是光电倍增管( p m t ) 。但由于p m t 体积大、工作电压高，功耗高、易损坏、同时受 光阴极限制探测效率较低、对磁场变化敏感以及不适合制作大规模探测阵列等缺点的影 响，限制了它在许多方面的应用。上世纪九十年代初的时候俄罗斯科学家首先提出了被 称作为硅光电倍增管( s i l i c o n p h o t o m u l t i p l i e r - s i p m ) 的一种探测器，它受到了弱光探测 领域研究人员的高度关注，并在现在已经成为弱光探测器技术领域的一个研究热点。 本论文正是在此种背景下，对硅光电倍增管性能进行研究，并与其他探测器进行比 较来分析它不同于其他探测器的优越性。 1 1 2 光电探测器的基本原理及发展 1 1 2 1 光电探测器的基本原理 所谓光电导效应是指当照射的光子( 入射光子) 能量h v 等于或大于所用半导体材 料的禁带宽度e g 时，光子能够消耗自己本身的能量将价带中的电子激发到导带中，从 而产生新的导电的电子和空穴对，如图1 1 所示。其中h 是普朗克常数，v 是光子的频 率，e g 是材料的禁带宽度( 单位为电子伏特) 。 扬州大学硕士学位论文 b 试l l - 缸 e l e c t r i cf j e 】d 卜 1 1 2 2 光电探测器的发展 图1 1 光电探测器基本原理 e 以d 驰石o n b a n d f e m i l e 张l v a l e 地e h 妞 1 8 7 3 年，英国w 史密斯首先发现了硒的光电导效应，但是由于技术限制这种效应 长期处于探索研究阶段，并未能获得实际应用。第二次世界大战以后，随着半导体行业 的不断发展，各种新型的光电导材料也不断的出现。在可见光的波段，性能良好的硫化 镉、硒化镉等光敏电阻以及红外波段的硫化铅光电探测器到5 0 年代中期都已投入使用。 在6 0 年代初以前人们还没有研制出很适用的窄禁带宽度的半导体材料，所以人们只能 运用非本征光电导效应。g e 、s i 等半导体材料在禁带中存在着各种深度的杂质能级，入 射到材料内部的光子所含的能量只要大于或等于杂质能级的电离化能量，就能够产生新 的自由电子和空穴对。到6 0 年代初，范围在中远红外波段的g e 、s i 掺杂型光电探测器 研制成功，典型的像工作在3 5 微米和8 1 4 微米波段的g e ：a u 和g e ：h g 光电探测器。 到6 0 年代的中后期，h g “c d x t e 、p b x s n l - x t e 、p b x s n l - x s e 等三元系型半导体材料研 制成功，并进入实用阶段。它们的禁带宽度可以随着x 值的变化而改变，例如当x = 0 2 时的h g 。c d 。，t e 材料，可以用来做成响应波段为8 1 4 微米的红外探测器。但它与同 样工作在此红外波段的g e ：h g 探测器相比有如下优点：它的工作温度相对高( 高于 7 7 k ) ，而且使用方便，而g e ：h g 工作温度是3 8 k 。它的本征吸收系数大，尺寸又小。 用它这种材料易于制造多元器件。6 0 年代末以后，h g c d t e 、p b s n t e 等可变禁带宽度的 三元系的半导体材料的研究取得了一定的新进展。 硅光电倍增管是在上世纪九十年代末出现的一种全新的高灵敏度光电探测器，这种 探测器主要是由工作在盖革模式下的雪崩二极管阵列构成，它与传统的光电倍增管p m t 相比，具有灵敏度高，大增益( 1 0 6 或者以上) ，一致性好，尺寸小，不受电磁场变化影 响，加载的工作电压低等众多优点。硅光电倍增管探测技术近几年发展迅猛，已有成熟 的商业产品推向市场，知名的公司比如s e n s l ，p h o t o n i q u e ，h a m a m a t s u 等等。其中，爱 尔兰的s e n s l 公司是这个领域的佼佼者。目前，由于硅光电倍增管自身所具有的众多优 黄敏敏硅光电探测器特性分析与实验研究 点，它已被成功应用于高能物理，医疗影像和辐射监测等领域，如正电子发射计算机断 层扫描装置( 简称p e t ) 、便携式辐射检测仪等等。s e n s l 公司的所生产的硅光电倍增管 除了具有以上众多优点外，所产的s i p m 的光谱响应范围为4 0 0 1 1 0 0 n m ，可以配合着闪 烁晶体( 如c s i ，l y s o 等) 使用，来检测x 射线，伽玛射线等。 相对于传统的光电倍增管p m t ，硅光电倍增管主要具有以下优点： 1 受外界环境的干扰能力强，它尤其可在强磁场环境下正常工作 2 即使直接曝光在强光下，也不会损坏探测器本身，只是探测器一直处于饱和状态，也 会发热 3 无需高的加载工作电源，一般就5 0 - - 一7 0 伏 4 不像p m t ，s i p m 更为紧凑小巧，所以当它被用于其他产品设计时，整个系统的尺寸 就能得到优化 目前硅光电倍增管除了向小型单体化的发展外，它已经向阵列化的方向发展了。它 的具体应用方向如下。在核医学领域，被用于p e t 、s p e c t 、伽马摄像机；当作为分析 仪器使用时，包括流式细胞仪、食品分类、r a m a n 光谱分析仪；在工业的检测应用方面， 包括半导体检测、l e d 检测、药品检测；在射线探测方面，当它与不同种类及厚度的晶 体结合时，具有高能探测及能量分辨的能力；在光学影像方面的应用包括，激光雷达、 3 d 摄像机、航空、机器人制导；在通讯方面的应用，比如量子系统、点对点通讯、量 子密码学；在生物诊断技术里，它被应用于d n a 分析、基因分析、环境监控、水监控。 不久前e x c e l i t a st e c h n o l o g i e s 公司宣布，该公司在对固态硅光电倍增管( s i p m ) 技术 进行开发和实用化过程中，取得了破纪录的世界级高光子探测效率( p d e ) 与低暗计数的 性能成果。北京师范大学核科学与技术学院提出并研究了一种利用衬底体电阻作为降压 电阻的新的硅光电倍增管结构，由于没有多晶硅条电阻( 降压电阻) 以及a l 电极互连 线的遮挡，其填充因子较大，a p d 单元的密度也较大，这样提高了它的探测效率。由 于这种设计能够省略制作多晶硅电阻条工艺步骤，因而制备工艺也更简单。 1 1 3 光电探测器的应用选择 所谓光电探测器件的应用选择，实际上是在应用光电探测器时需要注意的一些事项 或要点。在很多要求不太严格的实际应用中，可采用任何一种光电探测器件。但在某些 特定情况下，选用某种特定的探测器件会更加合适些。比如，当需要比较大的光敏面积 的探测器时，可选用真空光电管，因为它的光谱响应范围比较宽，所以真空光电管普遍 的被应用于分光光度计中。当被测辐射信号很微弱、而且要求响应速度要求又较高时， 之前一般都会采用光电倍增管，但现在硅光电倍增管更合适了，因为其放大倍数也可达 1 0 6 以上，这样高的增益可使它的输出信号超过输出和放大线路内的噪声分量。 目前，固体光电探测器的用途非常广泛。c d s 光敏电阻因为它的成本低而在光亮度 控制( 如照相自动曝光) 中得到采用：光电池，比如太阳能电池，是固体光电器件中具 有最大光敏面积的器件；硅光电二极管由于它体积小、响应快、可靠性又高，而且在可 见光的波段与近红外线的波段内有较高的量子效率，所以在各种工业控制中获得了广泛 的应用。硅雪崩二极管由于它增益高、响应快、噪声小，因此在激光测距与光纤通信中 被广泛的普遍采用。硅光电倍增管则更多的被应用于弱光探测，辐射测量，高能物理等 等。 为了提高光电探测器的传输效率，同时无畸变地转换光电信号，光电探测器不仅要 跟被测信号和所在的光学系统相匹配，而且还要跟后续的电子线路分别在特性和工作参 数上也同时相匹配，这样才能使得每个相互连接的工作器件都处于最佳的工作状态。光 4 扬州大学硕士学位论文 电探测器的应用选择要点归纳如下： 光电探测器首先必须与辐射信号源以及所使用的光学系统在光谱特性上相匹配。 如果被测量的波长是紫外波段，那么就应该选用光电倍增管或者专门的紫外光电半导体 探测器件；如果信号是在可见光波段，则可以选用硅光电倍增管、光敏电阻和s i 光电 器件等等；如果是红外光波段的信号，那么就选用光敏电阻，近红外选用s i 光电探测 器件或者硅光电倍增管。 其次，选用的光电探测器的光电转换特性也必须跟入射或者辐射的能量相匹配。 其中首先需要注意的是探测器件的感光面( 有效面) 要和入射光匹配好，因为光源必须 照射到器件的有效位置才能真f 被吸收，如果光照位置发生变化，那么自然地光电灵敏 度也将同时发生变化。比如p i n 光电二极管、雪崩二极管和硅光电倍增管的感光面只是 整个探测器中的一个不大的面积，故一般会把一透镜放置在探测器之前来作为光的入射 窗，并且要把透镜的焦点与感光的灵敏面对准。对于那些微弱的光信号，探测器必须有 合适的灵敏度，这样才会有足够的电信号输出，和足够高的信噪比。 再其次，光电探测器的选用必须和入射光信号的调制形式、信号的频率以及信号 的波形相匹配，以保证得到的输出波形没有频率失真和良好的时间响应性。在这种情况 下主要为的是选择上限频率高或者响应时间短的探测器件。 另外，光电探测器必须与输入的电路在电特性上有比较好的匹配，以保证系统有 足够大的转换系数、信噪比、线性的范围和快速的动态响应等。 最后为了使探测器件能长期稳定有效的工作，使用之前必须确定好探测器件的规 格和能被使用的周围环境条件等等，并且要按照说明使器件在额定的条件下工作。 1 2 论文研究内容及论文安排 在本篇论文中，计划使用三个探测器，p i n 光电二极管，雪崩光电二极管和硅光电 倍增管。这三个探测器尤其是适用于探测那些入射强度很低的光。其中硅光电倍增管性 能最为出色。 本论文中这三个探测器所要测的光是经空心波导管，衰减后在导波管另一端输出的 光。空心导波管( 如图1 1 ) 是一种细长，易弯曲，不受电磁干扰的光纤。光通过不断 的反射和折射，最终在另一端输出。它主要用于激光功率传输和光纤传感器。 图1 1 空心导波管的基本结构 空心导波管有很高的激光功率通透阀值，低损耗，耐久性高等特点。由于这些特性， 在实际测试中，往往需要很长的空心导波管。但由于反射和弯曲损失，光强随着长度的 黄敏敏硅光电探测器特性分析与实验研究 增加而逐渐衰减，实际实验见图1 。2 。图右上角是一激光光源，左下角是相应的光探测 器。 图1 2 空心导波管与探测器的基本组合 如果衰减用口表示，那么衰减与自身半径和弯曲半径的关系可表示如式( 1 1 ) 和 式( 1 2 ) l 晓了 口。 l 口一 ( 1 2 ) r 式( 1 1 ) 和( 1 2 ) q h ，a 空心导波管自身管半径，r - 空心导波管的弯曲半径f 2 5 】 当空心导波管达到一定长度时，高灵敏度的光探测器就必须要用了。根据同事之前 的工作，衰减强度一般是1 0 d b m1 2 d b m 。 本论文的另一项任务是用光学中性滤光片来模拟空心导波管的衰减。同时由于在很 弱的光照下，输出的光电流或者光电压也将很小，因此信噪比( s n r ) 将会作为此论文实 验的主要参数。论文最后会根据所拥有的实验条件来判断所能用的最长空心导波管的长 度。 具体内容如下： 第一章绪论。给出光电探测器的应用和发展，其中硅光电倍增管作为最新的研究 成果，相比于传统的弱光探测器p m t ，有着很明显的优越性。最后给出了本论文的内容 以及提纲。 第二章首先对光电探测器的原理，电路以及特性做一个总的分析，然后对本论文 中所要使用的三种探测器的基本原理，一些特性( 噪声因数) 以及应用进行简要的阐述。 第三章重点阐述了p i n 光电二极管，雪崩倍增管以及硅光电倍增管的各种探测性 能，最后给出了它们的主要区别。 第四章通过实验，综合的阐述了三个探测器的性能，以及他们能探测的可用的空 心波管长度。 第五章工作总结，总结了实验结果与创新点，提出了一些论文的不足之处，和今 后需要进一步改进的地方。 6扬州大学硕士学位论文 第二章硅光电探测器的主要原理 2 1 硅光电探测器的基本原理 如图2 1 所示为二极管的横截面图，它也是硅光电探测器的基本结构图。在表面有 效工作区间的p 型材料与作为衬底的n 型材料结合处形成耗尽层，作为一个光电转化效 应器。p 型材料一般都是参杂硼，厚度在1 微米或者更小。在p 型和n 型材料的中性区 间就是耗尽层。通过改变表面的p 型层n 型层衬底，以及底部的n + 层厚度或者它们的 参杂浓度，可以改变探测器的光谱响应以及频率响应。当光子入射到探测器内部时，在 晶体结构结果中的电子就被激发，如果此时光子能量大于能带能量e g ，那么在晶体结 构中的电子就会被拉道导带中，同时在禁带中留下空穴。 i n s u l 户汀i o n p o s i t f v e l a y e r ne g a t l v e e l e c 丁r o d e n l a y e r 图2 1 二极管的横截面图 d e p l e t l 0 nl a y e r o d e ) e n e r g ye g 图2 2 光电二极管的p n 结状态 如图2 2 所示，这些新的电子空穴对不仅在p 型层材料中产生，同时也在耗尽层和 n 型层材料中产生。在耗尽层中的内电场作用下，电子加速朝向n 型层半导体移动，空 穴加速朝向p 型半导体移动。在n 型层中新产生的电子，与从p 型层扩散过来的电子 留在了n 层的导带内，与此同时空穴在电场加速下，从n 型层穿过耗尽层，扩散至p 型层，最终留在了p 型层的禁带中。这种情况下，由光子产生的成比例的电子空穴对， 黄敏敏硅光电探测器特性分析与实验研究 7 在p 型层产生正电荷，在n 型层产生负电荷，如果此时外电路被导通，电子就从外电路 流向p 型层，空穴流向n 型层，因此外电路也就产生了电流。 2 2 硅光电探测器的等效电路图 如图2 3 为光电二极管的等效电路图 千l l l ，1r 1 r vvv 、 f l i i d ir s 卜 、 q ) 爹 1 厂 ：兰q 垂：； 罗吞 一 ， _ j 一l b ，l弋 图2 3 光电二极管的等效电路图 l o r l 其中，：光子产生的光电流 i n ：二极管电流 c ，：耗尽层电容 r 妯：并联电阻 尺：串联电阻 ，。：流过并联电阻的电流 ：二极管两端的电流 i 门：输出电流 ：输出电压 通过以上等效电路推导出输出电流i o 为： ，。= t 一厶一，= l i s ( e x p 等一1 ) 一，。 ( 2 1 ) k 其中，。：二极管反向饱和电流 e ：电子电荷 k ：玻尔兹曼常数 t ：绝对温度 当i d = 0 时，开路电压如式( 2 2 ) v o c = 坚h 1 ( 掣+ 1 ) 2 ) e s 如果，是可以忽略的，因为，j 随着周围的温度成倍上涨，这样就与周围温度， 以及l n l ，成正比。但是这种关系对于弱光照时需要重新考虑。 当v o = 0 时，同时外电阻r = 0 时，短路电流，虻如式( 2 3 ) 8 k = 乞一( e x p 竺! 生k t ：鱼l - i ，) 、- 。- - 母r 。， 如黠鬻蠢z 褫黧勰赫。嘶一几三 图2 4 光电二极管的电流电压特性曲线 爹雅麓? 麓麓描焉 晓4 ) 乞= i 坠 吃：加载电阻( 欧姆) 意兰蓬萋曩差妻一的串联电阻部分会有所增加，最终导致非线性的 黄敏敏硅光电探测器特性分析与实验研究 产生。 2 4 硅光电探测器的光谱响应 在2 1 中原理介绍的那样，当吸收的光子能量小于e g 时，光电效应就无法产生。 最长的入射光波长肋可以由式( 2 5 ) 表示 。 2 h = 半 ( 2 5 ) - g 在室温下，硅的能带宽大小为1 1 2 e v ，g a a s p 为1 8 e v ，所以最长的光波长分别为 1 1 0 0 n m 和7 0 0 n m 。对于短波长的光，它们会大量的被表面的扩散层吸收，因此表面扩 散层厚度越小，p n 结耗尽层就离表面越近，探测器对光的吸收也就越敏感，如题2 1 。 对于普通的二极管，他们的截止波长为3 2 0 n m ，对于探测近紫外光的二极管截止波长在 1 9 0 n m 左右。 截止波长是由二极管材料的本征特性所决定的，但同时也会受到探测器表面窗口材 料的光波通透率影响。对于用硼硅玻璃和塑料树脂涂料做的探测器表面窗口，低于 3 0 0 n m 的光将会被吸收，因此对短波长的光的感应也就消失了。所以对于需要探测短波 长的光时，一般用石英玻璃作为表面窗口材料。对于可见光，表面窗口一般用一个视觉 补偿滤波器。 2 5 硅光电探测器的温度特性 周围温度的变化对二极管的灵敏度以及暗电流都有着很大的影响。原因在于光的吸 收系数跟温度有关。对于长波长的光，光的敏感度随着温度的增加而增加，这种增加的 趋势随着波长进一步的增长而显得更加的明显，比如超探测过峰值波长时。对于短波长， 这种趋势正好相反。用于探测紫外光的探测器在设计上就设计成对短波长的光的低的吸 收率，因此此时在比峰值波长短的波段的温度系数就非常小。 s 卜 委 惹 囊 q 图2 - 5 暗电流与温度变化的关系图 暗电流随温度变化的原因是由于电子在禁带中被激发，被拉入导带中。温度的增加 1 0扬州大学硕士学位论文 将会使暗电流也随之不断的增加，如图2 5 所示。当温度从5o c 升到1 0o c 时，暗电流 也增长了近两倍。这实际上相当于降低了并联电阻尺随之增加了热噪声和散粒噪声。 2 6p i n 光电二极管的基本工作原理 图2 - 6 p i n 光电二极管 p i n 光电二极管( 如图2 - 6 ) 是一个在p n 二极管之间加入一个轻掺杂的本征区( 如 图2 - 8 a ) 的二极管。图2 8 c 显示了跨越它两端的内部电场，电场强度随着离二极管表 面的距离的变化而变化。p i n 光电二极管在本征层中的电场很强。当一个光子在这一区 域被吸收时，光子能量转换给新的载流子( 电子和空穴对) ，这些新产生的载流子跟据自 身极性，在电场作用下，向不同方向漂移，电子朝向n 区，空穴朝向p 区。如果外部电 路再进行相连，此时就有光电流j 7 幽产生，如图2 7 所示。 图2 7p i n 光电二极管的基本电路，h v 为单一光子能量，e g 为材料能带宽度，w 为本征层宽度，e 为电场强度。外电路包含一个反向偏压和负载电阻【2 0 1 由于p i n 光电二极管有很长的本征区域，因此它也有一个相对较长的波长吸收区 域，为此也有了一个较高的量子效率。 它的结电容也很低【2 6 j ，可以简要的表示为如式( 2 6 ) 黄敏敏硅光电探测器特性分析与实验研究 c ；= 占a 7 形 其中占介电常数( 电容率) ，a 结面积，、n 本征层宽度 l c ) 图2 - 8 ( a ) p i n 光电二极管结构图；( b ) 对应的空间电荷密度；( c ) 电场分布2 0 】 ( 2 6 ) 由于有比较长的本征区域，p i n 光电二极管有很多应用，如衰减器，射频交换机和 光纤系统中的探测器。 p i n 光电二极管的噪声主要来源是散粒噪声。散粒噪声是由于暗电流和光的离散光 子产生。另外，当它与其他两个探测器( 雪崩光电二极管，硅光电倍增管) 相比时，p i n 光电二极管没有内部增益，所以一般它总是需要一个外置放大器，不过这不仅会导致它 响应速度降低，也会带来一些额外的噪声。总的来说，p i n 光电二极管硅构造简单，价 格便宜，可靠性高。 扬州大学硕士学位论文 2 7 雪崩二极管( a p d ) 的基本工作原理 图2 - 9 雪崩二极管 雪崩二极管( 如图2 - 9 ) 本质上也是一个p n 二极管。相比于p i n 光电二极管，它 的有内部增益，一般从1 0 4 1 0 5 。单从名字上判断可知，雪崩二极管可以在吸收少量光 子的情况下产生成百万的光电子。原理跟p i n 光电二极管相似，但它分两个步骤。第一 步光子在吸收区间的p n 结被吸收，产生电子空穴对。受内电场的作用，电子向n + 区 扩散，空穴向p + 区扩散( 如图2 1 2 c ) 。电子和空穴的扩散速度跟电场强度有关。第二 步，电子在到达n + 区之前，必须要通过雪崩区( 倍增区域) ，这个区间的电场更强，电 场强度是跟所用材料以及参杂浓度有关。当电场强度达到一定程度时，这些载流子有很 大的概率与材料中的晶格相碰撞，以至于他们的扩散速度趋于饱和达到一个均值。当电 场强度达到1 0 4v c m 左右时，这一现象就会产生，同时此时饱和的扩散速度大约是 1 0 7c m s 。当此时电场再进一步加大时，那些没有与晶格相碰撞的电子在这一区域被进 一步加速，当它们拥有足够的能量和材料内部晶格相撞时，根据康普顿原理，它传递了 它的一部分能量，并使内部粒子离子化，这样新的电子空穴对就产生了。这些新产生的 粒子，反过来继续被强电场加速，当他们也拥有一定的能量并发生撞击时，进一步的离 子化也就产生了。最后成百万的新载流子就形成了雪崩效应( 如图2 1 0 ) 。此时的电场 强度在2 1 0 5 v c m 。 雪崩二极管的倍增系数可以写成下式( 2 7 ) 2 7 】： m = 土一 f ，7 、 1 一 ( y 一风) 圪舰 “7 其中v 加载电压，m 胁删一击穿电压，击穿电压跟材料接受率，耗尽层尺寸，以及半 导体各层的厚度有关，i - 夕 电路电流，b 雪崩二极管总的内部串联电阻，又跟材料和 尺寸有关，n 常数，与掺杂分布，半导体材料，以及入射波长有关。 相比于p i n 光电二极管，雪崩二极管有较高的内部增益，但是为达到此效果，它同 时需要一个较高的反向偏压，一般从几十伏到上百伏( 如图2 11 ) ，但需要注意的是它 仍然工作在击穿电压以下。 雪崩二极管常被用在需要高灵敏度，快速响应的低光照且是短光脉冲的条件下。当 重墼塾壁堂皇堡型墅堑丝坌堑墨塞堕婴窒一一旦 一一 它运行在更高偏压的盖革模式下式，它甚至可以用来探测单一光子。 。 它的缺点包括复杂的结构及加工工艺，因此需要很高的生产成本。相比p 誊卑二 极管，它有过量的噪声因数，需要更高的加载电压，它的灵敏性受温度变化也比较大， 所以额外的温度补偿电路也是必须添加的。 o 量 = _ c 。 k 3 u o _ o c 乱 图2 1 0 载流子倍增过程1 9 1 r e v e r s eb i a sv o i t a g e 图2 1l p i n 光电二极管与雪崩二极管的工作加载电压范围【1 9 1 1 4 扬州大学硕士学位论文 e l e c l r o d e h v ：名 弋一 + 、- 。 匪 7 _ 酲，) b c a v a l a n c h e r e g i o n 图2 - 1 2 ( a ) 雪崩二极管的结构图和基本工作原理图；( b ) 雪崩二极管内部的空间电荷强度；( c ) 雪崩 二极管的内电场分布，包括吸收区和雪崩区【2 0 】 黄垫墼壁堂皇