光电探测器响应时间实验研究毕业论文.doc

光电探测器响应时间实验研究毕业论文光电探测器响应时间实验研究毕业论文 目目 录录 1 绪 论 1 1 1 光电探测器发展历程 1 1 2 近年高速探测器的发展成果 2 1 3 光电探测器的分类 4 1 4 光电探测器的物理基础 6 2 典型光电探测器响应时间的研究 10 2 1 光电导探测器 10 2 1 1 光电转换原理 10 2 1 2 工作特性分析 12 2 1 3 时间响应特性及改善 16 2 2 PN 结光伏探测器 17 2 2 1 光电转换原理 17 2 2 2 光伏探测器的工作模式 18 2 2 3 Si 光电二极管的构造与特性分析 20 2 2 4 频率响应特性及改善探讨 23 3 光电探测器响应时间实验研究 31 3 1 实验原理 31 3 1 1 脉冲响应 31 3 1 2 幅频特性 32 3 2 实验仪器 33 3 3 实验步骤 34 3 4 实验结果与分析 36 结 论 38 参 考 文 献 39 致 谢 40 0 1 绪绪 论论 自年第一台红宝石激光器问世以来 古老的光学发生了革命性的变化与此同时 电子学也突飞猛进地向前发展 光学和电子学紧密联合形成了光电子学这一崭新的学 科 由此发展起来的光电子高新技术 已深入到人们生活的各个领域 从光纤通信 镭射唱盘到海湾战争中的现代化武器 都和光电子技术密切相关 而光电探测器则是 光电子系统中不可缺少的重要器件 可以毫不夸大地说 没有光电探测器件 就没有 今天的光电子学系统 1 1 光电探测器发展历程光电探测器发展历程 1873 年 英国 W 史密斯发现硒的光电导效应 但是这种效应长期处于探索研究阶 段 未获实际应用 第二次世界大战以后 随着半导体的发展 各种新的光电导材料 不断出现 在可见光波段方面 到 50 年代中期 性能良好的硫化镉 硒化镉光敏电阻 和红外波段的硫化铅光电探测器都已投入使用 60 年代初 中远红外波段灵敏的 Ge Si 掺杂光电导探测器研制成功 典型的例子是工作在 3 5 微米和 8 14 微米波段 的 Ge Au 锗掺金 和 Ge Hg 光电导探测器 70 年代 HgCdTe PbSnTe 等可变禁带 宽度的三元系材料的研究取得进展 至今 光电导探测器在军事和国民经济的各个领 域有广泛用途 在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测 工业自动控制 光 度计量等 在红外波段主要用于导弹制导 红外热成像 红外遥感等方面 光电导体 的另一应用是用它做摄像管靶面 为了避免光生载流子扩散引起图像模糊 连续薄膜 靶面都用高阻多晶材料 如 PbS PbO Sb2S3 等 其他材料可采取镶嵌靶面的方法 整 个靶面由约 10 万个单独探测器组成 同样 光伏探测器等利用不同光电效应 光热效应制成的各种光电探测器也得到 飞速的发展 由于体积小 重量轻 响应速度快 灵敏度高 易于与其它半导体器件 集成 是光源的最理想探测器 广泛应用于光通信 信号处理 传感系统和测量系统 尤其在近代高速信息传输的需求推动下 光伏探测器的响应频率从几百兆发展到几十 吉赫兹 在西方发达国家 甚至几百吉赫兹的超高速通信传输网已投入试验 1 1 2 近年高速探测器的发展成果近年高速探测器的发展成果 为满足超高速光通信 信号处理 测量和传感系统的需要 半导体光电探测器正 朝着超高速 高灵敏度 宽带宽以及单片集成的方向发展 以下介绍几种近年来研究 最多的几种光电探测器 1 谐振腔增强型 RCE 光电探测器 高带宽的光信号探测 需要光电探测器的最佳典型结构是薄的光吸收区 然而 薄的光吸收层必定导致半导体材料在吸收系数比较小的波长位置的量子时效率减小 虽然带宽超过 200GHz 的光电探测器也已研制成功 但带宽效率积仍然受材料特性的 限制 在肖特基光电探测器中 金属接触中的光损耗进一步受到顶部照射器件量子效 率的限制 增加器件的响应度只靠采用半透明的肖特基接触 最近几年发展的光电子 器件新种类 谐振腔增强型结构光电探测器 靠有源器件结构内部的法布里 泊罗谐振 腔 使器件的量子效率在谐振波长位置猛烈增强 带宽效率积惊人地改善 致使允许 制作薄的光吸收区 所以 RCE 结构探测器方案对肖特基型光电探测器特别有吸引力 2 金属 半导体 金属行波光电探测器 低温生长 GaAs LTG GaAs 基光电探测器 PD 由于它们短的响应时间 高的电 带宽 低的暗电流 以及它们能够与其微波器件例如微波天线集成而受到大大关注 然而 LTG GaAs 的宽吸收能隙 800nm 限制了它在长波长 1300 1500nm 光通 信的应用 在长波长制式 几个 PS 的响应时间已从 LTG InGaAs 基 PD 得到了 但这 比短波长制式的 LTG GaAs 基 PD 的亚 PS 响应时间长得多 近来 有几个研究组在长 波长光通信制式使用垂直照射结构或边缘耦合行波结构 演示了 LTG GaAs 基 p i n n i n 和 MSM PD 通过使用内部能隙对导带的欠态跃迁 在 LTG GaAs 中得到了低于带 隙的光子吸收 然而 由于低于能隙的吸收系数比准能带 能带吸收系数小得多 用常 规的垂直照射 PD 结构 得到的量子效率是极低的 约为 0 6mA W 边缘耦合的 p i n n i n 行波 PD 结构 低效率问题可以靠增加器件的吸收长度克服 虽然最大输出功率 可随器件吸收长度而增加 但电带宽将严重地降低 3 分离吸收梯度电荷和倍增雪崩光电探测器 2 雪崩光电二极管 APD 是 0 92 1 65 m 波长范围工作的现代长拖曳高比特速率光 通信系统最广泛使用的光电探测器 在各种 APD 结构中 分离吸收梯度电荷和倍增 SAGCM 结构是最有前途的 APD 结构之一 它具有高的性能例如 高的内部增益 可靠性改善 以及超过 100GHz 的高增益带宽积 4 集成微镜的 InGaAs 光电探测器 光耦合在光通信的器件特性中是很重要的 使用折射微镜可以增加光耦合效率和 耦合容差 因此 它的应用随光电子器件封装微型化而被广泛接受 聚合物微镜已用 于 MSM 光电探测器和光发射二极管 半导体材料有比较高的折射率 符合需要大合 成数值孔径的微镜 至今 对半导体微镜的研究方法包括 光致抗蚀剂回流干腐蚀 表面微机械和投影掩模再生长等 然而 这些方法需要多工艺步骤和高价的工艺设备 2002 年 韩国 Samsung 电子公司光电子部的 S R Cho 等人 研制了与半导体微镜 集成的 InGaAs p i n 光电探测器 这种 p i n 光电探测器具有典型的外延层结构 它由 n InP 缓冲层 n InGaAs 吸收层和 n InP 项层组成 全部外延层用金属有机气相外延 MOVPE 技术生长在 n InP 衬底上 然后 P 区用 SiN 掩蔽的后置生长 Zn 扩散工 艺选择形成 圆形微镜制作在 InP InGaAs InP p i n 光电探测器的后部 这是 InP 晶体 在微镜制作之前 InP 衬底减薄到 120 m 并且抛光 测量结果表明 这种与半导体微镜 集成的 InGaAs p i n 光电探测器的光纤耦合容差提高超过 50 5 量子阱红外光电探测器 量子阱红外光电探测器 QWIP 受到许多商业 工业和军事应用的关注 因为它 们的性能可以与传统的 HgCdTe 探测器竞争 目前 大多数 QWIPs 是生长在 GaAs GsAs AlGaAs 材料系统 和 InP InGaAs InP 材料系统 衬底上 基于这些 QWIPs 的大制式焦平面阵列 FPA 摄像机已经研制成功了 但是 FPA 的读出集成 电路 ROIC 是硅基的 复杂的技术象倒装晶片焊接技术使 FPA 与硅基 ROIC 混合集 成为必需的技术 2002 年 IEEE 会员 J Jiang 等人 用 Si 作衬底研制了 InGaAs InP 量子阱红外光电 探测器 使用低温成核层技术和厚缓冲层材料生长技术在 Si 上生长 InP 使用现场热 3 循环退火技术减少 InP 在 Si 上的线错密度 使用这个方法 使探测器的暗电流减小 2 个数量级 在 77K 和 7 9 m 波长范围得到探测灵敏度高达 2 3 109cmHz1 2 W 6 高速叉指式 Ge PIN 光电探测器 工作在 1 3 m 波长 用于高速和长拖曳光传输的光电探测器是光传输系统广泛研究 的主题 至今 许多这个工作都集中在 族化合物半导体的长波长光电探测器 Ge 被认为是代替材料 因为它有适合于 1 3 m 波长的带隙 间接带隙 0 67eV 直接带隙 0 81eV Ge 有达到高速性能的潜力 因为它在电信波长有高的电子迁移率和高的光吸 收系数 此外 Ge 有希望应用于例如微波和毫米波光子系统 这种需要高的光电流和 高的线性度的系统 近来 Ge 在 Si 衬底上外延层的沉积工艺技术使 Ge 更有吸引力 因 为它容易与 Si 集成电路技术兼容 已有报道用在 Si 衬底外延生长的 Ge 制作金属 半导 体 金属 MSM 光电探测器 为了得到高的响应度 使用叉指式的平面结构 平面结 构的 MSM 光电探测器已广泛应用 因为它比较容易制作和具有低的电容 然而 MSM 探测器与 PIN 探测器比较 量子效率低 暗电流大 7 位敏探测器 位敏探测器 PSDs 是一种重要的光传感器 薄膜型晶硅基分离器件具有许多优 点 其中主要优点是有潜力制作大面积器件而没有内部中断或分界面 以便它们对光 输入信息提供连续的传感 PSD 用于准直 光处理和机器人视觉系统等 2001 年 澳大利亚西部大学电气与电子工程学院的 J Henry 等人 用新的氢化非 晶硅 a Si H 肖特基势垒结构制作的薄膜位敏探测器 PSD 与常规的晶体硅器件位敏 探测器进行了比较研究 测得 a Si H 结构的器件输出线性相关系数为 r 0 983 0 997 晶硅器件如 Pt C Si 和 Au In C Si 器件的 r 近似为 1 另外 a Si H 结构器件的空间分辨 小于 50 m 而晶硅 C Si 结构器件的空间分辨小于 10 m 1 3 光电探测器的分类光电探测器的分类 我们知道 要探知一个客观事物的存在及其特性 一般都是通过测量对探测者所 引起的某种效应来完成的 在光电子技术领域 也常把光辐射量转换成电量来测量 电量不仅最方便 而且最精确 即便直接转换量不是电量 通常也总是把非电量 如 温度 体积等 再转换为电量来实施测量 因此 凡是把光辐射量转换为电量 电流 4 或电压 的光探测器 都称为光电探测器 很自然 了解光辐射对光电探测器产生的 物理效应是了解光探测器工作的基础 光电探测器的物理效应通常分为两大类 光子效应和光热效应 在每一大类中 又可分为若干细目 如表 1 1 所列 表表 1 11 1 a a 光子效应分类 光子效应分类 效应相应的探测器 外光电效应 1 光阴极发射光电子 正电子亲和势光阴极 负电子亲和势光阴极 2 光电子倍增 气体繁流倍增 打拿极倍增 通道电子倍增 光电管 充气光电管 光电倍增普 像增强普 内光电效应 1 光电导 本征和非本征 2 光生伏特 PN结和PIN结 零偏 PN结和PIN结 反偏 雪崩 肖特基势垒 异质结 3 光电磁 光子牵引 光导管或光敏电阻 光电池 光电二极普 雪崩光电二极普 肖特基势辛光电二极管 光电磁探测器 光子牵引探测器 表表 1 11 1 b b 光热效应分类 光热效应分类 效应相应的探测器 1 测辐射热计 负电阻温度系数 热敏电阻测辐射热训 金属测辐射热计 5 正电阻温度系数 超导 2 温差电 3 热释电 4 其它 超导远红外探测器 热电偶 热电堆 热释电探测器 高莱盒 液晶等 光子效应 是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应 探 测器吸收光子后 直接引起原子或分子内部电子状态的改变 光子能量的大小 直接 影响内部电子状态改变的大小 因为光子能量是 所以光子效应就对光波频率表现 出选择性在光子直接与电子相互作用的情况下 其响应速度一般比较快 光热效应则完全不同 探测元件吸收光辐射能量后 并不直接引起内部电子状态 的改变 而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量 引起探测器元件温度上升 温度 上升的结果又使探测元件的电学性质或其它物理性质发生变化 所以 光热效应与单 光子能量的大小没有直接关系 原则上 光热效应对光波频率没有选择性 只是在 红外波段上 材料吸收率高 光热效应也就越强烈 所以广泛用于对红外辐射的探测 因为温度升高是热积累的作用 所以光热效应的响应速度一般比较慢 而且容易受环 境温度变化的影响 值得注意的是 谓热释电效应是响应与材料的温度变化率 比其 它光热效应的响应速度要快得多 并己获得日益广泛的应用 1 4 光电探测器的物理基础光电探测器的物理基础 1 光电发射效应 在光照下 物体向表面以外空间发射电子 即光电子 的现象称为光电发射效应 能产生光电发射效应的物体称为光电发射体 在光电管中又称为光阴极 著名的爱因斯坦方程描述了该效应的物理原理和产生条件 爱因斯坦方程是 1 1 式中 是电子离开发射体表面时的动能 m 是电子质量 是电子离 1 2 2 开时的速度 是光子能量 是光电发射体的功函数 该式的物理意义是 如果发 6 射体内的电子所吸收的光子的能量 h 大于发射体的功函数的值 那么电子就能以相 应的速度从发射体表面逸出 光电发射效应发生的条件为 1 2 用波长 表示时有 1 3 或 1240 1 4 式中大于和小于表示电子逸出表而的速度大于零 等号则表示电子以零速度逸出 即静止在发射体表而上 这里 和分别称为产生光电发射的入射光波的截止频率和截 止波长 可见 小的发射体才能对波长较长的光辐射产生光电发射效应 2 光电导效应 光电导效应只发生在某些半导体材料中 半导体和金属的导电机构完全不同 在 0 K 时 导电载流子浓度为零 在 0 K 以上 由于热激发而不断产生热生载流子 电子 和空穴 它在扩散过程中又受到复合作用而消失 在热平衡下 单位时间内热生载流 子的产生数目正好等于因复合而消失的数目 在外电场 E 的作用下 载流子产生漂移 运动 图 1 1 说明光电导用图 参看图 1 1 光辐射照射外加电压的半导体 如果光波长 满足如下条件 1 24 本征 1 24 杂质 1 5 7 式中 是禁带宽度 是杂质能带宽度 那么光子将在其中产生出新的载流子 电子和空穴 这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了一个量 n 和 p 这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子 我们现在称之为光生载流子 显然 P 和 n 将使半导体的电导增加一个量 G 我们称之为光电导效应 3 光伏效应 如果光导现象是半导体材料的体效应 那么光伏现象则是半导体材料的 结 效应 也就是说 实现光伏效应需要有内部电势垒 当照射光激发出电子一空穴对时 电势 垒的内建电场将把电子一空穴对分开 从而在势垒两侧形成电荷堆积 形成光生伏特 效应 我们知道 PN 结的基本特征是它的电学不对称性 在结区有一个从 N 侧指向 P 侧的内建电场存在 热平衡下 多数载流子 N 侧的电子和 P 侧的空穴 的扩散作用 与少数载流子 N 侧的空穴和 P 侧的电子 由于内电场的漂移作用相互抵消 没有净 电流通过 PN 结 此为零偏状态 如果照射光的波长 满足条件 1 6 1 24 那么 无论光照 N 区或 P 区 都会激发出光生电子一空穴对 例如光照 P 区 如 图 1 2 所示 由于 P 区的多数载流子是空穴 光照前热平衡空穴浓度本来就比较大 因此光生空穴对 P 区空穴浓度影响很小 相反地 光生电子对 P 区的电子浓度影响很 大 从 P 区表面 吸收光能多 光生电子多 向区内自然形成电子扩散趋势 如果 P 区的厚度小于电子扩散长度 那么大部分光生电子都能扩散进 PN 结 一进入 PN 结 就被内电场扫向 N 区 这样 光生电子一空穴对就被内电场分离开来 空穴留在 P 区 电子通过扩散流向 N 区 这时用电压表就能量出 P 区正 N 区负的开路电压 称为光生 伏特效应 8 图 1 2 光生伏特效应 以上我们说明了三种光子效应 下面我们再说明两种常用的光热效应 4 温差电效应 当两种不同的配偶材料 可以是金属或半导体 两端并联熔接时 如果两个接头 的温度不同 并联回路中就产生电动势 称为温差电效应 5 热释电效应 当一些晶体受热时 在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷 这种由于 热变化而产生的电极化现象称为热释电效应 9 2 典型光电探测器响应时间的研究典型光电探测器响应时间的研究 光电导探测器和光生伏特器件是国防 空间技术 工农业科学技术中得到广泛应 用的光电探测器 也是本次实验研究用到的两类探测器 下面将详述其构造 工作原 理与特性 2 1 光电导探测器光电导探测器 利用光电导效应原理而工作的探测器称为光电导探测器 又称光敏电阻或光导管 本征型光敏电阻一般在室温下工作 适用于可见光和近红外辐射探测 非本征型光敏 电阻通常必须在低温条件下工作 常用于中 远红外辐射探测 由于光敏电阻没有极 性 只要把它当作阻值随光照强度而变化的可变电阻来对待即可 因此在电子电路 仪器仪表 光电控制 计量分析以及光电制导 激光外差探测等领域中获得了十分广 泛的应用 常用的光敏电阻有 CdS CdSe PbS InSb 以及 TeCdHg 等 其中 CdS 是工业应 用最多的 而 PbS 主要用于军事装备 2 1 1 光电转换原理 以非本征 N 型材料为例 分析模型如图 2 1 所示 图中 u 表示端电压 L w h 分别表示材料的尺寸 光功率 P 在 x 方向均匀入射 现在我们来求在上述条件下它所 产生的光电流 i 等于多少 如果光电导材料的吸收系数为 a 表而反射率为 R 那么光功率在材料内部沿 x 方 向的变化规律为 exp 1 2 1 因为端而光照均匀 所以光生面电流密度 j 在 x 方向变化 2 2 10 图 2 1 光敏电阻分析模型 式中 e是电子电荷 是电子在外电场方向的漂移速度 为电子在x 处的体密度 流过电极的总电流 i 为 2 3 利用稳态下电子产生率和复合率相等即可求出 如果电子的平均寿命为 那 么电子的复合率为 而电子的产生率等于单位体积 单位时间吸收的光子数乘 以量子效率 即 于是 1 2 4 把式代入式 有 2 4 2 3 2 5 式中 1 exp 2 6 2 2 7 其中 是有效量子效率 M 为电荷放大系数 亦称光电导体的光电流内增益 是载流子平均寿命与载流子渡越时间之比 内增益 M 的大小主要由探测器类型 端电 压 u 和结构尺寸 L 决定 光电导探测器的实际结构如图 2 2 所示 掺杂导体薄膜淀积在绝缘基底上 然 后在薄膜而上蒸镀金或钢等金属 形成梳状电极结构 这种排列使得间距很近 即 L 11 小 M 大 的电极之间具有较大的光敏而积 从而获得高的灵敏度为了防止潮湿对灵 敏度的影响 整个带子采用密封结构 1 一光电导体 2 一电极 3 一绝缘基底 4 导电层 a 梳状式 b 刻线式 c 夹层式 图 2 2 光敏电阻结构示意图 2 1 2 工作特性分析 光敏电阻的性能可依据其光谱响应特性 照度伏安特性 频率响应和温度特性来 判别 依据这些特性 在实际应用中就可以有侧重 从而合理地选用光敏电阻 1 光谱响应特性 光敏电阻对各种光的响应灵敏度随入射光的波长变化而变化的特性称为光谱响应 特性 光谱响应特性通常用光谱响应曲线 光谱响应范围以及峰值响应波长来描述 峰值波长取决于制造光敏电阻所用半导体材料的禁带宽度 其值可由下式估算 1240 2 8 式中为峰值响应波长 nm 为禁带宽度 eV 峰值响应波长的光能把电子 直接由价带激发到导带 实际光电半导体中 由于杂质和晶格缺陷所形成的能级与导 带间的禁带宽度比价带与导带间的主禁带宽度要窄得多 因此波长比峰值波长长的光 将把这些杂质能级中的电子激发到导带中去 从而使光敏电阻的光谱响应向长波方向 有所扩展 另外 光敏电阻对波长短的光的吸收系数大 使得表面层附近形成很高的 载流子浓度 这样一来 自由载流子在表面层附近复合的速度也快 从而使光敏电阻 12 对波长短于峰值响应波长的光的响应灵敏度降低 综合这两种因素 光敏电阻总是具 有一定响应范围的光谱响应特性 利用半导体材料的掺杂以及用两种半导体材料按一定比例混合并烧结形成固溶体 的技术 可使光敏电阻的光谱响应范围和峰值响应波长获得一定程度的改善 从而满 足某种特殊需要 图 2 3 给出了 CdS CdSe PbS 光敏电阻的典型光谱响应特性曲线 图 2 3 二种光敏电阻的光谱响应特性 光电特性和伏安特性 2 照度伏安特性 式 2 5 是理想情况下的光敏电阻的光电转换关系式 由于许多实际因素的影响 光敏电阻 在一定端偏压 u 条件下 的光照特性呈非线性关系 即 2 9 式中 均为常数 K 与器件的材料 尺寸 形状以及载流子寿命有关 电压 指数 的值一般在 1 0 1 2 之间 在烧结体中主要受接触电阻等因素影响 是照度指数 由杂质的种类及数量决定 其值约在 0 5 0 之间 在低偏压 几伏到几十伏 弱光 1 照条件下 通常可取于是式变为 10 1 102 1 1 2 3 9 2 10 这样无论是光电特性 i P 关系 还是伏安特性 i u 关系 都认为是线性特性 13 图 2 4 光敏电阻工作电路 图 所示的电路中 省掉了极间电容 所以上述分析只适用于低频情况 当 2 4 入射光功率变化频率较高时 在等效电路中一定不能省去 从前而的讨论知道 为 了得到较大的电流增益 M 总是设法减小极间距离 L 但这又使增大 导致器件时 间常数增大 使响应频率减小 所以一般说 光敏电阻的响应频率比较低 响应时间 比较长 这也是它的不利因素之一 3 前历效应 前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前 历史 有关的一种现象 前历效应有 暗态前历与亮态前历之分 暗态前历效应 是指光敏电阻测试或工作前处于暗态 当 它突然受到光照后表现为暗态 前历越长 光电流上升越慢 其效应曲线如下图所示 一般 工作电压越低 光照度越低 则暗态前历效应就 越重 1 黑暗放置 3 分钟后 2 黑暗放置 60 分钟后 3 黑暗放置 24 小时后 图 2 5 硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线 14 亮态前历效应 指光敏电阻测试或工作前已处于亮态 当照度与工作时所要达到 的照度不同时 所出现的一种滞后现象 其效应曲线如下图所示 一般 亮电阻由高 照度状态变为低照度状态达到稳定值时所需的时间要比由低照度状态变为高照度状态 时短 图 2 6 硫化镉光敏电阻亮态前历效应曲线 4 稳定特性 一般来说 光敏电阻的阻值随温度变化而变化的变化率在弱光照和强光照时都较 大 而在中等光照时则较小 例如 CdS 光敏电阻的温度系数在 10 lx 照度时约为 0 照度高于 10 lx 时 温度系数为正 小于 10 lx 时 温度系数反而为负 照度偏离 10 lx 愈多 温度系数也愈大 另外 当环境温度在 0 60 的范围内时 光敏电阻的响 l 命速度几乎不变 而在 低温环境下 光敏电阻的响应速度变慢 例如 30 时的响应时间约为十 20 时的 2 倍 最后 光敏电阻的允许功耗随着环境温度的升高而降低 这些特性都是实际使用 中应注意到的 5 噪声特性 光电导探测器的噪声主要是由三个噪声源所贡献的 它们是产生一复合 g r 噪 声 热噪声和 1 f 噪声 总的均方噪声电流可写为 15 2 4 2 1 1 4 2 2 2 2 4 0 2 11 它的有效值为 4 2 1 1 4 2 2 2 2 4 0 1 2 2 12 式中 为载流子寿命 为探测器的等效电阻 0 当 f时 产生一复合噪声项不再与频率有关 当 f时 产生 1 2 1 2 一复合噪声明显减小 1 f 噪声项中的比例系数 A 当 f 1 kHz 时 这一噪声 10 11 项可以忽略不计 最后一项是探测器的热噪声 光电导探测器这三种噪声源的噪声功 率谱在频带中的相对贡献如图所示 图 2 7 相对噪声功率谱 2 1 3 时间响应特性及改善 光敏电阻受光照后或被遮光后 回路电流并不立即增大或减小 而是有一段响应 时间 图 2 8 显示出了光敏电阻响应速度的测定电路及其示波器波形 光敏电阻的响应 时间常数是由电流上升时间 和衰减时间表示的 图 2 8 中给出了 和的定义 通 常 CdS 光敏电阻的响应时间约为几十毫秒到几秒 CdSc 光敏电阻的响应时间约为 s PbS 的响应时间约为 s 10 2 10 3 10 4 值得注意的是 光敏电阻的响应时间随入射光的照度 所加电压 负载电阻及照 度变化前电阻所经历的时间 称为前历时间 等因素有关 一般来说 照度愈强 响 16 应时间愈短 负载电阻愈大 愈短 愈长 暗处放置时间愈长 响应时间也相应愈 长 实际应用中 尽量提高使用照明度 降低所加电压 施加适当偏置光照 使光敏 电阻不是从完全暗状态开始受光照 都可以使光敏电阻的时间响应特性得到一定改善 图 2 8 响应特性测定电路及其波形 2 2 PN 结光伏探测器结光伏探测器 利用 PN 结的光伏效应而制做的光电探测器称为光伏探测器 2 2 1 光电转换原理 为了便于理解在后而将要引入的光伏探测器的等效电路 我们先讨论一下光伏探 测器的光电转换规律 PN 结光伏探测器的典型结构及作用原理如图 2 9 所示 为了说明光功率转换成光 电流的关系 设想光伏探测器两端被短路 并用一理想电流表记录光照下流过回路的 电流 这个电流常常称为短路光电流 假定光生电子一空穴对在 PN 结的结区 即耗 尽区内产生 由于内电场的作用 电子向 N 区 空穴向 P 区漂移运动 被内电场分 离的电子和空穴就在外回路中形成电流 就光电流形成的过程而言 光伏探测器和 光电导探测器有十分类似的情况 为此 我们把讨论光电导探测器光电转换关系所导 出的式 2 3 一 3 改写为 17 0 1 0 1 2 13 式中 Q 是光电导探测器中一个光生电子所贡献的总电荷量 从上式可见 除 了 Q 项外 光伏和光导的其它物理量都可以用同一种形式描述 a 典型结构 b 作用原理 图 2 9 光伏探测器典型结构和作用原理 2 2 2 光伏探测器的工作模式 光伏探测器和光电导探测器不同 光伏探测器的工作特性要复杂一些 光伏探测 器通常有光电池和光电二极管之分 也就是说 光伏探测器有着不同的工作模式 因 此在具体讨论光伏探测器的工作特性之前 首先必须弄清楚它的工作模式问题 PN 结光伏探测器等效为一个普通二极管和一个恒流源 光电流源 的并联 如图 2 10 b 所示 它的工作模式则由外偏压回路决定 在零偏压时 见图 2 10 c 称 为光伏工作模式 当外回路采用反偏压 V 时 见图 2 10 d 即外加 P 端为负 N 端 为正的电压时 称为光导工作模式 18 图 2 10 a 伏探测器的符弓 b 等效电路 c 光伏工作模式 d 光导工作模式 我们知道 普通二极管的伏安特性为 exp 1 2 14 因此 光伏探测器的总伏安特性应为和之和 考虑到二者的流动方向 我们有 exp 1 2 15 式中 i 是流过探测器的总电流 e 是电子电荷 u 是探测器两端电压 是玻耳 兹曼常数 T 是器件的绝对温度 以式 2 15 中 i 和 u 为纵横坐标绘制曲线 就是光伏探测器的伏安特性曲线 如 图 2 11 所示 从图可见 第一象限是正偏压状态 本来就很大 所以光电流不起 重要作用 作为光电探测器 工作在这一区域没有意义 第三象限是反偏压状态 这 时 它是普通二极管中的反向饱和电流 现在称为暗电流 对应于光功率 P 0 数值很小 这时的光电流 等于 是流过探测器的主要电流 这对应于光导工作 模式 通常把光导工作模式的光伏探测器称为光电二极管 因为它的外回路特性与光 电导探测器十分相似 在第四象限中外偏压为零 流过探测器的电流仍为反向光电流 随着光功率的不 同 出现明显的非线性 这时探测器的输出是通过负载电阻上的电压或流过上的 电流来体现的 因此称为光伏工作模式 通常把光伏工作模式的光伏探测器称为光电 池 应特别注意 光电流总是反向电流 而光电流在上的电压降对探测器产生正向 19 偏置称为自偏压 当然要产生正向电流 最终两个电流抵消 伏安曲线中比于横轴上 光电池和光电二极管的工作特性有着明显的差别 详细情况将在下而两节中专门 讨论 图 2 11 光伏探测器的伏安特性 2 2 3 Si 光电二极管的构造与特性分析 以光导模式工作的结型光伏探测器称为光电二极管 它在微弱 快速光信号探测 方面有着非常重要的应用 为了提高它的工作性能 人们做了大量的研究工作 出现 了许多性能优良的新品种 概括起来 有 Si 光电二极管 PIN Si 光电二极管 雪崩光 电二极管 记为 APD 肖特基势垒光电二极管 HgCdTe 光伏二极管 光子牵引探测 器以及光电二极管等等 下面主要介绍 Si 光电二极管 制造一般光电二极管的材料几 乎全部选用硅或锗的单晶材料 由于硅器件较之锗器件暗电流温度系数小得多 加之 制作硅器件采用的平面工艺使其管芯结构很容易精确控制 因此硅光电二极管得到了 广泛应用 20 1 结构原理 硅光电二极管的两种典型结构如图 2 12 所示 其中图 a 是采用 N 型单晶硅和 扩散工艺 称 N 结 它的型号是 2CU 型 而图 b 是采用 P 型单晶和磷扩散工艺 称 P 结 它的型号为 2DU 型 光敏芯区外侧的环区称为保护环 其目的是切断 感应表面层漏电流 使暗电流明显减小 硅光电二极管的电路中的符号及偏置电路也 在图 2 12 中一并画出 一律采用反向电压偏置 有环极的光电二极管有三根引出线 通常把 N 侧电极称为前极 P 侧电板称为后极 环极接偏置电源的正极 如果不用环 极 则把它断开 空着即可 a 2CU 型 b 2DU 型 图 2 12 硅光电二极管两种典型结构 2 光谱响应特性和电流灵敏度 Si 光电二极管具有一定的光谱响应范围 图 2 13 给出了 Si 光电二极管的光谱响应 曲线 常温下 Si 材料的禁带宽度为 1 12 eV 峰值波长约为 0 9 m 长波限约为 1 1 m 由于入射波长愈短 管芯表面的反射损失就愈大 从而使实际管芯吸收的能量 愈少 因而就产生了短波限问题 Si 光电二极管的短波限约为 0 4 m Si 光电二极管的电流灵敏度主要决定于量子效率 在峰值波长 0 9 m 条件下 50 电流灵敏度A 0 9 0 4 3 光电变换的伏安特性分析 21 图 2 13 Si 光电二极管的光谱响应曲线 我们己经知道 光电二极管是一种以光导模式工作的光伏探测器 其等效电路己 在图 2 10 中给出 因为光电二极管总是在反向偏压下工作 所以 和 都是反向电流 为了符合人们通常的观察习惯 我们将图 2 4 一 2 b 中 光电流 的 i 和 u 方向倒转 就可以在第一象限位置表示第二象限 光导模式工作区 的伏安特 性 如图 2 6 一 2 a 所示 其中 弯曲点所对应的电压值 称为曲膝电压 为了 分析方便 经线性化处理后的特性曲线如图 2 6 一 2 b 所示 其中 Q 为直流工作 点 g 和为各斜线与水平轴夹角的正切 意义是 是光电二极管的内电导 其值 等于管子内阻的倒数 是光电二极管的饱和电导 显然 如果光电二极管的内电导超 过 值 则表明光电二极管己进入饱和导通的工作状态 为负载电导 其值等于负 载电阻值的倒数 a 伏安特性 b 线性化处理 22 图 2 14 光电二极管的伏安特性和线性化处理 4 噪声特性 由于光电二极管常常用于微弱光信号的探测 因此了解它的噪声性能是十分必要 的 图 2 15 是硅光电二极管的噪声等效电路 对高频应用 两个主要的噪声源是散粒 噪声和电阻热噪声 输出噪声电流的有效值 2 2 2 2 1 2 2 4 1 2 2 16 相应的噪声电压 2 2 4 1 2 2 17 式中 分别是信号电流 背景光电流和反向饱和暗电流的平均值 由上 式可见 从材料及制造工艺上尽量减小 并合理选取负载电阻是合理减小噪声的 有效途径 图 2 15 光电二极管的噪声等效电路 2 2 4 频率响应特性及改善探讨 硅光电二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种 因此特别适宜于快速 变化的光信号探测 光电二极管的频率响应主要由二个因素决定 光生载流子在耗尽层附近的扩散 时间 光生载流子在耗尽层内的漂移时间 与负载电阻并联的结电容所决定 的电路时间常数 1 扩散时间 由半导体物理可知 扩散是个慢过程 扩散时间 23 2 2 2 18 式中 d 是扩散进行的距离 是少数载流子的扩散系数 如果以 P 型 Si 为例 电子扩散进行距离为 5 m 扩散系数为 3 4 X 式 10 2 2 2 18 给出的 3 7 X s 作为高速响应来说 这是一个很可观的时间 因此 10 9 在制造工艺上应尽量减小这个时间 一般把光敏面做得很薄 由于硅材料对光波的吸 收与波长有明显关系 所以不同光波长产生的光生载流子的扩散时间变得与波长有关 在光谱响应范围内 长波长的吸收系数小 入射光可透过 PN 结而到达体内 N 区较深 部位 它激发的光生载流子要扩散到 PN 结后才能形成光电流 这一扩散时间限制了对 长波长光的频率响应 波长较短的光生载流子大部分产生在 PN 结内 没有体内扩散问 题 因而频率响应要好得多 对 Si 光电二极管来说 由波长不同引起的响应时间可相 差倍 为了改善长波长的频率响应 出现了 PIN 硅光二极管 这将在后面讨 102 103 论 2 耗尽层中的漂移时间 为了估计漂移时间的量级 参看图 2 16 图中和分别表示 P 区和 N 区内耗尽 层宽度 耗尽层的总宽度 2 19 2 1 2 2 20 2 1 2 2 21 式中 为材料介电常数 和分别为材料中受主和施主的杂质浓度 u 为端电 压 这里假定端电压 u 比零偏内结电压高得多 而且是突变结 0 24 图 2 16 耗尽层的电场分布 为了充分吸收入射光辐射 总是希望 W 比较宽些 一般都要求 1 222 式中是波长 的吸收系数 在 W 内由于高电场存在 载流子的漂移速度趋于饱 和 实际情况都满足这个条件 我们可以把载流子的漂移速度用一个固定的饱和速度 来估计 于是 2 23 对硅光电二极管 耗尽层中电场取 2000 V m 载流子饱和速度取m s 取 W 5 105 m 则s 5 10 11 3 结电容效应 由于结区储存电荷的变化 光电二极管对外电路显示出一个与电压结有关的 结电容 对突变结 2 2 0 1 2 2 24 式中 A 是结而积 其它参量的意义与式 2 20 和 2 21 中的说明相同 如果 假定 u u 本身为负值 且对N 结构 则式 2 24 可以简化为 0 2 25 2 2 1 2 1 2 式中 0 25 若 A 1 11 7 10 V 则30 pF 对实际使用来说 2 1021 3 要想得到小的电容 应尽可能地选取较高的反偏压 考虑到光电二极管的电容效应 它的高频等效电路如图 2 17 所示 其中图 a 是比较完全的等效电路 是光电二极管的内阻 亦称暗电阻 由于反偏压工作 所以等效为一个高内阻的电流源 是体电阻和电极接触电阻 一般很小 考虑到这 两个因素之后 工程计算的简化等效电路如图 b 所示 如果入射光功率 P sin相应的光电流的交变分量sin 则由图 0 2 17 b 有 1 2 26 a 完全等效电路 b 简化等效电路 图 2 17 光电二极管的岛频等效电路 式中负号是由于电流和电压的正方向相反所引起的 负载电阻上的瞬时电压 1 1 2 27 电压有效值为 2 1 2 2 2 2 28 可见 u 随频率升高而下降 当 u 下降到称为称为高 2 0 707 时 定义 频率截止频率 于是 26 1 2 2 29 通常又定义电路时间常数 2 2 2 30 所以 0 35 2 31 如果取 30pF 那么 50 10 3 5 10 9 从上述分析可见 载流子扩散时间和电路时间常数大约同数量级 是决定光电二 极管响应速度的主要因素 从硅光电二极管的讨论可知 改善其频率响应特性的途径是设法减小载流子扩散 时间和结电容 从这个思路出发 人们制成了一种在 P 区和 N 区之间相隔一本征层 I 层 的 PIN 光电二极管 PIN 硅光电二极管的结构及管内电场分布如图 2 18 所示 从图中可见 本征层首 先是个高电场区 这是由于本征材料的电阻率很高 因此反偏压电场主要集中在这一 区域 高的电阻使暗电流明显减小 在这里产生的光生电子一空穴对将立即被电场分 离 并快速漂移运动 本征层的引入明显地增大了区的耗尽厚度 这有利于缩短载 流子的扩散过程 耗尽层的加宽也明显地减小了结电容 从而使电路时间常数减小 由于在光谱响应的长波区硅材料的吸收系数明显减小 因此耗尽层的加宽还有利于对 长波区光辐射的吸收这样 PIN 结构又提供了较大的灵敏体积 有利于量子效率的改 善 27 a 管芯结构 b 电场分布 图 2 18 PIN 硅光电二极管的管芯结构和电场分布 PIN 硅光电二极管在接收机中使用通常有偏置电路 并与放大器相连 如图 2 19 所示为检测电路与等效电路 因此光检测器的响应特性必然与外部电路密切相 关 图 2 19 光检测器电路及等效电路 图中 C 为检测器的结电容 为偏置电阻 和为检测器后续放大器的输入 电阻和输入电容 这个电路对于光脉冲的响应特性的上升时间 载流子漂移通过耗尽 层的渡越时间 以及耗尽层外产生的载流子扩散时间有影响 图 2 19 所示的电路可以看成一低通滤波器 其时间常数为 其中 则通带上限频率为 1 1 1 2 32 1 2 从检测器本身来看 要尽量降低结电容 2 33 式中 为结材料的介电常数 A 为结面积 W 为耗尽层厚度 对于一个直径为 250的二极管 C 的数量级为 2pFF 随着耗尽层厚度 W 的 3 增加 结电容 C 减小 这有利于响应速度的提高 也有利于量子效率的提高 但 W 增 加时又增加了载流子的渡越时间 反过来又降低了响应速度 减小结电容的另一个方 28 法是减小结面积 A 这也有利于暗电流的减小 最小结面积收到与之耦合的光纤尺寸 的限制 若给电路加一阶跃电压 其响应为一脉冲电流 如图 2 20 所示 该脉冲从最大值 10 上升到 90 所用时间即为电路的上升时间 图 2 20 电流脉冲的上升时间 电路的阶跃响应为 2 34 0 1 式中 为阶跃响应的最大值 则响应时间为 0 2 35 2 1 2 2 光电二极管的响应速度主要受到载流子漂移通过耗尽层的时间 即载流子漂移通 过耗尽层的渡越时间的限制 决定于载流子的漂移速度和耗尽层的宽度 W 假定 漂移速度是均匀的 则有 2 36 减小 W 或增加反偏压都可以使渡越时间缩短 增加反偏压可使内建电场增强 漂 移速度加快 但是增加反偏压不可能无限地增加漂移速度 因在半导体的晶格中 载 流子都有一定的饱和速度 例如在 Si 材料中 当内建电场小于时 载流子 104 的漂移速度与电场成线性关系 但是当内建电场达到 2时 电子和空穴漂移 104 速度均趋向于它们各自的饱和速度 8 4 和 4 4 当 106 106 10 偏置电压大于 200V 时 内建电场即可达到 2 此时响应时间为 0 1ns 在 104 足够的偏压下 可以用饱和漂移速度来估算阶跃时间 29 2 37 由可以计算光电二极管的截止频率 即光电二极管可以检测到的信号带宽 2 38 0 4 渡越时间的存在引起了高频失真 限制了器件的带宽 使信号产生了较大的相位 滞后并且使信号的幅度受到较大削弱 另外 在前面提到的 耗尽层外的 P 区和 N 区 产生的载流子由于没有内建电场的加速作用 以较慢的速度扩散 其扩散时间长 正 比于 这种扩散效应造成了光电流脉冲的长拖尾 如图 2 21 所示 2 图 2 21 光脉冲及光电流脉冲波形 不过现在性能良好的 PIN 光电二极管 其扩散和漂移时间一般在s 量级 相 10 10 当于吉赫频率响应 因此实际应用中 决定光电二极管频率响应的主要因素是电路时 间常数 PIN 结构的结电容一般可控制在 10 pf 量级 适当加大反偏压 还可减 小一些 因此 合理选择负载电阻是实际应用中的重要问题 PIN 光电二极管的上述优点使它在光通信 光雷达及其它快速光电自动控制领域 得到了非常广泛的应用 另外利用反偏置高电压 一般为几十 V 到几百 V 击穿 PN 结初始电子在高电场 去碰撞晶格原子引起连锁反应的雪崩二极管也被研制出来 性能更为优越 一般硅和 锗雪崩光电二极管的电流增益可达 因此这种管子的灵敏度很高 在 102 103 上的响应率达 100 A w 且响应速度快 响应时间只有 0 5 ns 相应的响应 0 7 30 频率可达 100 GHz 噪声等效功率为W 它广泛应用于光纤通信 弱信号检测 10 15 激光测距 星球定向等领域 31 3 光电探测器响应时间实验研究光电探测器响应时间实验研究 本实验分别用脉冲响应特性法和幅频特性法测定光敏电阻和光电二极管的响应时 间 探讨这两种常用的光电探测器响应时间与所加偏压和负载的关系特性 3 1 实验原理实验原理 通常 光电探测器件输出的电信号都要在时间上落后于作用在其上的光信号 即 光电探测器件的输出相对于输入的光信号要发生沿时间轴上的扩展 这种响应落后于 作用信号的特性称为惰性 由于惰性的存在 会使先后作用的信号在输出端相会交叠 从而降低了信号的调制度 如果探测器观测的是随时间快速变化的物理量 则由于惰 性的影响会造成输出严重畸变 因此 深入了解探测器的时间相应特性是十分必要的 而光电探测器件的频率特性 是指该器件对交变入射光的响应能力 并且 它的 器件响应的时间常数有关 时间常数越小 上限频率越高 响应时间越快 下面就介 绍一下他们的原理 表示时间响应特性的方法主要有两种 一种是脉冲响应特性法 另一种是幅频特 性法 3 1 1 脉冲响应 响应落后于作用信号的现象称为弛豫 对于信号开始作用时的弛豫称为 上升弛豫或起始弛豫 信号停止作用时的弛豫称为衰减弛豫 弛豫时间的具体定 义如下 如用阶跃信号作用于器件 则起始弛豫定义为探测器的响应从零上升为稳定 值的 1 1 e 即 63 时所需的时间 衰减弛豫定义为信号撤去后 探测器的响应下 降到稳定值的 1 e 即 37 所需的时间 这类探测器有光电池 光敏电阻及热电探 测器等 另一种定义弛豫时间的方法是起始弛豫为响应值从稳态值的 10 上升到 90 时所用的时间 衰减弛豫为响应从稳态值的 90 下降到 10 时所用的时间 这种定义 多用于响应速度很快的器件如光电二极管 雪崩光电二极管和光电倍增管等 32 若光电探测器在单位阶跃信导作用下的起始阶跃响应函数为 1 exp t 1 衰 减响应函数为 exp t 1 则根据第一种定义 起始弛豫时间为 1 衰减弛豫则间为 2 此外如果测出了光电探测器的单位冲激响应函数 则可直接用其半值宽度来表示 时间持性 为了得到具有单位冲激函数形式的信号光源 即 函数光源 可以采用脉 冲式发光二极管 锁模激光器以及火花源等光源来近似 在通常测试中 更方便的是 采用具有单位阶跃函数形式亮度分布的光源 从而得到单位阶跃响应函数 进而确定 响应时间