第14-3章光电探测器.ppt

第14章光器件,14.1光学吸收,14.2太阳能电池,14.3光电探测器,14.5光电二极管,14.4光致发光和电致发光,2,-外光电效应,物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外光电效应。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。,光电效应,光电方式一,3,爱因斯坦光电效应方程：,1.光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A。,2.一定时，产生的光电流和光强成正比。,3.逸出的光电子具有动能。,4,5,1光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。,光电导效应,-内光电效应当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的效应。,光电方式二,6,自由电子所占能带,不存在电子所占能带,价电子所占能带,hEg,当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强,光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。,-内光电效应,光电效应,7,光电效应光照射PN结时，若hEg，使价带中的电子跃迁到导带，产生电子空穴对，在阻挡层内电场作用下，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势。,光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。,P,N,-内光电效应,光电效应,8,1。按照材料分。2。按照器件波段分类。可见Si、InGaAs，红外Ge、InGaAs、GaAs，远红外TeCdHg3。按照器件结构分类。PD、PIN、APD、MSM4。按照内部增益分类。无：PD、PIN、MSM。有：APD,14.3光电探测器,凡是把光辐射量转换为电量(电流或电压)的光探测器，都称为光电探测器。,9,(1)依材料分类无论是直接带隙半导体材料还是间接带隙半导体材料，都能够用来制备半导体光电探测器件。而半导体发光器件要求半导体材料必须是直接带隙半导体材料。因此，在这一点上，光电探测器件对材料的要求比发光器件宽容一些。材料有四族、II-IV族等半导体，例如族的Si、Ge和SiGe合金，III-V族的GaAs、InGaAs、InGaAsP、InGaN等。异质结材料能够提供透明的窗口、完全的光学限制和优异的导波特性，异质结构的光电探测器性能超群，显示出了更多的好处，,10,按器件响应波段分常用的光电接收器材料,常用光电接收器的材料有硅锗等右图为几种常用材料的响应曲线光电接收器的基本性能：响应波长，敏感度，噪声性能等,与书上图-相同,11,(3)依器件结构分类结构主要有四种：光电二极管、PIN光电二极管、雪崩光电二极管和MSM光电探测器。PN结光电二极管结构最简单，PIN光电二极管结构稍复杂一些，性能优异、应用最广；雪崩光电二极管结构复杂，同时兼有探测和放大两种功能；MSM光电探测器无需制造pn结，适合于难于掺杂的半导体材料。,12,光电探测器工作原理,半导体光电探测器的依据：能够吸收光能并把光变为电。半导体材料对光的吸收可分：本征吸收、激子吸收、晶格振动吸收、杂质吸收和自由载流子吸收。,13,半导体光电探测器的原理：,无论是直接带隙半导体还是间接带隙半导体，都能制成光电探测器。光于能量较大(Eg)时，将发生本征吸收，而能量大于能带同杂质能级之差时，可观察到杂质吸收、自由载流子吸收。本征吸收、杂质吸收等是半导体吸收光的主要机制，从而构成光电探测器工作的基础。,14,光辐射照射外加电压的半导体。如果光波长满足如下条件，即：,(本征),本征吸收是半导体吸收光的主要机制，从而构成光电探测器工作的基础。,15,图材料吸收系数随波长的变化情况,材料的带隙决定了截止波长要大于被检测的光波波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换。,Si光电二极管的波长响应范围0.51m。Ge和InGaAsPIN光电管的波长响应范围约为11.7m。,16,普通光电二极管(PD),光电二极管作成的光检测器的核心是PN结的光电效应。,17,半导体中的光发射(e)反向偏置的pn结,光电二极管（PD）是一个工作在反向偏压下的PN结二极管，当PN结加反向偏压时，外加电场方向与PN结的内建电场方向一致，势垒加强，在PN结界面附近载流子基本上耗尽形成耗尽区。当光束入射到PN结上，且光子能量hv大于半导体材料的带隙Eg时，价带上的电子吸收光子能量跃迁到导带上，形成一个电子空穴对。,18,在耗尽区，在内建电场的作用下电子向N区漂移，空穴向P区漂移，如果PN结外电路构成回路，就会形成光电流。当入射光功率变化时，光电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电信号。当入射光子能量小于Eg时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，即产生光电效应必须满足：,即存在,这是必要条件，还要满足波长响应度！,19,光电二极管(PD)反向p接-,n接+n区电子n端，p区空穴p端,20,I,当光照射时，光敏二极管处于导通状态=1状态。,当光不照射时，光敏二极管处于截止状态=0状态。,21,降低半导体材料的掺杂浓度可以增加耗尽层的宽度。因此往往在P型材料与N型材料的中间插入一层掺杂浓度十分低的I型半导体材料（接近本征型）以形成较宽的耗尽层。,PIN光电二极管,PIN光电二极管工作原理,22,PIN光二极管中的I区之电场强度远远大于P区与N区中的电场，从而保证了光子载流子的定向运动以形成光电流。,PIN光电二极管工作原理,高场强,23,PIN光电二极管及能带图,反向偏置时，整个I区都为耗尽层，在耗尽层中电场作用下，光生载流子会很快地扫过耗尽层，电子到达n区，空穴到达p区，在外电路上形成光电流。,24,PIN光电二极管动画,25,InGaAsPINPD,PIN光电二极管实例,26,光电探测器结构,27,雪崩光电二极管的结构当耗尽区中的场强达到足够高时，入射光产生的电子或空穴将不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子和空穴在运动过程中与晶格碰撞，使晶体中的原子电离，激发出新的电子空穴对。这些碰撞电离产生的电子和空穴在场中也被加速，也可以电离其它的原子。经过多次电离后，载流子迅速增加，形成雪崩倍增效应。,雪崩光电二极管（APD）,28,APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。下图为一种被称为拉通型APD（RAPD）的结构。层为低掺杂区（接近本征态），而且很宽。当偏压加达到一定程度后，耗尽区将被拉通到层，一直抵达P+层。这是一种全耗尽型结构，具有光电转换效率高、响应速度快和附加噪声低等优点。,雪崩光电二极管的结构,29,P与N+分别为重掺杂的P型材料与N型材料，为近似本征型的材料。当外加反向偏压较低时，它与PIN光二极管相似，即入射光仅能产生较小的光电流。随着反向偏压的增大，其耗尽层的宽度也逐渐增加，当反向偏压增加到一定数值（如100伏以上）时，则耗尽层会穿过P区而进入区形成了高电场区与漂移区。,拉通型APD,耗尽层”拉通”到整个区,30,在高电场区，由入射光产生的空穴电子对在高电场作用下高速运动。由于其速度很快而具有很大的动能，所以在运动过程中会出现“碰撞电离”现象而产生新的二次空穴电子对。同样，二次空穴电子对在高电场区运动又可以通过“碰撞电离”效应产生三次、四次空穴电子对。这样以来，由入射光产生的一个首次空穴电子对，可能会产生几十个或几百个空穴电子对，即所谓“倍增”效应，如图所示。,雪崩光电二极管的原理,31,在漂移区，虽不具有象高电场区那样的高电场，但对于维持一定的载流子速度来讲，该电场是足够的。总之，在同样大小入射光的作用下，由于倍增效应，APD光二极管可以产生比PIN光二极管高得多的光电流。,雪崩光电二极管的原理,32,倍增的高电场区集中在pn+结附近窄的区域内。随着偏置电压的增加，结区的耗尽层逐渐加宽，直到p区的载流子全部耗尽，是p区成为耗尽区。进一步加大偏置电压，耗尽区逐渐扩大，直至“拉通”到整个区。区较宽以提高量子效率。区电场比pn+结区电场低。入射光子在区吸收后建立一次电子空穴对，其中电子在电场作用下向pn+结漂移，并在pn+结区内产生雪崩倍增；一次空穴则直接被P+吸收。,33,APD光电二极管动画,34,如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小.,光敏电阻,35,光电导效应,光电导效应只发生在某些半导体材料中，金属没有光电导效应。1.半导体材料的电导概念：金属之所以导电，是由于金属原子形成晶体时产生了大量的自由电子。自由电子浓度n是个常量，不受外界因素影响。半导体和金属的导电机构完全不同，在0K时，导电载流子浓度为零。在0K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。,36,光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性、很长的使用寿命、高度的稳定性能、小的体积及工艺简单，故应用广泛。,当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。,37,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。因此在导带和满带中维持着一个热平衡的电子浓度n和空穴浓度p，他们的平均寿命分别用和表示。无论何种半导体材料，下式一定成立，即式中ni是响应温度下本征半导体中的本征热生载流子浓度。这说明，在n型或p型半导体中，一种浓度增大，另一种浓度就减少，但绝不会减少到零。,38,式中Eg是禁带宽度，Ei是杂质能带宽度。那么光子将在其中发出新的载流子(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和。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