半导体光检测器

1、光检测器,讲 义 武汉大学 电子信息学院 何对燕,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,2,1.光检测器（photodetector）,将光信号转换为电信号； 有两种：半导体PIN光电二极管（PIN-PD）； 半导体雪崩光电二极管（APD-PD）； 都是光伏型-结型二极管。 组合： 场效应管（FET）； PIN-FET； APD-FET；,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,3,2.半导体PN结的光电效应,未加电压的p-n结耗尽层（势垒区）。,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,4,2.半导体PN结的光电效应(续）,光照hfEg（光吸收）电子受激跃迁,00-10-10,武汉大学

2、 电子信息学院,5,2.半导体PN结的光电效应(续）,漂移运动：耗尽层内在内建电场作用下，空穴P区；电子N区；在PN结边缘被收集。 扩散运动：耗尽层边缘，P区光生电子N区； N区光生空穴P区；少数载流子被多数载流子复合。 光生伏特效应： P区过剩空穴积累+； N区过剩电子积累-；外电路产生光电流（耗尽层内也产生光生伏特效应）。,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,6,2.半导体PN结的光电效应(续）,光吸收区：吸收入射光子并产生光生载流子的区域； 作用区：耗尽层两侧载流子扩散长度； 在作用区内，光生少数载流子的扩散速度较慢，影响光生伏特效应，光电响应速度慢。,00-10-10,武汉大学

3、电子信息学院,7,2.半导体PN结的光电效应(续）,加宽耗尽层，尽量吸收入射光子； 负偏压有助于加宽耗尽层，与内建电场方向一致，加强了漂移运动，载流子向两极运动，并被中和； 减小P区和N区的厚度来减小载流子的扩散时间， 降低半导体的掺杂浓度来加宽耗尽层；,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,8,3.半导体PIN光电二极管,PIN光电二极管：本征半导体或低掺杂半导体（I层）； P层和I层形成PN结，I层有较高的电阻，电压基本上落在I层，使得耗尽层加宽； 耗尽层宽度与响应速度和量子效率矛盾，要进行优化。,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,9,3.半导体PIN光电二极管(续）,00-1

4、0-10,武汉大学 电子信息学院,10,3.半导体PIN光电二极管(续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,11,3.半导体PIN光电二极管(续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,12,3.半导体PIN光电二极管(续）,几种制作光检测器的半导体材料吸收系数随波长的变化情况,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,13,3.半导体PIN光电二极管(续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,14,3.半导体PIN光电二极管(续）,光电二极管可视为电流源，Cd为结电容，Rs为串联电阻，Rl为跨接电阻； 光电二极管的响应速度由电容Cd和负载电阻决定，一般厂家给出负载电阻为50

5、时的响应曲线。,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,15,3.半导体PIN光电二极管(续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,16,3.半导体PIN光电二极管(续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,17,3.半导体PIN光电二极管(续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,18,3.半导体PIN光电二极管(续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,19,3.半导体PIN光电二极管(续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,20,3.半导体PIN光电二极管(续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,21,4.PN结雪崩二极管(APD）,碰撞电离：反

6、向偏压增加耗尽层电场增加光生载流子加速与半导体晶格碰撞原子电离； 雪崩倍增效应：多次碰撞电离载流子迅速增加电流迅速增加；,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,22,4.PN结雪崩二极管(APD）(续）,耗尽层被拉通到P区，I区电场较弱；NP区电场较强，雪崩区较窄，不能充分吸收光子；耗尽区较宽可充分吸收光子；提高了光电转换效率。,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,23,4.PN结雪崩二极管(APD）(续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,24,4.PN结雪崩二极管(APD）(续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,25,4.PN结雪崩二极管(APD）(续）,00-

7、10-10,武汉大学 电子信息学院,26,4.PN结雪崩二极管(APD）(续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,27,4.PN结雪崩二极管(APD）(续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,28,4.PN结雪崩二极管(APD）(续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,29,5.光电探测器特性,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,30,6.PIN-FET,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,31,7.光发射机,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,32,8.光接收机,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,33,8.光接收机(续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,34,8