半导体探测器

半导体探测器第八章8.1光的吸收8.2p-n结光电二极管工作原理8.3PIN型光电二极管8.4探测器量子效率和响应度8.5异质结的窗口效应8.6异质结中的光电流8.7AlGaN基深紫外光探测器简介

探测器的种类？响应度？p-np-i-n探测器中的光电流的主要来源？异质结的窗口效应？第一页，共三十九页。OpticalSpectrum第二页，共三十九页。半导体探测器的应用第三页，共三十九页。电子的跃迁初态到终态的跃迁纯净半导体吸收边通常把吸收限附近的吸收谱称为吸收边。它相应于电子由价带顶附近到导带底附近的跃迁。禁带宽度Eg光吸收过程Cut-offwavelengthvs.Energybandgap（8.1）Absorptioncoefficient（8.2）吸收系数8.1光的吸收第四页，共三十九页。直接跃迁和间接跃迁IfKiswavevectoroflatticewave,thenħKrepresentsthemomentumassociatedwithlatticevibrationħKisaphononmomentum.直接带材料的吸收系数比间接带材料陡峭得多，这是由于直接带隙中有更高的跃迁速率，因此在同样的光子能量下，吸收系数更大、亦即光穿透深度更小。第五页，共三十九页。第六页，共三十九页。1WhatisaPhotodetector?•Convertslighttoelectricalsignal–Voltage–Current•Responseisproportionaltothepowerinthebeam第七页，共三十九页。Howitworks?第八页，共三十九页。2p-n结光电二极管原理第九页，共三十九页。SiO2Electrodernet–eNaeNdxxE(x)REmaxe–h+Iphhv

>EgWEnDepletionregionARcoatingVrElectrodeVoutp+PD由一pn结组成，在入射光作用下，吸收区中产生电子-空穴对。pn结在外加反向偏置电压的作用有一耗尽层，电子和空穴在该区中以漂移速度分别向两端运动，在扩散区中它们则作扩散运动。在外回路上形成光电流，在负载R上产生一定的压降，从而探测出光信号。第十页，共三十九页。当光照射在pn结部位时，由于光吸收使电子由价带激发到导带，分别在导带和价带生成电子和空穴。这些电子和空穴，在pn结区域耗尽层存在的内建电场的作用下，分别向n型区域和p型区域移动。这时，如果将p型区域和n型区域用外电路将其短路的话，外部电路就有由这些载流子产生的光电流。第十一页，共三十九页。8.3PIN型光电二极管一般pn型PD有两个缺点：（1）结电容不够小。RC常数限制。（2）对于pn结而言，耗尽层太窄，耗尽层一般为几个微米，长波长时，穿透深度可能大于耗尽层和宽度，造成耗尽层外的吸收。光在耗尽层外被吸收有两个缺点：光电转换的效率低，光电响应速度慢。解决的办法：加宽耗尽层，让光子尽可能在耗尽层内被吸收。给p-n结加反向偏压本身有助于加宽耗尽层；通过降低某一个区域半导体的掺杂浓度也可以加宽耗尽层。在光通信中用的较多的PIN光电二极管即利用此原理。在p-n结外产生的光生载流子需要经过一段时间扩散才能进入结区。慢速扩散过程，附加的时延使检测器输出电流脉冲后沿的拖尾加长，影响光电二极管的响应速度。第十二页，共三十九页。第十三页，共三十九页。第十四页，共三十九页。在p和n之间有一未掺杂i区。由于掺杂浓度低，材料接近本征，在外加反偏置电场作用下，整个i区都为耗尽层。光生载流子在电场作用，会很快地扫过耗尽层而分别到达p区或n区。在外电路上形成光电流，其响应速度也就大大地得到了提高。第十五页，共三十九页。PhotodetectorsThepinPhotodiodeSmalldepletionlayercapacitancegiveshighmodulationfrequencies.HighQuantumefficiency.SiO2Schematicdiagramofpinphotodiodep+i-Sin+Electrodernet–eNaeNdxxE(x)RE0e–h+Iphhu

>EgWVrVoutElectrodeEIncontrasttopnjunctionbuilt-in-fieldisuniform第十六页，共三十九页。Inap–nphotodiode,Theelectricfieldinthedepletionlayerisnotuniform.ap–i–ndiodehasthefollowingtwoimportantcharacteristics:Thedepletionlayerisalmostcompletelydefinedbytheintrinsicregion;theelectricfieldinthedepletionlayerisuniformacrosstheintrinsicregion第十七页，共三十九页。

Electricfieldofbiasedpin

JunctioncapacitanceofpinPhotodetectorsThepinPhotodiodeSmallcapacitance:HighmodulationfrequencyRCdep

timeconstantis

50psec.

Responsetime

Thespeedofpinphotodiodesareinvariablylimitedbythetransittimeofphotogeneratedcarriersacrossthei-Silayer.Fori-Silayerofwidth10m,thedrifttimeisaboutisabout0.1nsec.第十八页，共三十九页。

Driftvelocityvs.electricfieldforholesandelectronsinSilicon.102103104105107106105104Electricfield(Vm-1)ElectronHoleDriftvelocity(msec-1)第十九页，共三十九页。(3)响应时间影响探测器的响应时间的因素有三个：耗尽层中光生载流子的渡越时间耗尽层外光生载流子的扩散时间光电探测器及有关电路的寄生电容引起的RC时间常数。耗尽层中载流子的渡越时间为：

W和vd分别为耗尽层厚度和载流子的漂移速度。td在决定探测器的响应速度中起主导作用。例如光电二极管中，耗尽层厚10m，电场强度约2104V/cm时，电子和空穴的极限速度分别可达8.6106cm/s和4.4106cm/s。因此，响应时间的极限为0.1ns.扩散过程比漂移过程慢许多。为了获得高的量子效率，耗尽层的宽度必须比穿透深度（即吸收系数的倒数1/）大得多，以便吸收大部分光线。第二十页，共三十九页。AlargedireducestheRCtimeconstantofthedevicebyreducingCi,butitincreasesthetransittimeτtrThetransittimecanbeoptimizedwithachosenW.BecauseCicanbereducedbyreducingthedevicearea,ap–i–nphotodiodenormallyhasanintrinsicregionthathasathicknesschosentooptimizethequantumefficiencyandthetransittime.Forahigh-speedp–i–nphotodiode,thedeviceareaismadesmallenoughthattheRCtimeconstantisnotalimitingfactorofitsfrequencyresponse.第二十一页，共三十九页。第二十二页，共三十九页。（8.4）探测器量子效率和响应度（1）量子效率和响应速率量子效率是能量为的每一个入射率光子所能产生的电子空穴的数量。所谓响应度，指的是光生电流同入射光功率之比：该式表明响应度同量子效率成正比，即能量h一定时，R随着线性增加。第二十三页，共三十九页。EcEvhv<Egn

的入射光子可以透过宽禁带的n型层而主要在禁带较窄的p型层中被吸收，宽禁带材料对Hv<Egn的光起一个窗口作用。Alarge-gaphomogeneousregion,whichcanbeeitherthetopp+regionorthesubstratenregion,servesasaWindowfortheopticalsignaltoenter.Thesmallbandgapoftheactiveregiondeterminesthethresholdwavelength,λth,ofthedetectoronthelong-wavelengthside,Thelargebandgapofthehomogeneouswindowregionsetsacutoffwavelength,λc,ontheshort-wavelengthside.8.5异质结的窗口效应第二十四页，共三十九页。第二十五页，共三十九页。8.6异质结中的光电流电流包括4部分：（1）耗尽层中的光生电子流，（2）耗尽层中的光生空穴流；（3）p型层中的扩散流（4）n型层中的扩散流LonglMediumlShortlP-njunctionDriftDiffusionAbsorptionEHPCurrent第二十六页，共三十九页。x1d1d2x2p耗尽层N耗尽层12电流包括4部分：（1）耗尽层中的光生电子流，（2）耗尽层中的光生空穴流；（3）p型层中的扩散流（4）n型层中的扩散流第二十七页，共三十九页。x1d1d2x20第二十八页，共三十九页。1透过d2区域2在x1区域吸收3内建场作用下的漂移x1d1d2x2第二十九页，共三十九页。边界条件：x=x1:Dn=0(到达空间电荷区边界立刻被电场拉走。）X->∞,

Dn=0

第三十页，共三十九页。窄带区对电流的总贡献：第三十一页，共三十九页。x2d221d1x1x2d2宽带区的空穴产生率：宽带N区中空间电荷区里产生的空穴对光电流的贡献：第三十二页，共三十九页。边界条件：X=d2-x2:Dp=0(到达空间电荷区边界立刻被电场拉走。）S为表面复合速度，流向表面的扩散流等于表面的复合速率x2d2第三十三页，共三十九页。(8.18)8.13(8.19)(8.20)第三十四页，共三十九页。透过透过宽带被窄带吸收，产生光电流J1=J11+J12光子能量增加首先被宽带吸收，透过的光子被窄带吸收。吸收集中在宽带的表面。x1d1d2x2第三十五页，共三十九页。第三十六页，共三十九页。它具有隐蔽性好、虚警率低、