光电转换器件

第八章光电转换器件第一节光电转换基本原理

光电二极管的物理工作原理IIpRL输出负载电阻偏置电压光电二极管图2.1外加反向偏置电压的pin光电二极管的电路示意图pniw

n导带价带扩散扩散p带隙Eg光子h

>Eg扩散扩散i光生电子光生空穴耗尽区w漂移漂移

光功率检测电流光脉冲电脉冲漂移扩散由光功率输出转换为电流输出,有一时间延迟,其值主要决定了载流子通过耗尽区的渡越时间τtr=w/vs

(漂移运动)光电流存在扩散分量,它与耗尽区外的吸收有关,扩散运动比漂移运动慢得多,载流子作扩散运动的时延检测器后沿脉冲加长,影响光电二极管的响应速度。增加w，减小扩散分量。

（1）最普通的光电二极管是pin光电二极管，如图2.1示，它的p型材料区和n型材料区由轻微掺杂n型材料的本征（i）区隔开。正常工作时，器件上加上足够大的反向偏置电压，本征区的载流子不会完全耗尽，即本征区固有的n和p载流子的浓度非常小和掺杂载流子相比可忽略。

当一个入射光子能量大于或等于半导体的带隙能量时，将激励价带上的一个电子吸收光子的能量而跃迁到导带上，此过程产生自由的电子一空穴对，由于它们是因光而产生的电载流子，故称为光生载流子，如图2.2所示。通常光电二极管的设计使得大部分的入射光在耗尽区吸收，故大部分载流子也在此区域产生。耗尽区的高电场使电子一空穴对立即分开并在反向偏置的结区中向两端流动，然后在边界处被收集，从而在外电路中形成电流。每个载流子对分别对应一个流动的电子，这种电流称为光电流。

当电载流子在材料中流动时，一些电子一空穴对会重新复合而消失，此时电子和空穴的平均移动的距离分别为Ln和Lp，此距离称为扩散长度。电子和空穴重新复合的时间称为载流子寿命，分别记为τn和τP

。载流子寿命和扩散长度的关系可表示为：Ln=（Dnτn）1/2

和Lp=（Dpτp）1/2

（1）

其中Dn和Dp分别是电子和空穴的扩散系数，其单位是cm2/s

。

但在半导体材料中，光功率的吸收呈指数规律，即：

P（x）=P0（1-e-αs(λ)x）

（2）其中αs(λ)

是波长处的吸收系数，αs一般随λ增加而减小；特定的半导体材料只能应用在有限的波长范围内。上限截止波长取决于所用材料的带隙Eg：

（3）

对si，λc=1.06μm；对Ge,λc=1.06μm。如果波长更长，光子的能量就不足以激励一个价带的电子跃迁到导带中。请同学思考:有一个光电二极管是由GaAs材料构成的，在300k时其带隙能量为1.43ev，问它是否能用于1310nm的系统中？

问题:是否波长越短越好呢?在短波长段，材料的吸收系数变得很大，因此光子在接近光检测器的表面就被吸收，电子一空穴对的寿命极短，结果载流子被光电检测器电路收集以前就已经复合了。如果耗尽区宽度为w，据（2）式，在距离w内吸收功率为：

P（w）=P0（1-e-αs(λ)x)

（4）

设光电二极管入射表面的反射系数为Rf，则从（4）式得到初级光电流IP：

（5）

P0是入射光功率，q是电子电荷，hv是光子能量。

（I）量子效率和响应度

光电二极管的两个重要性参数是量子效率和响应速度，这些参数主要由器件材料的带隙能量Eg

,工作波长，p区，i区，n区的掺杂浓度和宽度所决定。量子效率表示每个能量为hv的入射光子所产生的电子一空穴对数，由下式给出：(6)在光电二极管的实际应中，100个光子会产生35～95个电子一空穴对，为30%～95%。为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，使其可以吸收大部分的光子，但耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越（across）反向偏置结的时间就越长。由于载流子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度，所以必须在响应速度和量子效率之间取一折衷。●wvtηη●对Si和Ge等间接带隙半导体材料，为确保值，w的典型值在20~50μm范围，τtr>200ps,响应速度较慢。对InGaAs等接带隙半导体材料，w可减小至3~5μm，若取漂移速度vs

=107cm/s,τtr=30~50ps。若定义带宽为Δf=(2πτtr)-1,Δf=3~5GHz。最佳设计的PIN光电二极管，其Δf=20GHz。w<1μm，其Δf=70GHz,η

和值均较低。InP衬底InGaAs(i)N型InPN+-InP衬底光输入金属电极金属电极4μmInGaAsPIN光电二极管由于InP带隙为1.35eV，λ>0.9μm的光，InP是透明的，而晶格匹配的InGaAs的带隙约为0.75eV其相应的截止波长λc=1.65μm，因而在中间InGaAs层，在1.3~1.6μm内有很强的吸收。

由于光子仅在耗尽区内吸收，完全消除了扩散分量，采用几微米厚的InGaAs，量子效率可接近100%，这种InGaAs光电二极管广泛用于1.3和1.5μm的光接收机中。●光电二极管的性能经常使用响应度来表征。它和量子效率的关系为：

（7）它描述了单位光功率产生的光生电流的大小。随波长及材料带隙不同而不变。对给定材料与给定的波长，是常数；对于给定材料，当入射光的波长越来越长时，光子能量越来越小，当这个能量不足以从价带激发一个电子跃迁到导带上的能量要求时，响应度就会在截止波长处迅速降低，如图6.3示。

响应度波长(μm)图6.3n种不同材料的pin光电二极管的响应度和量子效率与波长的关系曲线

例：如图6.3示，波长范围为1300nm<λ<1600nm，InGaAs的量子效率大约为90%，因此在这个波长范围内响应度为

例如当波长λ

=1300nm

时，有：=7.25×105×1.30×10-6A/W=0.92A/W

●（2）雪崩光电二极管（APD）APD可对尚未进入后面和放大器的输入电路的初级光电流进行内部放大。在高场区，光生电子或空穴可以获得很高的能量，因此它们高速碰撞位于价带的电子,使之产生电离，从而激发出新的电子---空穴对，这种载流子倍增的机理称为碰撞电离。雪崩效应：新产生的载流子同样由电场加速，并获得足够的能量从而导致更多的碰撞电离产生，此现象称雪崩效应。当偏置电压高于击穿电压时，产生的载流子迅速增加。

●拉通型APD（RAPD）：把一种高阻的p型材料作为外延层而沉积在p型重掺杂材料上，然后在高阻区进行p型扩散或电离掺杂，最后一层是一个n+（n型重掺杂）层。π层主要是少量p掺杂的本征材料，此结构称为p+πpn+型结构，如下图示。wm耗尽区p+i(π)pn+电场雪崩区雪崩电离所需的最小电场

●RAPD工作原理：当加上一个较低的反向偏置电压时，大部分的电压降在pn+结上，增加电压，耗尽区宽度也将增加，直到加到pn+结上的峰值电场低于雪崩击穿所需电场的5%～10%才停止，此时耗尽区正好拉通到整个本征区，故RAPD工作于完全耗尽的方式。光子从p+区进入，并在π处被吸收，π区就是收集光生载流子的区域。光子被吸收后产生的电子—空穴对立即由π区的电场分开，然后通过π区漂移到pn+区，pn+结上的高电场使得电子产生雪崩倍增。

APD的响应度定义如下：是pin光电二极管的响应度。

●光检测器噪声为了检测到最小可能的信号，必须对光检测器和它随后的放大器进行最优化设计，以此来保证一定的性噪比。光接收机输出端的信噪比S/N定义为：S/N=光电流信号功率/（光检测器噪声功率+放大器噪声功率）（10）为了得到较高的信噪比，可采取以下措施：●光检测器必须要有很高的量子效率，以产生较大的信号功率；●使光检测器和放大器噪声保持尽可能低的值。●光纤通信系统中检测器灵敏度用“最小可接收功率”来描述，是指产生和噪声电流均方根大小相同的光电流所需的光功率，此时信噪比为1。

●光电二极管的脉冲响应当检测器受到阶跃光脉冲时，响应时间可使用检测器输出脉冲的上升时间（τr）和下降（τf）时间来表示，对全耗尽型光电二极管τr=τf

；当偏置电压较低时，τr≠τf，光电二极管不是全耗尽型的，光子的收集时间就成为影响上升时间的重要因素了。在n区和p区产生的载流子要经过一个缓慢的扩散时间才能达到耗尽区并经历分离和吸收。

为获得较高的量子效率，耗尽区宽度必须大于1/αs，这样才能吸收大部分的光。图5.4（b）所示为一个低电容、耗尽区宽度w>>1/αs

的光电二极管对矩形输入脉冲的响应，它的上升与下降时间与输入脉冲较一致；如果光电二极管电容较大，那它的响应时间就会受RL和Rc时间常数所限制，其脉冲响应如图5.4（c）;如耗尽区宽度太窄，则非耗尽材料产生的任何载流子在被吸收以前不得不扩散到耗尽区，所以窄耗尽区的器件会有明显不同的慢速和快速响应分量，如图5.4（d）。

●图5.4在不同的检测器参数条件下，光电二极管的脉冲响应

请同学思考：上升时间的快速分量起源于？（耗尽区产生的载流子）；而慢速分量则源于？（耗尽区边界Ln处的载流子的扩散）在光脉冲的后沿，耗尽区的光脉冲吸收很快，所以在下降时间里产生了快速分量，而在非耗尽区载流子的扩散造成了脉冲后沿的一个很慢的延迟拖尾。结电容Cj：

(26)εs：半导体材料介电常数；

A=扩散层面积。

设RT是负载电阻和放大器输入电阻的组合，CT是光电二极管结电容和放大器输入电容之和，如前面图6.5示，则此检测器可近似为一个RC低通滤波器，其带宽为

InGaAsAPD结构（1）为改善InGaAs

APD结构，采用了多种多样复杂的器件结构，其中一种广泛应用的结构就是吸收和倍增分离（SAM，separate－absorption－and－multiplication）的APD，如图6.8示，这种结构在吸收区和倍增区使用了不同的材料，每个区为了一个特殊的功能进行了最佳化的设计。光从InP衬底进入APD，由于这种材料的带隙能量较大，使长波长的光透射过去而进入InGaAs吸收区，并产生电子一空穴对。倍增区InP层中有很高的电场但没有隧道击穿。

InP衬底InP缓冲层InGaAs吸收层InP倍增层光输入金属电极金属电极图6.8SAMAPD结构简单图（各层未按实际比例）

SAM结构的其它形式包括对器件增加一些其它的层区：●在吸收层和倍增层之间加入一个渐变层来加快响应时间，增大器件带宽；●增加一个电荷层，以便更好地控制电场分布；●加入一个谐振腔，去除耦合，提高量子效率和增大带宽。

（2）超晶格结构倍增区大约为250nm厚，比如由13层9nm厚的InAlGaAs量子阱和12层12nm厚的InGaAs垫垒交错而成，此结构提高了InGaAs

APD的响应速度和灵敏度，可用在10Gb/s的长距离通信系统中。

图5.5通过光数据链路的信号路径光接收机数字信号传输

传输信号是一个两电平的二进制数据流，在持续时间为Tb的时隙内不是0就是1，这个时隙称为一个比特周期。在电域中，对于给定的数字信息有许多种发送方法，其中一种最简单发送二进制码的方法是幅移键控，即对一个二值电压进行开或关的切换，所得到的信号波形由两个幅度分别为V和0的电压脉冲组成，幅度为V的电压脉冲对应于二进制码中的信号1，后者对应于信号0，为简单起见，设发送一个1码时，有一个持续时间为Tb的电压脉冲；对应于0码，电压保持在零值。

光发送机的功能是把一个电信号转换一个光信号，电流i(t)可用来直接调制光源以产生光输出功率P（t）；光发送机产生光信号时，持续时间为Tb的光能量脉冲代表1码，没有光发出时代表0码。从光源耦合到光纤的光信号沿光纤玻璃传输时发生衰减和失真，到达接收机时，光信号转换为电信号，再经放大和滤波以后，判决电路把每个时隙的信号值和一个特定的参考电压或阈值电压进行比较，如果接收信号值大于阈值，则判定接收到一个1码，如小于阈值，则判定为0码。光电转换器件是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。

第一节

概述第二节

外光电效应器件第三节

内光电效应器件第四节

新型光电转换器件第五节

光敏传感器的应用举例三、光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电转换器件的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类1、外光电效应

在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hνh—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。根据能量守恒定理

式中m—电子质量；v0—电子逸出速度。

该方程称为爱因斯坦光电效应方程。光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2

，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。

当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：

（1）光电导效应

在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。2、内光电效应过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限λ0，只有波长小于λ0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即图2光电导元件工作示意图图2为光电导元件工作示意图。图中光电导元件与偏置电源及负载电阻RL串联。当光电导元件在一定强度的光的连续照射下,元件达到平衡状态时,输出的短路电流密度为

（2）光生伏特效应

在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。

基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。

①势垒效应（结光电效应）。

在接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。

以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。

②侧向光电效应。

当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（PSD）。包含光-热、热-电,两个阶段的信息变换过程。光-热阶段是物质吸收了光以后温度升高,热-电阶段是利用某种效应将热转变为电信号。热释电效应就是这种效应之一