半导体光电子器件-半导体光电探测器

半导体光电子器件§4.1光电导效应与器件的基本结构§4.2光电探测器的基本参数§4.3光电探测器的噪声来源与参数§4.4光电二极管的基本结构与工作机制§4.5光电二极管的等效电路§4.6pin光电二极管§4.7异质结与肖特基光电二极管§4.8雪崩光电二极管§4.9光电晶体管与光敏场效应管半导体光电探测器§4.1光电导效应与器件基本结构普通的光电探测器基本上有三个过程：（1）入射光产生载流子；（2）通过任何一种电流增加机构造成载流子输运或者倍增；（3）电流与外电路相互作用提供输出信号。一、光电导效应二、光电导器件基本结构光生载流子产生率光生载流子浓度的变化关系§4.1光电导效应与器件基本结构η为量子效率f(x)??xHWLV三、光电流与暗电流1.光电流§4.1光电导效应与器件基本结构f(x)??提高Ip措施总光电流强度xHWLV三、光电流与暗电流2.暗电流§4.1光电导效应与器件基本结构xHWLV

与光电流对应的暗电流，是指在无光的黑暗环境下对光电探测器施加一定的偏压，探测器输出的电流值。光电探测器的暗电流越大，噪声功率就越大，探测能力就越弱，所以暗电流对设备的灵敏度影响很大。对于光电导型的探测器，暗电流的大小主要取决于材料本身的电导率和偏压。由于较大的暗电流会带来较严重的噪声问题，从实际应用的角度来讲，通常希望光电探测器的暗电流尽可能的小。

一、光电导与光电流灵敏度1.光电导的灵敏度§4.2光电探测器基本参数光电导的灵敏度通常定义为单位入射光所产生的光电导率N为光子数仅有光生电子和仅有光生空穴的情况下，其灵敏度分别为有时也用光电导同暗电导的比值来表示光电导的灵敏度n0和p0越小，光电导灵敏度越高，所以应采用高阻低温材料做光电导元件。

一、光电导与光电流灵敏度2.光电流灵敏度§4.2光电探测器基本参数光电流灵敏度定义为光电流与入射光功率的比值二、光电导量子效率与增益1.光电子量子效率§4.2光电探测器基本参数量子效率是体现光电探测器的转换能力的一个性能参数理想情况下的外量子效率为量子效率与灵敏度之间存在联系一个光生载流子对外电路贡献的载流子数。

考虑二点：复合，寿命载流子存在寿命，动态平衡光生载流子形成一定分布；一端流出，另一端补充，直至载流子复合；寿命期间向外电路提供的载流子数，即增益：二、光电导量子效率与增益2.光电导增益§4.2光电探测器基本参数ptItI00.37I00.63I0三、光电导弛豫§4.2光电探测器基本参数1.响应时间（响应速度）上升时间和下降时间之和被称为光电探测器的时间常数三、光电导弛豫§4.2光电探测器基本参数2.光谱响应光谱响应特性是光电导的一个重要性能指标决定着光电导的应用范围和灵敏度光电导的光谱响应范围是由它的跃迁类型所决定的某波长光波响应度与灵敏度表达式一、噪声来源§4.3光电探测器噪声参数

噪声的来源多种多样，所有的光电探测器都会产生噪声，有些来自大自然，有些来自器件本身，还有些来自应用环境，无论来自哪里，都会对光电探测器的性能产生一定的影响。

研究表明热噪声、闪烁噪声、散粒噪声和产生-复合噪声是其内部噪声的主要部分。特点：随机，不可预测；统计平均值为0。表征：均方值（方均值）表述。一、噪声来源1.噪声表征均方值（方均值）表述总噪声：tt§4.3光电探测器的噪声来源与参数一、噪声来源§4.3光电探测器的噪声来源与参数2.热噪声载流子无规则热运动（白噪声）热噪声均方振幅电压值可表示为电流均方值为热噪声的功率谱密度为3.散粒噪声散粒噪声均方振幅电压值可表示为电流均方值为功率谱密度为热电子的随机发射产生的噪声，称为散粒噪声，也被称为散弹噪声一、噪声来源4.产生-复合噪声均方振幅电压值可表示为电流均方值为电子-空穴对的产生与复合是随机起伏的，产生-复合噪声的实质是散粒噪声，然而为了突出产生与复合两个要素的作用，将其称作产生-复合散粒噪声，简称为产生---复合噪声5.闪烁噪声功率谱密度为电流均方值为闪烁噪声是由负极表层部分的不均匀，产生随机激发的电子，它是频率范围在1KHz以内的低频噪声，也称为低频噪声和1/f噪声§4.3光电探测器的噪声来源与参数一、噪声来源6.光子噪声电流均方值为光子噪声指光子在传输过程中的起伏，引起光生电流的起伏所产生的噪声7.等效噪声带宽§4.3光电探测器的噪声来源与参数二、光电探测器噪声参数1.等效噪声功率-NEP

等效噪声功率是指当光电探测器的信噪比等于1时入射光信号的功率大小，它反映了光电探测器噪声电压的大小及其探测微弱信号的能力。

即探测器输出的光信号电流等于噪声电流时的光功率。单位面积上的辐射光功率，也就是噪声等效功率与光电探测器靶面积的比值§4.3光电探测器的噪声来源与参数二、光电探测器噪声参数2.归一化探测率人们采用NEP的倒数来表示探测能力，越大则探测器的灵敏度越高

§4.3光电探测器的噪声来源与参数§4.4光电二极管的基本结构与工作机制

功能：将光信号转换成电信号的pn结二极管。类型：光电二极管(常规pn结型)；

pin光电二极管；雪崩光电二极管；金属-半导体(势垒接触)光电二极管；光电晶体管(双极型、单极型)。原理：光生载流子定向运动；光生载流子区域----

中性区、扩散区、空间电荷区。一、光电二极管的基本结构

在外加反向偏压和内建电势共同产生的电场作用下，电子向n区漂移，空穴向p区漂移，从而在外电路中产生电流，即为光生电流。吸收入射光子而产生光生载流子的区域，称为吸收区。高速工作时，耗尽区必须保持很薄以缩短渡越时间；为了增加量子效率（每个入射光子产生的电子--空穴对数目），耗尽区必须足够厚，在响应速度和量子效率之间应取折中。

§4.4光电二极管的基本结构与工作机制二、光电二极管的工作机制pn结反偏；光生载流子构成输出电流。

对光生电流有贡献区域?

光生电流与光电池是否相等？光生电流是否常数(理想)?

所有光生载流子区一般不等一般常数§4.4光电二极管的基本结构与工作机制三、光电二极管的量子效率

量子效率表示一定的入射光子能获得的电流大小。即量子效率表示入射一个光子得到的载流子数目

波长大于本征吸收波长的光几乎不会引起光的吸收，所以量子效率是零。对于短波长的光来说，吸收几乎发生在表面的附近，在没有到达耗尽层被电场分离之前就被大量复合，量子效率降低。

响应时间是指探测器将入射光辐射转换为电输出的弛豫时间。主要由三部分组成：光生少数载流子电子在吸收层的扩散时间；电子在耗尽层的电场下漂移时间；由结电容和负载电阻所决定的电路时间常数

光电二极管响应速度不仅由电子空穴的迁移时间、结的电容量所决定，也和p层、n层内产生的载流子的扩散时间有关。一般说来，耗尽层厚则迁移时间变长；耗尽层薄会使结电容量增加，响应特性变差§4.4光电二极管的基本结构与工作机制§4.5光电二极管的等效电路一、直流等效电路光生电流

IL=If=C二极管电流If1.开路2.

短路IfI光生电流

IL=C二极管电流输出电流

I

=IL

3.

负载IfIRL光生电流

IL=C二极管输出电流

I

=If

+IL

？§4.5光电二极管的等效电路一、直流等效电路Rsh

RSRL非理想情况§4.5光电二极管的等效电路二、交流等效电路影响？RSRshRjCjRL反偏，pn结电阻可略：CjRLRLVCC光生电流与pn结反向电流叠加VI太阳电池§4.5光电二极管的等效电路三、I-V特性（直流）1.

量子效率2.

频率响应见pin光电二极管见pin光电二极管缺点：表面反射，表面复合—影响效率寄生电阻，结电容，扩散与中性区—影响频率

信噪比

结构措施§4.5光电二极管的等效电路四、光电二极管的静态工作点影响因素：扩散时间（扩散区）

10-9S

漂移时间（势垒区）

10-11S

结电容延迟时间10-9S

§4.6pin型光电二极管一、pin型光电二极管结构-n+-Si+p-pin是在高掺杂p区和n区之间有一本征层（i区）的二极管。本征层很难实现，通常用高阻

p-型层或高阻n-型层代替：

pp-n---pπn;pn-n---pνn图(a)---结构斯示意图

(b)---杂质分布。pin:负电荷在p区侧，正电荷在n区侧pp-n---pπn:负电荷在p区侧和p-，正电荷在n区侧pn-n---pνn:负电荷在p区侧，正电荷在n区侧和n-电荷分布电场分布pinpp-npn-n§4.6pin型光电二极管二、pin型光电二极管电场分布击穿电压高：储存时间（电荷消失时间）短：εm--临界击穿电场τ—少数载流子寿命(IR>If)P+P-nP+P-nWinn-P+WiP+nQ0常规单位面积势垒电容近似常数：§4.6pin型光电二极管三、

基本特性对光电流贡献区域：

中性区

扩散区

本征区n+-Si-+pppnP

(1-R)exp(-αx)W通过调制本征区宽度：

提高量子效率；提高频率响应特性。§4.6pin型光电二极管四、工作机制？？可略即希望光生载流子在本征区-§4.6pin型光电二极管五、量子效率？？提高η和f

希望光子在本征区吸收p反射层n-+P型宽带反射层N型宽带-+折射率半绝缘InPp+-InPp+-InGaAsPi-InGaAsn+-InGaAsP优点：1、效率高；2、响应快折射率#利用异质结改善性能？▲结构考虑（改善表面复合）一、异质结光电二极管异质结光电二极管还具有以下特点：1.可以让被检测光子与电子的相互作用主要发生在窄带侧，以有效改善表面吸收效应，提高转换效率；2.通过对窄带侧材料的选择与优化，实现探测器的探测波长选择；3.异质结就有较高载流子发射效率，因此其暗电流小。§4.7异质结与肖特基光电二极管工作原理与前述光电二极管相同优点：

1.势垒区在表面，有效改善高能光子产生的电子-空穴对的表面复合—转换效率提高；

2.电容小速度高。

++++++++++++++++++++++++++++++E#如果采用金属-本征-n+(或p+)器件性能会如何？n-Si-+§4.7异质结与肖特基光电二极管二、肖特基光电二极管#金属-本征-半导体势垒区宽—效率高；响应速度快。++++++++++++++++++En+-Si-+---------§4.7异质结与肖特基光电二极管一、基本结构示意图p+-pn+n++-npp+金-半结p+nn++p+-p-n+nnp+-+pn+nn+θp+nE-θpn+EE§4.8雪崩光电二极管(APD)器件偏置于临界雪崩状态；

光生载流子渡越空间电荷区雪崩倍增。

输出载流子获得增益。优势：有增益；噪声低§4.8雪崩光电二极管(APD)二、工作原理雪崩倍增输出光电流与雪崩倍增前光电流比一般取100左右VRR雪崩击穿电压M