光电子器件 论文 结型光电探测器Word文档下载推荐.docx
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正文：
光生伏特效应是两种半导体材料或金属、半导体相接触形成势垒，当外界光照时，激发光生载流子，注入到势垒附近，形成光生电压现象。
光生伏特效应属于内光电效应。
利用光生伏特效应制成的光电探测器叫做势垒型光电探测器。
势垒型光电探测器是对光照敏感的“结”构成的，故也称结型光电探测器。
根据所用结的种类不同，结型光电探测器可分为PN结型、PIN结型、异质结型和肖特基势垒型等。
最常用的器件有光电池、光电二极管、PIN管、雪崩光电二极管、光电三极管和光电场效应管等。
势垒型光电探测器的应用十分广泛，广泛应用于广度测量、光开关报警系统、光电检测、图像获取、光通信、自动控制等方面。
一、光电池
1、用途
光电池是根据光生伏特效应制作的器件。
其用途有两个：
（1）因在光照下能产生光生电压，可作电源用，即常说的太阳能电池。
做电源用时要求其效率高、成本低、寿命长，便于与其它的能源竞争。
（2）作为光电探测器用。
优点是工作时不需要外加偏压，接收面积大。
要求其线性好，灵敏度高，光谱响应范围合适，响应时间短，能满足使用要求。
目前生产的光电池材料有硅、锗、硒、砷化镓等，用的最多的是硅光电池（在可见光区），锗的光谱响应在红外。
P1、太阳能路灯P2、太阳能房屋
2、结构
硅光电池因所用基片的导电类型不同分为两种类型：
2CR和2DR型2CR：
在n型硅上扩散三族元素硼，作成很薄的p型层；
2DR：
在p型硅上扩散五族元素磷，作成很薄的n型层。
都可以形成p-n结，区别只在于导电类型不同。
为了使输出电流增大，硅光电池的受光面积尽可能做得大些。
上电极为栅状透明电极，以增加透光量，减小电极与光敏面的接触电阻。
衬底下面的电极称为下电极或背电极，用Al材料。
为了减少光的反射，在受光面上镀有SiO2或其它介质材料的增透膜，其透过率与材料的折射率、厚度及波长有关，另外还起到防潮、防腐蚀的保护作用。
3、特性
（1）光电特性
光电特性是指输出光电流和光电压与入射光功率的关系。
光电池的短路电流和开路电压为
短路电流
与Ps成正比
开路电压
与Ps成对数关系
短路电流和开路电压与入射光功率的关系曲线：
（2）伏安特性
当外接负载时，伏安特性曲线如右图。
曲线在横轴上的截距代表某一光强下的开路电压，在纵轴上的截距代表短路电流。
在曲线的拐弯处，电流与电压的乘积最大，即此时光电池的输出功率最大，所以负载RL应选在曲线的拐弯处。
硅光电池的开路电压不能大于p-n结热平衡时的接触电势差，一般在0.45~0.6V之间。
（3）主要参数（硅）
光谱范围：
0.4~1.1μm,λp=0.8~0.9μm,τ=10-5~10-6s,Vs=450~600mV,is=16~30mA
二、p-n结光电二极管
光电二极管与光电池基本结构相同，其主要区别是结面积小，频率特性好，但输出电流小，只有几μA到几十μA，而且要在反向偏压下工作。
制作光电二极管的材料有很多，如：
Si、Ge、GaAs、InGaAs,GaAsP,InGaAsP等，日常使用最广泛的是硅光电二极管，而在光通信系统中则选用后几种材料。
1、结构
按衬底的导电类型不同，硅光电二极管也分为两种系列：
2CU型：
以n-Si为衬底，有两个引出线：
前极和后极2DU型：
以p-Si为衬底，有三个引出线：
前极、后极和环极
在2DU管子上加环极的原因：
SiO2膜中常含有少量的钠、钾、氢等正离子，由于SiO2是电介质，因此正离子在SiO2中不能移动，但由于静电感应，可使p-Si表面产生一个感应电子层，称为反型层，其导电类型与n-Si相同，因此在表面无耗尽层或很窄。
当二极管加反向偏压时，其暗电流中含有通过表面感应电子层产生的漏电子流，使暗电流增大。
为了减小暗电流，在n区外围设置一个n+环，从其上引出电极，所加电位高于前极，使得表面漏电子流不经过负载直接到达电源，可达到减小暗电流和噪声的目的。
用法：
在使用时，如果环极悬空，除了暗电流和噪声大以外，其它性能不受影响。
2CU管虽然也有感应电子层，但导电类型与p型硅相反，所以不用加环极。
2、工作原理
p-n结光电二极管原理示意图
依据p-n结光电导效应。
器件两端外加反向偏压，入射光从P侧进入，被半导体材料吸收，产生电子一空穴对。
结区内和其附近产生的光生载流子受电场的作用漂移过结，形成光电流。
不加电压时相当于光电池。
加正向偏压时，与普通的二极管一样，只有单向导电性，表现不出它的光电效应。
（1）伏安特性
光电二极管的外电路电流为：
i=id＋is
id：
暗电流，等于二极管反向饱和电流；
is：
光电流。
在低反向偏压下，光电流随电压变化非常明显，原因是反向偏压增加，使耗尽层加宽，结电场增强，引起光在结区的吸收率和光生载流子的收集效率增大。
当反向偏压进一步增加时，光生载流子的收集已达极限，光电流趋于饱和。
这时，光电流与反向偏压几乎无关，而仅取决于入射光功率。
（2）光电特性
在较小负载电阻下，is~ps曲线为线性。
（3）参数（硅光电二极管）
电流响应度Rv=0.4~0.5μA/μW量级；
光谱响应：
可见光—近红外，0.8-0.9μm响应度最高。
（4）噪声
主要是热噪声和散粒噪声
R主要由负载RL决定。
（5）频率特性
光电流输出相对于光功率输入有时间迟后，其值主要决定于载流子通过耗尽区的渡越时间
w为耗尽区宽度，v为平均漂移速度，典型值为w=10μm，v=107cm/s,tD≈100ps，很小，因而p-n结光电二极管能检测1Gb／s的数字光脉冲。
在光通信系统中要求光电流的响应时间愈短愈好。
p-n结光电二极管响应频率的限制因素：
在耗尽区外光吸收产生的载流子对光电流的影响。
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。
不利因素：
1）结区以外的电场很小，可视为无场区。
光生载流子在这些区域扩散速度很慢，到达结区需要很长的时间，与p-n结内的光生载流子形成时间差，影响频率特性。
2）一部分载流子在扩散过程中因复合而损失掉，只有小部分能够达到结区形成漂移电流。
结区外的光生载流子多经历了一个慢速扩散过程，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。
三、PIN光电二极管
在高掺杂的P型和N型半导体之间生长一层掺杂浓度很低的N型半导体，该层近乎为本征半导体，故称为I层。
此结构称为PIN光电二极管。
反偏工作时的场分布
PIN结构示意图
在半导体中，掺杂浓度和耗尽层宽度的关系可表示为
DpLp=DnLn
D：
掺杂浓度，Lp、Ln：
分别为p区和n区的耗尽层宽度。
在PIN结构中，P区和I区形成p-n结。
由于I区近乎本征半导体，因此有：
Dn<
<
Dp,Ln>
>
Lp
在I区中形成很宽的耗尽层。
外加反向偏压时，中间层材料的本征高阻抗性质，使大部分电压降落其上，进一步驱除了本征层内的载流子，实质上耗尽区扩展到整个I区，其宽度w可在制造过程中通过中间层厚度控制。
在高掺杂的n区，因Dn很大，扩散长度很短，光生少数载流子很快被复合掉，对光电效应的贡献忽略不计，其作用是减小半导体和金属电极的接触电阻。
采用双异质结能显著提高PIN光电二极管的性能。
类似于半导体激光器，I层夹在另一种半导体的P层和N层中间，其带隙的选取使光仅在中间I层吸收。
通常用于光通信系统的PIN光电二极管采用InGaAs作为中间层，InP作为P层和N层。
InGaAsPIN光电二极管的结构示意图
InP：
带隙1.35eV，对于λ>
0.9μm的光透明
InGaAs：
带隙0.75eV，截止波长λc=1.65μm，与InP晶格匹配，在1.3—1.6μm范围内有很强的吸收。
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％。
InGaAs光电二极管广泛用于1.3和1.5μm的光接收机中。
较好的长波PIN管的响应速度达到50GHz以上。
2、特性
（1）穿透深度
由于半导体对光有吸收，光功率在半导体内部按指数规律衰减，P（x）=P（0）exp（-αsx）
P（0）、P（x）分别为半导体表面和深度为x处的光功率，αs是材料对光的吸收系数。
当x=1/αs时，P（x）=P（0）/e，令δ=1/αs为光在半导体中的穿透深度。
半导体对光的吸收与波长有关。
为了提高量子效率，耗尽层应做得很宽，以便吸收更多的光子。
最好让耗尽层的宽度大于穿透深度。
但是耗尽层的宽度又影响器件的响应速度，因此要折衷考虑。
另外，为了减小半导体表面对光的反射损耗，器件的接收面上最好镀增透膜，让更多的光进入内部。
（2）时间响应
PIN管的时间响应与三方面的因素有关：
结电容、载流子在耗尽层中的渡越时间、耗尽层外载流子的扩散时间。
其中，PIN管已经尽可能使光在耗尽层内被吸收，因此耗尽层外载流子的扩散时间的影响很小。
时间响应主要由另外两个因素决定。
结电容的影响：
PIN使用时有偏置电路，并与放大器相连。
光检测电路及其等效电路如图。
其中RD、CD是PIN管的结电阻和结电容，RL是负载电阻，CL是探测器后电路中电容。
结电容按平板电容器来计算，
ε、A、W分别为材料的介电常数、结面积和耗尽层宽度。
等效电路中的无源并联支路相当于一个低通滤波器，通带上限为
W大，CD小，ωm大，时间响应越好。
载流子渡越时间的影响：
载流子渡越时间tD与耗尽层宽度W及载流子的漂移速度v有关，假定漂移速度是均匀的，则有：
tD=W/v
减小耗尽层宽度或加大反向偏压都可以使渡越时间缩短。
减小耗尽层宽度，可以起到两方面的作用：
使W变小；
使内建电场增强，漂移速度加快。
加大反向偏压，增强内建电场，使漂移速度增大。
但漂移速度并不能无限制的增加，当电场强度高到一定程度时载流子就达到饱和漂移速度。
对于一定宽度的耗尽层，偏压有足够值就可以达到饱和速度，因此渡越时间按饱和漂移速度估算。
tD的存在引起高频失真，限制了器件的使用带宽。
较好的PIN管的渡越时间一般在0.1-10ns量级。
由tD限制的最高调制频率（转换效率与直流光信号相比下降3db时的频率）
fD=0.4/tD
综合考虑器件的量子效率和响应速度的要求，耗尽层宽度可取1-2个穿透深度δ。
（3）线性和饱和
对于PIN管当入射光功率太强时，光电流与光功率将不成正比，从而产生非线性失真。
原因：
由检测电路看，随着入射光功率和光电流的增大，负载RL上的压降增大，使PIN管上的实际压降减小，内建电场变弱。
当内建电场不足以使光生载流子达到饱和漂移速度时，单位光功率产生的光电流变小，is与ps不成正比。
当入射光功率达到足够值时，二极管上的压降降为零，此时的偏压VB全部降在RL上，光电流达到极限值
imax=VB/RL
相应的光功率为Pmax=imax/R0=VB/RLR0
Pmax为饱和光功率，R0为响应度。
一般PIN有非常宽的线性工作区，入射光功率在毫瓦量级以下时不会产生饱和。
四、雪崩光电二极管
雪崩光电二极管记作APD，是具有内部电增益的光电转换器，可以用于检测微弱的光信号而获得较大的输出光电流。
1、结构和工作原理
结构：
由四层组成
n+层：
高掺杂的n型半导体
p层：
p型半导体
i层：
轻掺杂的p型半导体，近
于本征
p+层：
高掺杂的p型半导体
APD需要在大的反向偏压下工作
耗尽区从左边p-n结区一直扩展到右边的p+区，包括了中间的p区和i区。
电场分布是不均匀的，i区电场较弱，而在p-n结处电场很强，大到足以使载流子发生碰撞电离，产生雪崩效应。
雪崩效应：
在p-n结上加很高的反向偏压，接近于击穿电压，使得结区内有极强的电场。
有光照时，光生电子在强电场中被加速，带有很大的动能，与晶格碰撞，把价键上的电子碰撞出来，成为导电电子。
导电电子又被电场加速，再与其它晶格碰撞，产生更多的导电电子。
这样，连锁反应下去，使得光生载流子的数量急剧增长，称为雪崩效应。
具有雪崩效应的管子具有很高的内增益，Si、Ge增益可达102-103，因此输出电流较大。
结区：
增益区，较窄，不能充分吸收光子，使相当多的光子透射进入i区。
i区：
很宽，可以充分吸收光子，提高光电转换效率。
虽然电场比p-n结区低很多，但足以使载流子达到饱和漂移速度。
在该区内产生的光生载流子称为初级电子空穴对。
初级电子在电场作用下从i区向雪崩区漂移，进入雪崩区形成雪崩增益，而所有的初级空穴则直接被p+层吸收。
i区具有分离初级电子和空穴的作用。
单种载流子参与倍增有利于降低倍增噪声。
不同区域可选用不同的材料：
如果用带隙较小的材料作吸收区，便于进行光电转换。
而用带隙较大的材料作倍增区，热效应产生的电子空穴对很少，既便是在高场强下也不会产生太大的暗电流。
所以，吸收区和倍增区采用不同的材料可以减小暗电流。
2、特性
雪崩光电二极管的倍增电流、噪声电流与外加偏压的关系曲线
在偏压较低时的A点以左，不发生雪崩过程；
随着偏压逐渐升高，倍增电流逐渐增加，B点到C点增加很快，为雪崩倍增区；
偏压再继续增大，将发生雪崩击穿，同时噪声也显著增加（C点以右区域）。
因此，最佳的偏压工作区在C点以左、接近击穿电压VB的地方。
（2）倍增因子G设iM表示雪崩放大后的光电流，ip为初级光电流，倍增因子为
实验得到
n:
1-3常数，与p-n结的结构和光波长有关。
倍增因子G随偏压增大而上升，可以理解为：
偏压上升，耗尽层内的电场普遍增强，雪崩区变宽，倍增作用增强，G得以增大。
作用：
可以通过调节偏压来改变倍增大小，以适应不同强度的入射光信号，使输出电平保持恒定。
G与温度有关，温度上升，倍增下降，引起输出光电流减小。
所以，APD需要进行温度补偿，使用不如PIN方便。
（3）响应度和量子效率
由于APD中光生电流被倍增了G倍，所以响应度比相应的PIN管提高了G倍。
量子效率只与初级光生载流子有关，与倍增无关，所以量子效率总是≤1。
（4）线性
APD适合检测微弱光信号，当光功率到几微瓦以上时，输出电流与入射光功率之间的线性关系变坏。
造成非线性的原因与PIN类似，主要因为器件上的偏压不能保持恒定。
在APD中，偏压降低将导致雪崩区变窄，倍增因子随之下降，其影响比PIN的情况更明显。
（5）带宽
雪崩管可以在一个器件中完成光电转换和信号放大两个过程。
代价：
（1）偏压要求比PIN高得多，工作电压接近击穿电压；
（2）器件带宽和增益互相牵制。
因为碰撞电离是反复循环进行的，意味着多级载流子产生和渡越时间要增加。
要求的倍增越大，循环次数越多，延时越长，器件带宽越窄。
一般来说，APD器件的倍增因子和带宽的乘积为一个常数。
但总的来说，雪崩二极管因反向偏压很高，光生载流子的渡越时间很短，结电容很小，因此响应时间短，频率特性好，可达1GHz。
（6）噪声
噪声主要来源：
散粒噪声和热噪声。
设无倍增时的光电流为ip（电压较小时），雪崩发生后，光电流增益了G倍
iM=ipG
散粒噪声功率为
G对信噪比的影响
当电压增高时，G增大，信号功率与散粒噪声功率都在增加，但热噪声功率不变，且比散粒噪声大很多，因此信噪比增高。
当电压很高时，G会很大，散粒噪声增加的速度比信号快，当散粒噪声与热噪声相差不大时，G的增加反而会使信噪比降低。
所以G不是越大越好，有一个最佳值，一般由实验确定。
五、光电三极管
在光电二极管的基础上发展起来，不但能进行光电转换，还具有放大作用。
以硅为衬底的光电三极管有两种型号：
3CU,pnp结构;
3DU,npn结构。
结构示意图：
工作原理：
光电三极管的工作有两个过程：
光电转换和光电放大。
光电转换：
在基极和集电极之间的p-n结进行。
二极管反向偏置，集电极电压高于基极，光生载流子流过此结形成光电流。
光电放大：
光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了的信号电流，放大原理与一般晶体管相同。
区别：
一般晶体管是由基极向发射极注入载流子来控制发射区的扩散电流。
光电三极管是由光生载流子注入到发射结来控制发射区的扩散电流。
光电三极管电路可等效为光电二极管与普通三极管的组合。
使用时，基极开路，光生电流iφ相当于基极电流，因此只需两个电极引线。
集电极电流为βiφ，发射极电流为（β+1）iφ，β一般为几十倍，所以光电三极管的灵敏度比光电二极管大几十倍。
与光电二极管相比，三极管的优缺点：
光电灵敏度高，输出电流大（几mA以上），但暗电流大，线性范围小，易饱和，结电容大，响应时间长（5-10μs）,二极管为<
0.1μs，适合于做光电开关。
总结：
结型光电探测器由于体积小，重量轻，响应速度快，灵敏度高，易于与其它半导体器件集成，是光源的最理想探测器，可广泛用于广度测量、光开关报警系统、光电检测、图像获取、光通信、自动控制等。
最近几年，由于超高速光通信、信号处理、测量、传感系统和自动控制系统的需要，需要超高速高灵敏度的结型光电探测器。
参考文献：
《光电子技术》高等教育出版社、
《光电子器件》国防工业出版社、
维基百科以及互联网内容等。
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