光电探测器响应时间实验研究-毕业设计论文.doc

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光电探测器响应时间实验研究

摘要

近几十年来，光电探测器在光通信、国防探测、信号处理、传感系统和测量系统等高精尖科技领域得到广泛的应用，在信息为导向的时代，时间就是生命，提高速度的需求日益紧迫，提高光电探测器响应速度的努力几乎从诞生它的一刻起就没停止过。

本实验主要研究光敏电阻和光电二极管的响应时间。

理论分析先从光敏电阻的光谱响应特性、照度伏安特性、频率响应、温度特性和前历效应来考察它的工作影响因素，确定光敏电阻响应时间与其入射光的照度、所加电压、负载电阻及照度变化前电阻所经历的时间的关系。

从光电二极管的模型分析，我们知道光电二极管的响应时间有三个方面决定：

①光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；②光生载流子在耗尽层内的漂移时间；③与负载电阻并联的结电容所决定的电路时间常数。

文中将详细分析计算对比三个时间的数量级，以确定提高响应速度的最有效途径，并提出改善光电二极管的有效方法和PIN模型。

实验研究时，采用近似脉冲的光源，经探测器的输出信号输入快速响应的CS-1022型示波器，在示波器上直接读出响应时间，分析实验结果，得出影响探测器响应时间的因素。

关键词：

光电探测器，响应时间，半导体，影响因素

Abstract

Inrecentdecades,photoelectricdetectorshavebeenwidelyusedinhigh-techareassuchasopticalcommunications,nationaldefensedetectionandsignalprocessing,sensingsystemandmeasurementsystem.intheerawhichleadedbyinformation,timeislife.Improvingspeedincreasinglyisurgentneedsofphotoelectricdetector.Toimprovetheresponsespeed,efforthaven'tbeenstoppedfrombirthtoitsmoment.Thisexperimentmainlyresearchsphotoconductiveresistanceandphotoelectricdioderesponsetime.Thetheoreticalanalysisstudysphotoconductiveresistanceproperties,intensityofilluminationvolt-amperecharacteristics,frequencyresponseandtemperaturecharacteristicandformercalendareffecttoexamineitsworkinginfluencefactors,andfindouttheinfluencingfactorsbetweenphotoconductiveresistanceresponsetimeandincidentlightintensityofillumination,voltage,loadresistanceandthetimeexperiencedbeforeintensityofilluminationchange.Fromthemodelanalysisofthephotoelectricdiode,weknowthattheresponsetimeofthephotoelectricdiodehasthreeaspects:

（1）Thediffusiontimeofphoton-generatedcarrierneardepletionlayer.

（2）Thedrifttimeofphoton-generatedcarrierindepletionlayer.（3）Theconstantofthecircuitdecidedbyjunctioncapacitorwhichparallelwiththeloadresistance.Thedetailedanalysisandcalculationoftheorderofmagnitudeofthreetimewillbecontrastedtodeterminetheeffectivewaystoimprovephotoelectricdiode’sreactionspeed,andtheeffectivePINmodel.Intheexperimentalstudy,weuseapulsegeneratoraslightsource,andthedetectorpulseoutputsignalinputquickresponseCS-1022typescillograph.Sowecanreaddirectresponsetimeinoscilloscopedirectly,thenanalyzetheresults,findoutthefactorswhichaffecttheproberesponsetime.

Keyword:

Photoelectricdetector,responsetime,semiconductor,influencingfactors目录

1绪论 1

1.1光电探测器发展历程 1

1.2近年高速探测器的发展成果 2

1.3光电探测器的分类 4

1.4光电探测器的物理基础 6

2典型光电探测器响应时间的研究 10

2.1光电导探测器 10

2.1.1光电转换原理 10

2.1.2工作特性分析 12

2.1.3时间响应特性及改善 16

2.2PN结光伏探测器 17

2.2.1光电转换原理 17

2.2.2光伏探测器的工作模式 18

2.2.3Si光电二极管的构造与特性分析 20

2.2.4频率响应特性及改善探讨 23

3光电探测器响应时间实验研究 31

3.1实验原理 31

3.1.1脉冲响应 31

3.1.2幅频特性 32

3.2实验仪器 33

3.3实验步骤 34

3.4实验结果与分析 36

结论 38

参考文献 39

致谢 40

1绪论

自年第一台红宝石激光器问世以来，古老的光学发生了革命性的变化与此同时，电子学也突飞猛进地向前发展。

光学和电子学紧密联合形成了光电子学这一崭新的学科。

由此发展起来的光电子高新技术，已深入到人们生活的各个领域，从光纤通信，镭射唱盘到海湾战争中的现代化武器，都和光电子技术密切相关。

而光电探测器则是光电子系统中不可缺少的重要器件。

可以毫不夸大地说，没有光电探测器件，就没有今天的光电子学系统。

1.1光电探测器发展历程

1873年，英国W.史密斯发现硒的光电导效应，但是这种效应长期处于探索研究阶段，未获实际应用。

第二次世界大战以后，随着半导体的发展，各种新的光电导材料不断出现。

在可见光波段方面，到50年代中期，性能良好的硫化镉、硒化镉光敏电阻和红外波段的硫化铅光电探测器都已投入使用。

60年代初，中远红外波段灵敏的Ge、Si掺杂光电导探测器研制成功，典型的例子是工作在3～5微米和8～14微米波段的Ge:

Au（锗掺金）和Ge:

Hg光电导探测器。

70年代，HgCdTe、PbSnTe等可变禁带宽度的三元系材料的研究取得进展。

至今，光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。

在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。

光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。

为了避免光生载流子扩散引起图像模糊，连续薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PbS-PbO、Sb2S3等。

其他材料可采取镶嵌靶面的方法，整个靶面由约10万个单独探测器组成。

同样，光伏探测器等利用不同光电效应、光热效应制成的各种光电探测器也得到飞速的发展。

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，广泛应用于光通信、信号处理、传感系统和测量系统。

尤其在近代高速信息传输的需求推动下，光伏探测器的响应频率从几百兆发展到几十吉赫兹，在西方发达国家，甚至几百吉赫兹的超高速通信传输网已投入试验。

1.2近年高速探测器的发展成果

为满足超高速光通信、信号处理、测量和传感系统的需要，半导体光电探测器正朝着超高速、高灵敏度、宽带宽以及单片集成的方向发展。

以下介绍几种近年来研究最多的几种光电探测器。

1、谐振腔增强型（RCE）光电探测器

高带宽的光信号探测，需要光电探测器的最佳典型结构是薄的光吸收区。

然而，薄的光吸收层必定导致半导体材料在吸收系数比较小的波长位置的量子时效率减小。

虽然带宽超过200GHz的光电探测器也已研制成功，但带宽效率积仍然受材料特性的限制。

在肖特基光电探测器中，金属接触中的光损耗进一步受到顶部照射器件量子效率的限制，增加器件的响应度只靠采用半透明的肖特基接触。

最近几年发展的光电子器件新种类--谐振腔增强型结构光电探测器，靠有源器件结构内部的法布里-泊罗谐振腔，使器件的量子效率在谐振波长位置猛烈增强，带宽效率积惊人地改善，致使允许制作薄的光吸收区。

所以，RCE结构探测器方案对肖特基型光电探测器特别有吸引力。

2、金属-半导体-金属行波光电探测器

低温生长GaAs（LTG-GaAs）基光电探测器（PD）由于它们短的响应时间、高的电带宽、低的暗电流，以及它们能够与其微波器件例如微波天线集成而受到大大关注。

然而，LTG-GaAs的宽吸收能隙（～800nm）限制了它在长波长（1300-1500nm）光通信的应用。

在长波长制式，几个PS的响应时间已从LTG-InGaAs基PD得到了，但这比短波长制式的LTG-GaAs基PD的亚PS响应时间长得多。

近来，有几个研究组在长波长光通信制式使用垂直照射结构或边缘耦合行波结构，演示了LTG-GaAs基p-i-n/n-i-n和MSMPD。

通过使用内部能隙对导带的欠态跃迁，在LTG-GaAs中得到了低于带隙的光子吸收。

然而，由于低于能隙的吸收系数比准能带-能带吸收系数小得多，用常规的垂直照射PD结构，得到的量子效率是极低的（约为0.6mA/W）。

边缘耦合的p-i-n/n-i-n行波PD结构，低效率问题可以靠增加器件的吸收长度克服。

虽然最大输出功率可随器件吸收长度而增加，但电带宽将严重地降低。

3、分离吸收梯度电荷和倍增雪崩光电探测器

雪崩光电二极管（APD）是0.92-1.65m波长范围工作的现代长拖曳高比特速率光通信系统最广泛使用的光电探测器。

在各种APD结构中，分离吸收梯度电荷和倍增（SAGCM）结构是最有前途的APD结构之一。

它具有高的性能例如：

高的内部增益、可靠性改善，以及超过100GHz的高增益带宽积。

4、集成微镜的InGaAs光电探测器

光耦合在光通信的器件特性中是很重要的。

使用折射微镜可以增加光耦合效率和耦合容差。

因此，它的应用随光电子器件封装微型化而被广泛接受。

聚合物微镜已用于MSM光电探测器和光发射二极管。

半导体材料有比较高的折射率，符合需要大合成数值孔径的微镜。

至今，对半导体微镜的研究方法包括：

光致抗蚀剂回流干腐蚀、表面微机械和投影掩模再生长等。

然而，这些方法需要多工艺步骤和高价的工艺设