光电探测器光电二极管.docx

1、光电探测器光电二极管光电探测器(光电二极管) 本文介绍了光电与系统的组成,阐述了光电二极管的分类及原理,本文着重介绍了pn 光电二极管,及其结构原理。 1引言 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 2工作原理 光电探测器的机理是光电效应原理

2、,光电效应有三种:光电导效应,光生伏特效应,光电子发射效应。 光电导效应:在光照下,半导体吸收光子能量后,载流子的浓度增大,使材料的电导率增大,电阻率减小。 光生伏特效应:在光照下,p-n 结的两端产生电势差,当材料短接时能得到短路电流。 光电子发射效应:金属或半导体受光照射,如果光子能量足够大,可以使电子从材料表面逸出,成为真空中的自由电子。 利用这三种效应制作的光电探测器称为光子探测器。 除光子探测器外,光电探测器还有热探测器,其机理是材料因吸收光辐射能量使其自身温度升高,从而改变它的电学性能。 光电探测器的分类: 2.1.pn 光电二极管 2.1.1、空间电荷区 考虑两块半导体晶体,n

3、型和p 型。 n 型:电子很多而空穴很少;p 型: 空穴很多而电子很少。 单独的n 型和p 型半导体是电中性的。 光电二极管 pin 光电二极管 雪崩光电二极管 光电三极管 光电池 光敏电阻 光电倍增管 热释电探测器 热敏电阻 热电偶 气动管 当两块半导体结合形成p-n结时,由于存在载流子浓度梯度,导致了空穴从p 区到n区,电子从n区到p区的扩散运动。从而在pn结附近p区和n区两侧各自形成了一个负电荷区和正电荷区,这两个区域称为空间电荷区。 2.1.2.pn结光电探测器工作原理 通常pn光电探测器要加反向偏压。当反向偏压Vr加到pn结两端时,由于耗尽层(空间电荷区)的电阻较大,所以电压Vr大部

4、分落在耗尽层上。此时耗 尽层两端的电压应当为:Vr+V 0,其中V 为内建电动势(built-in voltage)。 见下图,其中(a)为空间电荷区,(b)为杂质浓度,p区有均匀受主杂质 浓度N A ,n区有均匀施主浓度N D ,若势垒区的正负空间电荷区的宽度分别为x N 和-x p ,且取x=0处为交界面,则势垒区的电荷密度为(c)。注意,空间电荷区的宽度和该区的杂质浓度成反比。杂质浓度高的一边宽度小,杂质浓度低的一边宽度大。所以空间电荷区要向杂质浓度低的一边扩展。空间电荷区的电场强度为(d),注意:电场强度是位置x的线性函数,电场方向沿x负方向,从n区指向p区,在x=0处,电场强度达到最

5、大值Emax。 见下图,在A处,一个入射的光子在p型半导体中被吸收并产生一个空穴和一个自由电子,如果这个过程发生在耗尽层的扩散长度(可以将扩散长度看成是少数载流子与相反类型的载流子复合之前行走的平均距离)以内,则电子会有很大的几率到达耗尽层的边界,并在电场的影响下漂过它。每穿过结的电子对外电路电流贡献为一个电荷e的流动。如果光子在耗尽层的n型那一边被吸收,见图中的C点,结果生成的空穴会扩散进入结并漂移跨过它,这也同样会在外电路中形成电荷e的流动。如果光子在耗尽层中B处被吸收,此时所产生的电子和空穴两者皆会在电场的作用下漂移而分别到达p和n的那一边,在实用中最后的过程是最为可取的,因为每一个吸收

6、都会形成电荷e的流动,并避免了由有限扩散时间引起的电流响应延迟。 简单地说,pn光电二极管的工作原理如下: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。 对于pn结而言,耗尽层太窄,这不利于电子空穴的漂移。(这是pn结的一个缺点,其它的缺点后面还要再讲)所以光电探测器常采用pin型的结构,其中一个本征的高电阻率i层被夹在p和n型材料之间,电压降中的绝大部分跨过该层,它应该具有

7、足够的厚度,以保证大部分入射光子会在其中被吸收。 2.1. 3.半导体的光吸收 半导体光吸收的主要过程:价带电子跃迁。当一定波长的光照射半导体材料时,电子吸收足够的能量,从价带跃迁入导带。 同原子吸收的差别:原子中的能级是不连续的,两能级间的能量差是定值,因而电子的跃迁只能吸收一定能量的光子,出现的是吸收线。而在晶体中,与原子能级相当的是一个由很多能级组成,实际上是连续的能带,因而光吸收也就表现为连续的吸收带。 1.本征吸收 本征吸收:理想半导体在绝对零度时,价带是完全被电子占满的,因此价带内的电子不可能被激发到更高的能级。唯一可能的吸收是足够能量的光子使电子激发,越过禁带跃迁入空的导带,而在

8、价带中留下一个空穴,形成电子-空穴对。这种由于电子由带与带之间的跃迁所形成的吸收过程称为本征吸收。见下图。 发生本征吸收的条件:光子能量必须等于或大于禁带宽度Eg ,即: g E h h =0 上式说明:对应于本征吸收光谱,在低频方面必然存在一个频率界限0(或者说在长波方面存在一个波长界限0)。当频率低于0,或波长大于0时,不可 能产生本征吸收,吸收系数迅速下降。这种吸收系数显著下降的特定波长0称为半导体的本征吸收限。 本征吸收长波限的公式为: )(24 .10eV E =,单位微米。 下图是几种常用半导体材料本征吸收限和禁带宽度的对应关系。 2.直接跃迁和间接跃迁 跃迁需满足的条件:在光照下

9、,电子吸收光子的跃迁过程,除了能量必须守恒外,还必须满足动量守恒。即满足: hk/ -hk=光子动量 其中k和k/为电子原来的波矢量和跃迁后的波矢量。由于一般半导体所吸收的光子,其动量远小于能带中电子的动量,光子动量可忽略不计,因而上式可近似地写为: k/ =k 也就是说,电子吸收光子跃迁时波矢保持不变(电子能量增加)。上式也称为选择定则。 考察一维的E(k)曲线,为了满足选择定则,以使电子在跃迁过程中波矢保持不变,则原来在价带中状态A的电子只能跃迁到导带中的状态B。A与B在E(k)曲线上位于同一垂线上,因而这种跃迁称为直接跃迁。 直接跃迁的特点:在A到B直接跃迁中所吸收光子的能量hv与图中垂

10、直距离AB 相对应。任何一个k值的不同能量的光子都有可能被吸收,而吸收光子最小能量应等于禁带宽度Eg。因此,本征吸收形成一个连续的吸收带,并具有一波长吸收限。因而从光吸收的测量,可求得禁带宽度。 -族的GaAs、InSb及-族等材料,导带极小值和价带极大值对应于相同的波矢,称为直接带隙半导体。 但不少半导体的导带和价带极值对应于不同的波矢,这种半导体材料称为间接带隙半导体。例如Si,Ge。对应的跃迁过程称为间接跃迁过程。 间接跃迁的特点:在间接跃迁过程中,电子不仅吸收光子,同时还和晶格交换一定的振动能量,即放出或吸收一个声子。间接跃迁过程是电子、光子和声子三者同时参与的过程,能量关系为: E

11、0?=电子能量差p E h 其中Ep 代表声子的能量,“+”号是吸收声子,“-”是发射声子。由于声子能量非常小,可忽略不计。因此,可近似认为电子在跃迁前后能量差就是所吸收的光子能量,hv 只在Eg 附近有微小的变化。 间接跃迁也要满足动量守恒。即: 光子动量差声子动量=光子动量 略去光子动量,得: k / -k=q 式中,q 是声子的波矢。上式说明在间接跃迁过程中,伴随发射或吸收适当的声子,电子的波矢k 是可以改变的。 总结:在光的本征吸收过程中,如果只考虑电子和电磁波的相互作用,则根据动量守恒要求,只可能发生直接跃迁。但如果还考虑电子与晶格的相互作用,则间接跃迁也是可能的,这是由于依靠发射或

12、吸收一个声子,使动量守恒原则仍然得到满足。 注意:间接跃迁过程的几率要比只取决于电子与电磁波相互作用的直接跃迁的几率小得多。因此,间接跃迁的光吸收系数比直接跃迁的光吸收系数小很多。前者一般为1103cm-1,而后者一般为104106cm-1。 下图是间接带隙半导体(Si ,Ge )和直接带隙半导体材料(GaAs )的本征吸收系数和能量的关系。 对于间接带隙半导体,光子能量hv=Eg 时,本征吸收开始。随着光子能量的增加,吸收吸收首先上升一段较平缓的区域,这对应于间接跃迁,向更短波长方面,随着hv 增加,吸收系数再一次陡增,发生强烈的光吸收,表示直接跃迁的开始。GaAs 是直接带隙半导体,光子能

13、量大于hv 后,一开始就有强烈吸收,吸收系数陡峻上升,反映出直接带隙跃迁过程。 3.其它吸收过程 实验证明:波长比本征吸收限长的光波在半导体中也能被吸收。这说明,除了本征吸收外,还存在着其它的光吸收过程:主要有激子吸收、杂质吸收、自由载流子吸收等。 (1)激子吸收 现象:当光子能量g E hv 时,本征吸收形成连续光谱。但在低温时发现,某些晶体在本征连续吸收光谱出现以前,即g E hv 时,就已经出现一系列吸收线。而且对应于这些吸收线并不伴有光电导,可见这种吸收并不引起价带电子直接激发到导带(对于本征吸收产生的电子空穴之间没有相互作用,能互不相关地受到外加电场的作用而改变运动状态,因而使电导率

14、增大),而形成所谓“激子吸收”。 激子吸收的特点: 1.如果光子能量hv 小于Eg ,价带电子受激发后虽然跃出了价带,但还不足以进入导带而成为自由电子,仍然受到库仑场作用。实际上,受激电子和空穴相互束缚而结合在一起成为一个新的系统,这种系统称为激子。 2.激子在晶体中某一部位产生后,并不停留在该处,它可以在整个晶体中运动;但由于它作为一个整体是电中性的,因此不幸成电流。 3.激子在运动过程中可以通过两种途径消失:一种是通过热激发或其它能量的激发使激子分离成为自由电子或空穴;另一种是激子中的电子和空穴通过复合,使激子消灭而同时放出能量(发射光子或同时发射光子和声子)。 1.激子中电子与空穴的作用

15、类似氢原子中电子与质子之间的相互作用。因此,激子的能态也与氢原子相似,由一系列能级组成。 (2)自由载流子吸收 现象:对于一般半导体材料,当入射光子的频率不够高,不足以引起电子从带到带的跃迁或形成激子时,仍然存在着吸收,而且强度随波长增大而增加。见下图左。 原因:这是自由载流子在同一带内的跃迁引起的,称为自由载流子吸收。 自由载流子吸收的特点: 与本征跃迁不同,自由载流子吸收中,电子从低能态到较高能态的跃迁是在同一能带内发生的。见上图右。这种跃迁过程同样必须满足能量守恒和动量守恒关系。和本征吸收的非直接跃迁相似,电子的跃迁也必须伴随着吸收或发射一个声子。 (3)杂质吸收 原因:对于大多数半导体

16、,多数施主和受主能级能很接近于导带和价带。电子可以吸收光子跃迁到导带能级;空穴也同样吸收光子而跃迁到价带(或者说电子离开价带填补了束缚在杂质能级上的空穴). 杂质吸收的特点: 1.杂质吸收为连续的吸收光谱。 。一般,电1.引起杂质吸收的最低的光子能量等于杂质上电子或空穴的电离能E I 子跃迁到较高的能级,或空穴跃迁到较低的价带能级,几率逐渐变得很小,因此,吸收光谱主要集中在吸收限E 的附近。 I 2.由于E 小于禁带宽度Eg,杂质吸收一定在本征吸收限以外长波方面形成吸收 I 带。 3.杂质能级越深,能引起杂质吸收的光子能量也越大,吸收峰比较靠近本征吸收限。 4.杂质吸收也可以是电子从受主能级能

17、级跃迁到导带,或空穴从施主能级跃迁入价带。 (4)晶格振动吸收 在晶体吸收光谱的远红外区,有时还发现一定的吸收带,这是晶格振动吸收形成的。在这种吸收中,光子能量直接转换为晶格振动动能。 2.2 pn光电二极管的缺点 p-n结光电二极管的主要缺点有两个:光电转换的效率低和光电响应速度低。 造成这两个缺点的主要原因是: (1)结电容大,高频响应特性差; (2)耗尽层太窄(几微米),长波长光子的穿透深度大于耗尽层宽度,使大量光子在耗尽层外被吸收。由于耗尽层以外的电场很小,可视为无场区,因此电子空穴对无法在电场的作用下分离,只能通过扩散入耗尽层而形成漂移电流,扩散速度相对较慢,所以这部分载流子多经历了

18、一个慢速扩散过程,产生的附加时延使探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。对光脉冲的影响如图所示。 (3)一部分载流子在扩散过程中要因复合而损失掉,只有小部分能够达到结区,因此降低了量子效率。 解决办法: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。另外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。现多采用PIN光电二极管的结构。 2.3.PIN光电二极管的结构 在高掺杂的p+型和n+型半导体之间夹一层掺杂浓度很低的半导体,该层近乎为本征半导体,故称为i层。本征层厚度5-50m。 无外加电场,热平衡时,p+区的空穴和n+区的电子

19、向i 区扩散并因复合而消失,在p+区和n+区留下了净电荷。内建电场如图所示,在i 区中是均匀的。对于pn 结,内建电场是不均匀的。 光电二极管的结电容: W A C r dep 0= A :结面积,W :结宽度(本征层宽度)。典型值 为微法数量级。 pin 管加反向偏压时,由于本征层材料的高阻抗 性质,使大部分电压降落其上,耗尽层宽度近似 为i 层厚度。反向偏压为Vr ,本征层中的电场为 0V V W V W V E E r r r += 照射光子主要在本征层中被吸收,在电场作用下, 电子和空穴分别向n+区和p+区漂移,形成光电 流。 2.4.响应时间 从光功率输入到转换为光电流输出,有时间延

20、迟, 称为响应时间(response time ),其值主要取决 于载流子通过耗尽层的渡越时间t tr d tr W t v = W 为耗尽区宽度,vd 为平均漂移速度。减小耗尽层宽度或加大反向偏压,均可以使渡越时间缩短。 减小耗尽层宽度,W 小,v d 大,使t tr 减小,但光子被耗尽层吸收的机会减少。 加大反向偏压,电场增强,漂移速度增大。当电场高到一定程度时,载流子达到饱和漂移速度。 实际中,pin管的本征层是轻掺杂的n型层,因此其电场在i区是不完全均匀的,如下图所示。 3 结束语: 本文探讨了光电探测器的原理及结构缺点。光电探测器应用广泛是光电子系统的重要部分,研究好光电探测器有深远的意义。 【参考文献】 1张福甲,李东仓,挂文明等,新型PTCDA/psi光电探测器J.光电子激光,2005,16(8):897900 2 何锡源,张旭。郑代顺.等.有机/无机光电探测器的AFM 和XPS分析J.光电子激光,2003,14(4):336341 3 张福甲,邵佳峰,张德江.有机半导体PTCDA的制备及其结构表征和光吸收特性研究J.发光学报,1 999,2O(4):35l一356。 4 张金国.我国光电子技术及产业发展的思考和建议J.飞通光电子技术, 2001,1(3):121126