光电子学与光子学讲义-Chapter6-PD教学文稿.ppt

《光电子学与光子学讲义-Chapter6-PD教学文稿.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电子学与光子学讲义-Chapter6-PD教学文稿.ppt（32页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、光电子学与光子学讲义光电子学与光子学讲义-Chapter6-PDChapter6-PD一、一、简介简介 光电探测器：光电探测器：光能或光信号转换为电能或电信号光能或光信号转换为电能或电信号的器件，是的器件，是光接收机的核心光接收机的核心。机理：光电效应。机理：光电效应。物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质中电子运动物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质中电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电导效应、光生伏特效应和状态发生变化，因而产生物质的光电导效应、光生伏特效应和光电子发射等现象。光电子发射等现象。在理解上述定义时，必须掌握以下三个要点：在理解上述定义时，必须掌握以下三个要点：原因：

2、是辐射，而不是升温；原因：是辐射，而不是升温；现象：电子运动状态发生变化；现象：电子运动状态发生变化；结果：电导率变化、光生伏特、光电子发射。结果：电导率变化、光生伏特、光电子发射。简单记为：辐射简单记为：辐射电子运动状态发生变化电子运动状态发生变化光电导效应、光光电导效应、光生伏特效应、光电子发射生伏特效应、光电子发射v物理过程：物理过程：在光的作用下，当光敏物质中的电子直接吸收光子的在光的作用下，当光敏物质中的电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚时，电子就会从基态被激发到高能态，能量足以克服原子核的束缚时，电子就会从基态被激发到高能态，脱离原子核的束缚，在外电场作用下参与导电，因而产

3、生了光电脱离原子核的束缚，在外电场作用下参与导电，因而产生了光电效应。效应。v说明说明:如果光子不是直接与电子起作用，而是能量被固体晶格振动吸收，引起固体的温度升高，导致固体电学性质的改变，这种情况就不是光电效应，而是热电效应。也可以用作光电探测.外光电效应外光电效应:是指物质受光照后而激发的电子逸出物质表面，在外是指物质受光照后而激发的电子逸出物质表面，在外电场作用下形成真空中的光电子流电场作用下形成真空中的光电子流,又称又称光电子发射效应光电子发射效应。这种效。这种效应多发生于金属和金属氧化物。应多发生于金属和金属氧化物。内光电效应内光电效应:是指受光照而激发的电子在物质内部参与导电，电子

4、是指受光照而激发的电子在物质内部参与导电，电子并不逸出光敏物质表面。这种效应多发生于半导体内。内光电效应并不逸出光敏物质表面。这种效应多发生于半导体内。内光电效应又可分为光电导效应、光生伏特效应、丹倍效应和光磁电效应等。又可分为光电导效应、光生伏特效应、丹倍效应和光磁电效应等。外光电效应和内光电效应的主要区别在于：受光照而激发的电外光电效应和内光电效应的主要区别在于：受光照而激发的电子，前者逸出物质表面形成光电子流，而后者则在物质内部参子，前者逸出物质表面形成光电子流，而后者则在物质内部参与导电。与导电。外光电效应外光电效应 光电子发射光电子发射光电效应光电导效应光电效应光电导效应内光电效应光

5、生伏特效应内光电效应光生伏特效应丹倍效应丹倍效应 光磁电效应光磁电效应光电导效应光电导效应 半导体材料受光照时，由于对光子的吸收半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大引起载流子浓度的增大，因，因而导致材料电导率增大（电阻减小）而导致材料电导率增大（电阻减小）,这种现象称为光电导效应。这种现象称为光电导效应。光生伏特效应光生伏特效应 光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体中产生电子和空穴产生电子和空穴，并在空间分开而产生电位差的现象。即将光能转化成电能。并在空间分开而产生电位差的现象。即将光能转化成电能。丹倍效应丹倍效应 由于

6、光生载流子的扩散由于光生载流子的扩散在光的传播方向产生电位差在光的传播方向产生电位差的现象称为光电扩的现象称为光电扩散效应或丹倍效应散效应或丹倍效应。光磁电效应光磁电效应 放在磁场内的均匀半导体材料受到光照射时，放在磁场内的均匀半导体材料受到光照射时，如果磁场的方向垂直于如果磁场的方向垂直于xoy平面，洛伦兹力把扩平面，洛伦兹力把扩散电子和空穴偏转到相反方向，散电子和空穴偏转到相反方向，导致电子和空导致电子和空在垂直于光照方向和磁场方向的半导体的两端在垂直于光照方向和磁场方向的半导体的两端面分别积累面分别积累，产生光磁电场，对应的电动势被，产生光磁电场，对应的电动势被称为光磁电电动势。称为光磁

7、电电动势。利用光电效应制作的光电探测器称为利用光电效应制作的光电探测器称为光子探测器。光子探测器。除光子探测除光子探测器外，光电探测器还有热电探测器，其机理是材料因吸收光辐射器外，光电探测器还有热电探测器，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。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：光电探测器的分类：光电探测器光电探测器热电探测器热电探测器光子探测器光子探测器光电二极管光电二极管pinpin光电二极管光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管光电三极管光电三极管光电池光电池光敏电阻光敏电阻光电倍增管光电倍增管热释电探测器热释电探测器热敏电阻热敏电

8、阻热电偶热电偶气动管气动管二、二、光电二极管光电二极管1.pn结的光生伏特效应结的光生伏特效应没有光照和开路情况下的没有光照和开路情况下的pnpn结结 入射光垂直入射光垂直pnpn结面入射。如结较浅，光结面入射。如结较浅，光子将进入子将进入pnpn结区，甚至更深入到半导体内结区，甚至更深入到半导体内部。能量大于禁带宽度的光子，会产生本部。能量大于禁带宽度的光子，会产生本征吸收，在结的两边产生电子征吸收，在结的两边产生电子-空穴对。空穴对。在光激发下在光激发下多数载流子浓度多数载流子浓度一般改变很小，而一般改变很小，而少少数载流子浓度数载流子浓度却变化很大。却变化很大。pnpn结势垒区内存在自建

9、电场（自结势垒区内存在自建电场（自n n区指向区指向p p区），区），结两边的光生载流子受该场的作用，各自向相反方向结两边的光生载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：运动：p p区的电子穿过区的电子穿过pnpn结进入结进入n n区；区；n n区的空穴进入区的空穴进入p p区。该运动使区。该运动使p p端电势升高，端电势升高，n n端电势降低端电势降低，于是在，于是在pnpn两端形成了光生电动势。这就是光两端形成了光生电动势。这就是光生伏特效应生伏特效应。由于光照产生的载流子各自向相反方向运动，从而在由于光照产生的载流子各自向相反方向运动，从而在pn结内部形成自结内部形成自n区向区向p区的区的

10、光生电流光生电流IL。由于光照在由于光照在pn结两端产生结两端产生光生电动势光生电动势，相当于在，相当于在pn结两端加正向电压结两端加正向电压V，使势垒降低为使势垒降低为qVD-qV，载流子的飘移运动产生，载流子的飘移运动产生正向电流正向电流IF。pn结开路情况下结开路情况下，当光生电流和正向电流相等时，当光生电流和正向电流相等时，pn结两端建立起稳定的结两端建立起稳定的电势差，这就是光电二极管的电势差，这就是光电二极管的开路电压开路电压。如将如将pn结与外电路接通结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，路，pn结起了电源的作用

11、。这就是光电二极管（光电池）的基本原理。结起了电源的作用。这就是光电二极管（光电池）的基本原理。在内建电场作用下，电子和孔穴分别漂移到在内建电场作用下，电子和孔穴分别漂移到N侧和侧和P侧，产生与照射光功率侧，产生与照射光功率成比例的电流。成比例的电流。光在势垒区外也被吸收，只有势垒区内部及附近被吸收的光才能产生光生光在势垒区外也被吸收，只有势垒区内部及附近被吸收的光才能产生光生电流。电流。2.外加反向偏压下的外加反向偏压下的pn结结 不加反向偏压下不加反向偏压下pn结作为光电探测器的缺陷：结作为光电探测器的缺陷：pn结中形成的光电流是靠耗尽区（空间电荷区）中的内建结中形成的光电流是靠耗尽区（空

12、间电荷区）中的内建电场形成的。当强度较大的入射光照射时，电场形成的。当强度较大的入射光照射时，光生电场会消弱内光生电场会消弱内建电场的强度建电场的强度，甚至使内建电场的强度消减为零（无耗尽区）。，甚至使内建电场的强度消减为零（无耗尽区）。此时电子此时电子-空穴虽仍可以在空穴虽仍可以在pn区中产生，但无电场导引和加速，区中产生，但无电场导引和加速，在杂乱的扩散过程中，大部分光生电子和光生空穴相继复合而在杂乱的扩散过程中，大部分光生电子和光生空穴相继复合而消失，不能形成外部电流。消失，不能形成外部电流。若在若在pn结上加反向偏置电压，结上加反向偏置电压，则势垒高度增加，耗尽区也加宽，则势垒高度增加

13、，耗尽区也加宽，从而使得器件的性能得到提高。从而使得器件的性能得到提高。pn结加反向偏压后能带的变化：结加反向偏压后能带的变化：在在B处处，此时电子和空穴两者都会在电场的，此时电子和空穴两者都会在电场的作用下分别向作用下分别向n区和区和p区方向作漂移运动。区方向作漂移运动。在在A处，处，一个入射的光子在一个入射的光子在p型半导体中被型半导体中被吸收并产生一个空穴和一个自由电子，如果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扩散长度以内（可以将扩散这个过程发生在扩散长度以内（可以将扩散长度看成是少数载流子与相反类型的载流子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，复

14、合之前行走的平均距离，即所能行走的最即所能行走的最大距离大距离），则电子会有很大的几率到达耗尽），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移过到层的边界，并在电场的影响下漂移过到n区。区。在在C处处，n型半导体由于光照射产生的部分型半导体由于光照射产生的部分空穴会扩散进入耗尽区（发生在扩散长度以空穴会扩散进入耗尽区（发生在扩散长度以内）并漂移到内）并漂移到p区。区。LnLpW 实际应用中实际应用中，第一个过程（吸收发生在耗尽区）对光生电流的贡献最大、效，第一个过程（吸收发生在耗尽区）对光生电流的贡献最大、效果最好。因为每一个光子的吸收都会形成电子、空穴的流动，而且避免了由于果最

15、好。因为每一个光子的吸收都会形成电子、空穴的流动，而且避免了由于扩散时间引起的电流相应延迟（漂移时间扩散时间引起的电流相应延迟（漂移时间0.9m的的光光，InP是是透透明明的的，而而晶晶格格匹匹配配的的InGaAs的的带带隙隙约约为为 0.75eV，相相应应的的截截止止波波长长c=1.65m，因因 而而 中中 间间 InGaAs层层，在在1.31.6m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，扩散分量，采用几微米厚的采用几微米厚的InGaAs，量子效率可接近，量子效率可接近100，这种这种InGaAs光光电二极管广

16、泛用于电二极管广泛用于1.3和和1.5m的光接收机中。的光接收机中。光电二极管的响应速度光电二极管的响应速度 光电二极管的响应速度主要由光生载流子通过耗尽层的光电二极管的响应速度主要由光生载流子通过耗尽层的渡越渡越（漂移）时间（漂移）时间、光生载流子在非耗尽层中的、光生载流子在非耗尽层中的扩散时间扩散时间以及以及RC的的充放电时间充放电时间所决定。所决定。载流子通过耗尽层的渡越时间载流子通过耗尽层的渡越时间ttr：vd为电子或空穴的漂移速度，为电子或空穴的漂移速度，由于空穴的漂移速度要小于由于空穴的漂移速度要小于电子的漂移速度，所以电子的漂移速度，所以载流载流子通过耗尽层的渡越时间主子通过耗尽

17、层的渡越时间主要依赖于空穴的漂移速度要依赖于空穴的漂移速度。（扩散时间也符合同样的规（扩散时间也符合同样的规律，不过速度要小）律，不过速度要小）讨论：讨论：增加增加i区区（耗尽区）的宽度能使器件的量子效率增加，但会使（耗尽区）的宽度能使器件的量子效率增加，但会使载流子的渡越时间增加，使器件的响应速率下降。载流子的渡越时间增加，使器件的响应速率下降。加大反向偏压加大反向偏压可使载流子的渡越时间缩短（电场增强，漂移可使载流子的渡越时间缩短（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。此时渡越时间按饱和漂移速度估算。度

18、。此时渡越时间按饱和漂移速度估算。RC充放电时间充放电时间主要由器件的结构和封装所决定。主要由器件的结构和封装所决定。四、雪崩光电二极管四、雪崩光电二极管雪崩光电二极管是具有内部电增雪崩光电二极管是具有内部电增益的光电探测器，可以用于检测微益的光电探测器，可以用于检测微弱的光信号。弱的光信号。具有雪崩效应的管子具有很高的具有雪崩效应的管子具有很高的内增益，内增益，Si增益可达增益可达100，因此输出，因此输出电流较大。电流较大。雪崩效应：（雪崩效应：（1）在）在p-n结上加很高的反向偏压，接近于击穿电压，使得结区内结上加很高的反向偏压，接近于击穿电压，使得结区内部形成高电场区。（）入射光产生的

19、电子和空穴，经过高场区时不断被加速部形成高电场区。（）入射光产生的电子和空穴，经过高场区时不断被加速而获得很高的能量，（而获得很高的能量，（3）这些高能量的电子或空穴在运动过程中与原子碰撞，）这些高能量的电子或空穴在运动过程中与原子碰撞，使晶格中的原子电离，产生新的电子一空穴对。新产生的电子空穴受到的同样使晶格中的原子电离，产生新的电子一空穴对。新产生的电子空穴受到的同样加速运动，又与原子碰撞电离，再次产生电子一空穴对，称为二次电子一空穴加速运动，又与原子碰撞电离，再次产生电子一空穴对，称为二次电子一空穴对。如此重复，使载流子和光电流迅速增大，称为对。如此重复，使载流子和光电流迅速增大，称为雪

20、崩倍增效应雪崩倍增效应。雪崩过程倍。雪崩过程倍增了一次光电流，使之得到放大，可用增了一次光电流，使之得到放大，可用倍增因子倍增因子M表示。表示。器件结构及原理器件结构及原理 结构：由四层组成结构：由四层组成n+层：高掺杂的层：高掺杂的n型半导体型半导体p层：层：p型半导体，型半导体，i（）层：）层：轻掺杂的轻掺杂的p型半导体，近于本征半导体，型半导体，近于本征半导体，p+层：高掺杂的层：高掺杂的p型半导体型半导体 原理：原理：i区：区：轻掺杂的轻掺杂的p型半导体，近于本征半导体，型半导体，近于本征半导体，很宽，（）可以充分吸收光子，提高光电很宽，（）可以充分吸收光子，提高光电转换效率。在该区内

21、产生的光生载流子称为转换效率。在该区内产生的光生载流子称为初级的电子空穴对，初级的电子空穴对，电子在电场作用下从电子在电场作用下从i区区向雪崩区漂移，进入雪崩区形成雪崩增益向雪崩区漂移，进入雪崩区形成雪崩增益，而所有的初级空穴则直接被而所有的初级空穴则直接被+层吸收。层吸收。（）（）i区还有分离初级电子和空穴的作用。区还有分离初级电子和空穴的作用。结区：结区：雪崩倍增区，雪崩倍增区，p型半导体，很窄，型半导体，很窄，（1）不能充分吸收光子，使相当多的光子透）不能充分吸收光子，使相当多的光子透射进入射进入i区；（）此处电场很强，大到足以区；（）此处电场很强，大到足以使载流子发生碰撞电离，产生雪崩

22、效应。使载流子发生碰撞电离，产生雪崩效应。n+层和层和p+层层分别收集产生的电子和空穴载流子分别收集产生的电子和空穴载流子雪崩增益过程雪崩增益过程 倍增因子倍增因子M随偏压增大而上升随偏压增大而上升，可以这样理解：偏压上升，耗尽层内的电，可以这样理解：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，场普遍增强，雪崩区变宽，倍增作用增强，M得以增大。得以增大。M与温度有关与温度有关，温度上升，倍增下降，引起输出光电流减小。所以，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，使用不如需要进行温度补偿，使用不如PIN方便。方便。设置保护环设置保护环：p-n+的边缘

23、要比光照区先出现反向击穿，暗电流增大。可在的边缘要比光照区先出现反向击穿，暗电流增大。可在n+区的外围制作区的外围制作n型掺杂的环状区，使边缘的反向击穿电压升高，雪崩效应型掺杂的环状区，使边缘的反向击穿电压升高，雪崩效应只在光照区域产生。只在光照区域产生。讨论讨论五、五、谐振腔增强型光电探测器谐振腔增强型光电探测器 谐振腔增强型谐振腔增强型(Resonant Cavity Enhanced,简称简称RCE)光光电探测器的概念是电探测器的概念是AT&T Bell实验室的实验室的Chin等人等人1990年提出年提出的一种非常有实用价值的高性的一种非常有实用价值的高性能光电探测器。能光电探测器。其结

24、构特点是在谐振腔中插其结构特点是在谐振腔中插入一薄层半导体吸收层，入射入一薄层半导体吸收层，入射光在光在F-P腔的作用下发生共振增腔的作用下发生共振增强吸收现象。强吸收现象。RCE Photodetector=Photodetector+Resonant Cavity薄吸收层：薄吸收层：高速率高速率多次吸收：多次吸收：高量子效率高量子效率 可以将谐振腔增强型光电探测器看成是光学滤波器与一般结可以将谐振腔增强型光电探测器看成是光学滤波器与一般结构构PIN探测器的有机结合，因而其具有很好的波长选择性。在探测器的有机结合，因而其具有很好的波长选择性。在WDM技术中，波长选择探测是一大关键，而技术中，波长选择探测是一大关键，而RCE光电探测器光电探测器所具有的窄响应线宽、高响应频带宽度等特点，使其成为所具有的窄响应线宽、高响应频带宽度等特点，使其成为WDM系统中理想的接收器件。系统中理想的接收器件。六、六、工作特性和参数工作特性和参数七、七、常用光电二极管常用光电二极管结束结束