第14-3章光电探测器ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,14,章 光器件,14.1,光学吸收,14.2,太阳能电池,14.3,光电探测器,14.5,光电二极管,14.4,光致发光和电致发光,第14章 光器件14.1 光学吸收 14.2 太阳能电池,2,-,外光电效应,物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做,外光电效应,。,基于外光电效应的光电器件有,光电管、光电倍增管,。,光电效应,光 电,方式一,2 -外光电效应物体内的电子逸出物体表面向外发射,3,爱因斯坦光电效应方程：,1.,光电子能否产生，取决于光子的能量是,否大于该物体的表面电子逸出功,A,。,2.,一定时，产生的光电流和光强成正比。,3.,逸出的光电子具有动能。,3爱因斯坦光电效应方程：1.光电子能否产生，取决于光子的能,4,4,5,1,光电导效应,在光线作用下，电子,吸收光子,能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料,电导率的变化,。,基于这种效应的光电器件有,光敏电阻,。,光电导效应,-,内光电效应,当光照在物体上，使物体的,电导率,发生变化，或,产生光生电动势,的效应。,光 电,方式二,51光电导效应光电导效应,6,自由电子所占能带,不存在电子所占能带,价电子所占能带,禁带,导带,价带,Eg,电子能量,E,h,E,g,当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强,光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。,-,内光电效应,光电效应,6自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带禁带导带价,7,光电效应,光照射,PN,结时，若,h,Eg,，使价带中的电子跃迁到导带，产生电子空穴对，在,阻挡层内电场,作用下，电子偏向,N,区外侧，空穴偏向,P,区外侧，使,P,区带正电,，,N,区带负电,，,形成光生电动势。,光生伏特效应：,在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。,基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管,。,P,N,-,内光电效应,光电效应,7光电效应光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一定方向电,8,1,。按照材料分。,2,。按照器件波段分类。,可见,Si,、,InGaAs,，,红外,Ge,、,InGaAs,、,GaAs,，,远红外,TeCdHg,3,。按照器件结构分类。,PD,、,PIN,、,APD,、,MSM,4,。按照内部增益分类。,无：,PD,、,PIN,、,MSM,。,有：,APD,14.3,光电探测器,凡是把,光辐射量,转换为,电量,(,电流或电压,),的光探测器,，,都称为,光电探测器,。,81。按照材料分。14.3 光电探测器凡是把光辐射量转换为,9,(1),依材料分类,无论是直接带隙半导体材料还是间接带隙半导体材料，都能够用来制备半导体光电探测器件。,而半导体发光器件要求半导体材料必须是直接带隙半导体材料。,因此，在这一点上，光电探测器件对材料的要求比发光器件,宽容一些,。材料有四族、,II-IV,族等半导体，例如,族的,Si,、,Ge,和,SiGe,合金，,III-V,族的,GaAs,、,InGaAs,、,InGaAsP,、,InGaN,等。异质结材料能够提供,透明的窗口,、,完全的光学限制和优异的导波特性,，异质结构的光电探测器性能超群，显示出了更多的好处，,9(1)依材料分类,10,按器件响应波段分,常用的光电接收器材料,常用光电接收器的材料有硅锗等,右图为几种常用材料的响应曲线,光电接收器的基本性能：响应波长，敏感度，噪声性能等,Wavelength nm,500,1000,1500,Silicon,Germanium,InGaAs,Quantum,Efficiency=1,0.1,0.5,与书上图,-,相同,10按器件响应波段分常用的光电接收器材料常用光电接收器的材,11,(3),依器件结构分类,结构主要有四种：,光电二极管、,PIN,光电二极管、雪崩光电二极管和,MSM,光电探测器。,PN,结光电二极管结构最简单，,PIN,光电二极管结构稍复杂一些，性能优异、应用最广；雪崩光电二极管结构复杂，同时兼有探测和放大两种功能；,MSM,光电探测器无需制造,pn,结，适合于难于掺杂的半导体材料。,11(3)依器件结构分类 结构主要有四种：光电二极管、PIN,12,光电探测器工作原理,普通光电二极管,(PD),-pn,结,PIN,光电二极管,-pn,结,+I,层,雪崩光电二极管,-PIN+p,层,半导体光电探测器的,依据,：,能够吸收光能并把光变为电。,半导体材料对光的吸收可分：,本征吸收、,激子吸收、,晶格振动吸收、,杂质吸收,和,自由载流子吸收。,12光电探测器工作原理普通光电二极管(PD)-p,13,半导体光电探测器的,原理,：,无论是直接带隙半导体还是间接带隙半导体，都能制成光电探测器。,光于能量较大,(Eg),时，将发生,本征吸收,，而能量大于能带同杂质能级之差时，可观察到杂质吸收、自由载流子吸收。,本征吸收、杂质吸收,等是半导体吸收光的主要机制，从而构成光电探测器工作的基础。,13半导体光电探测器的原理：无论是直接带隙半导体还是间接带,14,光辐射照射外加电压的半导体。如果光波长,满足如下条件，即：,(,本征,),本征吸收,是半导体吸收光的主要机制，从而构成,光电探测器工作的基础,。,14光辐射照射外加电压的半导体。如果光波长满足如下条件，即,15,图,材料吸收系数随波长的变化情况,材料的带隙决定了,截止波长要大于被检测的光波波长,，否则材料对光,透明,，不能进行光电转换。,Si,光电二极管的波长响应范围,0.5,1m,。,Ge,和,InGaAsPIN,光电管的波长响应范围约为,11.7,m,。,15图 材料吸收系数随波长的变化情况 材料的带隙决定了截止,16,普通光电二极管,(PD),光电二极管作成的光检测器的核心是,PN,结的光电效应。,P,N,16普通光电二极管(PD)光电二极管作成的光检测器的核心是P,17,半导体中的光发射,(e),反向偏置的,pn,结,光电二极管（,PD,）是一个工作在,反向偏压,下的,PN,结,二极管，,当,PN,结加反向偏压时,，外加电场方向与,PN,结的内建电场方向一致，势垒加强，在,PN,结界面附近载流子基本上耗尽形成,耗尽区,。,当光束入射到,PN,结上，且,光子能量,h,v,大于半导体材料的带隙,E,g,时，,价带上的电子吸收光子能量跃迁到导带上,，形成一个,电子,空穴对,。,17半导体中的光发射(e)反向偏置的pn结光电二极管（PD,18,在耗尽区，在内建电场的作用下,电子向,N,区漂移,，,空穴向,P,区漂移,，,如果,PN,结外电路构成回路，就会形成光电流。当入射光功率变化时，光电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电信号。当入射光子能量小于,E,g,时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，即产生光电效应必须满足：,即存在,这是必要条件，还要满足波长响应度！,18 在耗尽区，在内建电场的作用下电子向N区,19,P,N,R,E,-,+,I,s,光电二极管,(PD),反向,p,接,-,n,接,+,n,区电子,n,端,，,p,区空穴,p,端,19PNRE-+Is光电二极管(PD)反向 p接-,20,R,E,-,+,I,当光照射时，光敏二极管处于,导通,状态,=,1,状态,。,当光不照射时，光敏二极管处于,截止,状态,=,0,状态,。,P,N,20RE-+I当光照射时，光敏二极管处于导通状态=1状态,21,降低半导体材料的掺杂浓度可以,增加耗尽层的宽度,。因此往往在,P,型材料与,N,型材料的中间插入一层掺杂浓度十分低的,I,型,半导体材料（接近本征型）以形成较宽的耗尽层。,PIN,光电二极管,PIN,光电二极管工作原理,21降低半导体材料的掺杂浓度可以增加耗尽层的宽度。因此往往在,22,PIN,光二极管中的,I,区之电场强度远远大于,P,区与,N,区中的电场，从而保证了光子载流子的定向运动以形成光电流。,PIN,光电二极管工作原理,高场强,22PIN 光二极管中的I 区之电场强度远远大于P 区与N,23,PIN,光电二极管及能带图,反向偏置时，,整个,I,区都为耗尽层,，在耗尽层中电场作用下，光生载流子会很快地扫过耗尽层，,电子到达,n,区，空穴到达,p,区,，在外电路上形成光电流。,23PIN光电二极管及能带图反向偏置时，整个I区都为耗尽层，,24,PIN,光电二极管动画,24PIN光电二极管动画,25,InGaAs PIN PD,PIN,光电二极管实例,25InGaAs PIN PDPIN光电二极管实例,26,光电探测器结构,普通光电二极管,(PD),-pn,结,PIN,光电二极管,-pn,结,+I,层,雪崩光电二极管（,APD,）,-PIN+p,层,26光电探测器结构普通光电二极管(PD)-pn结,27,雪崩光电二极管的结构,当耗尽区中的,场强达到足够高,时，入射光产生的电子或空穴将不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子和空穴在运动过程中与晶格碰撞，使晶体中的,原子电离,，激发出,新的电子,空穴对,。这些碰撞电离产生的电子和空穴在场中也被加速，也可以电离其它的原子。,经过多次电离后，载流子迅速增加，形成雪崩倍增效应。,雪崩光电二极管（,A P,D,）,27雪崩光电二极管的结构雪崩光电二极管（A P D）,28,AP,D,就是,利用雪崩倍增效应,使,光电流得到倍增,的高灵敏度的检测器。,下图为一种被称为拉通型,AP,D,（,RAP,D,）的结构。,层为低掺杂区（接近本征态），而且很宽。当偏压加达到一定程度后，耗尽区将被拉通到,层，一直抵达,P,+,层。,这是一种全耗尽型结构，,具有光电转换效率高、响应速度快和附加噪声低等优点。,雪崩光电二极管的结构,28 APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增,29,P,与,N+,分别为重掺杂的,P,型材料与,N,型材料，,为近似本征型的材料。,当外加反向偏压较低时，它与,PIN,光二极管相似，即入射光仅能产生较小的光电流。随着反向偏压的增大，其耗尽层的宽度也逐渐增加，当反向偏压增加到一定数值（如,100,伏以上）时，则耗尽层会穿过,P,区而进入,区形成了高电场区与漂移区。,拉通型,AP,D,耗尽层,”,拉通,”,到整个,区,29P与 N+分别为重掺杂的P 型材料与N 型材料，为近,30,在高电场区，由入射光产生的空穴电子对在高电场作用下,高速运动。,由于其速度很快而具有很大的动能，所以在运动过程中会出现,“碰撞电离”,现象而产生新的二次空穴电子对。同样，二次空穴电子对在高电场区运动又可以通过“碰撞电离”效应产生,三次、四次空穴电子对,。这样以来，由入射光产生的一个首次空穴电子对，可能会产生几十个或几百个空穴电子对，即所谓,“倍增”效应,，如图所示。,雪崩光电二极管的原理,30在高电场区，由入射光产生的空穴电子对在高电场作用下高速运,31,在漂移区，虽不具有象高电场区那样的高电场，但,对于维持一定的载流子速度来讲，该电场是足够的。,总之，在同样大小入射光的作用下，由于倍增效应，,APD,光二极管可以产生比,PIN,光二极管,高得多的光电流。,雪崩光电二极管的原理,31在漂移区，虽不具有象高电场区那样的高电场，但对于维持一定,32,倍增的高电场区集中在,pn,+,结附近窄的区域内。随着偏置电压的增加，结区的耗尽层,逐渐加宽,，直到,p,区的载流子全部耗尽，是,p,区成为耗尽区。进一步加大偏置电压，耗尽区逐渐扩大，,直至“拉通”到整个,区。,区较宽以提高量子效率。,区电场比,pn,+,结区电场低。,入射光子在,区吸收后建立一次电子空穴对，其中电子在电场作用下向,pn,+,结漂移，,并在,pn,+,结区内产生雪崩倍增,；一次空穴则直接被,P,+,吸收。,32 倍增的高电场区集中在pn+结附近窄的区域,33,APD,光电二极管动画,33APD