光电子器件大作业光电子器件大作业 题目：题目：结型光电探测器结型光电探测器 姓名：姓名： 班级：班级： 学号：学号： 2011 年 6 月 15 日 中文摘要中文摘要： 结型光电探测器又称为势垒型光电探测器。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，因势垒型光电探测 器是对光照敏感的“结”构成的。常见的器件有光电池、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。 结型光电探测器正朝着超高速、高灵敏度、宽带宽以及高集成的 方向发展，它可广泛地应用于广度测量、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。 English AbstractEnglish Abstract： Junction photodetectors, also known as barrier-type detector.The barrier made of photovoltaic effect is called the photoelectric detector, due to the barrier photodetector is sensitive to light “knot “ formed. Commonly there are light battery device, photodiode, PIN transistor, avalanche photodiodes, optoelectronics and optical FET transistor. Junction photodetector is developing in high speed, high sensitivity,wide bandwidth and high integration of direction, it can be widely used breadth of measurement, optical switch alarm systems, photoelectric detection, image capture, optical communication,automatic control, etc. 正文：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 0.450.6V 之间。 （3）主要参数（硅） 光谱范围：0.41.1m, p= 0.80.9m, = 10-5 10-6s, Vs= 450 600mV, is= 1630mA 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A 到几十A，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。 3、特性 （1）伏安特性 光电二极管的外电路电流为：i = idis 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，isps曲线为线性。 （3）参数（硅光电二极管） 电流响应度 Rv= 0.4 0.5A/W 量级；光谱响应：可见光 近红外，0.8-0.9m 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 = 10m，v = 107cm/s, t D100ps，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 1、结构 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。 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：DnLp 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。 PIN 结构示意图 反偏工作时的场分布 InGaAsPIN 光电二极管的 结构示意图 InP：带隙 1.35eV，对于0.9m 的光透明 InGaAs：带隙 0.75eV，截止波长c=1.65m，与 InP 晶格匹 配，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 1.5m 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(-sx) P(0)、P(x)分别为半导体表面和深度为 x 处的光功率，s是 材料对光的吸收系数。当 x =1/s时，P(x) = P(0) / e，令= 1/ s 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