光电探测器2021/3/111光电探测器的基本原理及一般分类光纤通信用光电二级管分类InGaAs PINPD光电二极管原理工艺及相关参数APD 光电二极管原理及相关参数小结2021/3/112光电探测器的基本原理及一般分类电磁波 2021/3/113光电探测器的基本原理及一般分类光电效应： 当光束投射到固体表面时，进入体内的光子如直接与电子作用（吸收、动量传递等），引起电子状态的转变，则固体的电学性质随之改变，这类现象统称为固体的光电效应。光电效应分类：光电导效应 、光伏效应2021/3/114光电探测器的基本原理及一般分类光电导效应： 半导体材料吸收光辐射而产生载流子（光生载流子），从而使半导体的导电率发生变化的现象。 光伏效应： 在有PN结的半导体材料中，外界光入射后产生的载流子在P区及N区堆积产生电势。2021/3/115光电探测器的基本原理及一般分类1 常用光电探测器分类： 按可探测的波长范围 紫外光探测器（200400nm）：GaN，金刚石膜，SiC ,ZnO,TiO2 可见光探测器（400780nm）:Si CdS、CdSe、CdTe 近红外光探测器（0.763um） 中红外光探测器（330um）： InGaAs、 AsGa、PbSe、InSb、 HgCdTe、 PbS. 远红外光探测器（301000um）“热探测器”TGS /SBN /LiNaO3etc. 很多探测器的探测范围是相互叠加的，因此可以实现较大波长范围的光测试。*注，红外光根据应用分类方法略微不同。 2 按照工作原理分: 光电导探测器/光伏探测器 3 按照结构分: 体材料,PN结.PIN.APD,MSM等2021/3/116光电探测器的基本原理及一般分类2021/3/117光纤通信用光电探测器光纤通信波长范围：1:塑料光纤（POF）通信波长范围 0.4-0.8um2021/3/1182:玻璃光纤通信波长范围 0.71.65umSMF （O E S C L 波段1260-1675nm） O初始波段：1260-1360 E扩展波段：1360-1460 S短波段：1460-1530 C常规波段：1530-1565 L长波段：1565-1625 U超长波段：162516752021/3/119光纤通信用光电探测器分类：1)吸收材料：Si GaAsInGaAsGe2021/3/1110光纤通信用光电探测器2)结构类型：PN（PositiveNegative）2021/3/1111光纤通信用光电探测器PIN（Positive-Intrinsic-Negative）2021/3/1112光纤通信用光电探测器APD (Avalanche-Photodiode )2021/3/1113光纤通信用光电探测器MSM (Metal-Semiconductor-Metal)2021/3/1114InGaAs PIN PD 工作原理1.IIIV 族半导体材料特性：2021/3/1115InGaAs PIN PD 工作原理2.晶格结构：闪锌矿晶格结构2021/3/11163 能带：Ec conduction ; Ev valence ; Eg band gap 固体由分立的原子凝聚而成因此固体中的电于状态不同于原子中的电子状态，但两者的电子状态之间又必定存在着联系。当每个原子都处于孤立状态时，电子都有相同的能级结构。如将这些孤立原子看作一个系统，那么每个电子能级都是简并的。如果将这些原子逐渐靠近。则它们之间的相互作用就会增强。首先是最外层的波函数发生交叠，这时相应于孤立原子的电子能级，内于原子之间的相互作用就要解除简并。原来具有相同能值的几个能级将分裂为具有不同能量值的几个能级。原于的间距愈小，电子波函数的交叠就越厉害，则分裂出来的能级之间的能量差距就放大。若由N个相同原子聚集而成为固体，则相应于孤立原子的每个能级将分裂成N个能级。由于原子数N很大，所以分裂出来的能级将是 十分密集的。它们形成一个能量数值上准连续的能带，称为允许带。由不同的原子能级所形成的允许带之间的间隔为禁止能带。 2021/3/1117 2021/3/11184 光电吸收 A：hv=Eg时，电子会从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。 B：hvEg时，不会发生电子跃迁。2021/3/11195: 异质结，PIN结构及特点 PN结使用同种材料制作的称为同质结，采用不同材料制作的称为异质结。另外还有同型同质结，异型异质结。采用两种材料制作的形成的异质结具有某些同质结不具备的功能。如，异质结晶体管中用宽带的一侧做发射极会得到较高的注入比等，在激光器的应用中的载流子及光子的限制作用，PD中的透明窗口作用等。2021/3/11202021/3/1121单的PN结，是在反向偏压作用下增加内建电场和耗尽层厚度。在入射光的作用下产生电子空穴对，这些电子空穴对在耗尽层内的以较高的速度漂移，在耗尽层外则以扩散速度向两个电极运动，因此总的速度较慢，要增加响应速度就不得不增加反压来增加耗尽层宽度。另外的办法是使N层的掺杂浓度降低来从而在固定的偏压下获得较高的耗尽层厚度，从而提高速度。因而考虑在PN结中间增加I（近乎本征）层的区域。Va：外加偏压Nd： 载流子浓度Wd：耗尽层厚度2021/3/11226 PIN PD的光电特性6.1 量子效率和响应度R=0.85A/W1310nm GaAs PD :R=0.5A/W850nm2021/3/11236.2 暗电流（IdVr关系） 无光照射下，在外加偏压下的PD电流。 暗电流根据形成机理主要分： 扩散电流，产生复合电流，隧穿电流，表面漏电流6.2.1扩散电流Idiff：耗尽区周围的非耗尽区P区和n区内的少数载流子向耗尽区扩散形成的电流。扩散电流密度Jdiff：Js: 饱和扩散电流密度 ni: 本征载流子密度 Dp：空穴扩散系数 Lp ：空穴扩散长度2021/3/11246.2.2 产生复合电流（Generationrecombination current）Ig-r:耗尽区内的电子空穴对产生和复合形成的电流。teff是：载流子等效寿命在Vr反偏电压较低的时候，暗电流主要是以上两种因素。且产生复合电流是温度较低的情况占主要地位，扩散电流是温度较高情况下占主要地位。6.2.3 隧穿电流（Tunneling Current）当外加偏压足够高时，隧穿电流逐渐占主要地位。隧穿电流的主要特性是类似于指数变化的软击穿特性。6.2.4 表面漏电流（Leakage current） 由于表面钝化工艺引起的表面电荷迁移引起。80um diameter InGaAs Planar PIN PD Id=50pA(低偏压到中等偏压时，Id与面积成正比，偏压较高时Id与直径成正比，见后图)2021/3/11252021/3/11266.2.5 Id VS Temp.从图中可以看出低于320K是，在中等偏压范围，Id随Vr有轻微的变化，大于320K时与偏压几乎无关。2021/3/1127从图中可以得知，在297K以下，Idexp（E/2kT）297K 以上，Idexp （E/kT) 变化。因此变化更快。2021/3/11286.2.6反向击穿电压(Vb)PD在反向偏置时,当暗电流达到某个特定值如(10uA 或1uA)时的电压值.测试时,限制电流不应该超过PD的最大额定电流,否则会造成PD的损坏(曲线参考I-V 反向曲线)6.2.7 正向开通电压(VF)与Vb定义相反,当正向偏置下电流达到某个特定值时电压值,一般定义电流为1mA下的电压值为开通电压.2021/3/11296.3 结电容（CV特性曲线）此公式适用于外加电势在最大耗尽层之内,超过最大耗尽层后,Va增加不会导致Wd增加. 2021/3/1130典型的CV曲线图2021/3/11316.6 串联电阻串联电阻Rs Ws 衬底厚度,Wd 耗尽层厚度, 表面电阻率6.7频率响应频率响应fr fr指输出电信号幅度下降3dB时的频率值,表征PD响应速度的快慢. tr,tf 指PD对于输出为方脉冲的10-90%的上升或下降时间 tdrift:载流子在耗尽层平均漂移时间 tdiffused:载流子在非耗尽层的扩散时间. tRC 二极管电路的寄生RC常数 2021/3/1132带宽计算常用公式2021/3/1133典型PD带宽图 5V 10V2021/3/1134fr-Wd and Area2021/3/11356.7 模拟应用时的模拟应用时的IMD2.IMD3 指标指标 IMD (Intermodulation distortion), CSO( Composite Second Order) CTB (Composite Triple Beat) 对一般测试:取A=B 所以三阶非线形成的频率为: 1 ; 2 21; 22 1-2; 1+2 31 ; 32 21-2; 21+2; 22-1; 22+1 CATV PIN PD测试频率: f1:50MHz f2:505MHz f1:400MHz f2:450.25MHzPin=1mW(P1=P2=0.5mW OMI=40%)RL=50ohm或75ohm IMD2-70dBcIMD3-80dBc2021/3/11366.8 InGaAs/InP PD光谱吸收特征InP:Eg=1.3eVIn0.53Ga0.47As:Eg=0.75eVEg InGaAshvEg InP解释:1.短波长截至2:光谱斜率不直3:温度关系 2021/3/11376.9 等效电路2021/3/11387.APD 普通PD最多只能达到量子效率100%,即一个光子最多只能产生一对光生载流子.而APD是利用一次光生载流子在高场强耗尽区加速到一定能量后利用碰撞电离效应而产生二次光生载流子,类似与使信号放大. 原理示意:2021/3/11397.1 InGaAs APD典型结构 SAGCM (Separate absorption, grading, charge, and multiplication structure) 2021/3/1140 7.2 典型反向IV曲线 M 2021/3/11417.3 性能参数 7.3.1击穿电压Vb 同PIN一样定义反向暗电流达到指定值10uA(100uA)下的电压值. 7.3.2 工作电压 为了维持倍增区的高场强维持较高的倍增因子, 又不使APD反向击穿,一般使用0.9Vb作为工作电压.在实际应用中动态调整. 7.3.3 击穿电压温度系数 0.09V/K 7.3.4 倍增因子 InGaAsAPD 一般倍增因子M=910 7.3.5 暗电流/过剩噪声因子 指定电压下的电流,APD指0.9Vb下的暗电流值. 由于雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数F 7.3.6 增益带宽积 APD的带宽与增益的乘绩,带宽与增益一定程度上有相互制约的关系,优化设计可以获得最佳的APD的增益带宽积.2021/3/1142