光電探測器原理（什么是光電探測器）

一、什么是光電探測器

光電探測器在光通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)將光轉(zhuǎn)變成電的作用，這主要是基于半導(dǎo)體材料的光生伏te效應(yīng)，所謂的光生伏te效應(yīng)是指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。(光電導(dǎo)效應(yīng)是指在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化的象。

即當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若這個(gè)光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光電材料價(jià)帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大是指由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率改變的一種物理現(xiàn)象，光子作用于光電導(dǎo)材料，形成本征吸收或雜質(zhì)吸收，產(chǎn)生附加的光生載流子，從而使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)。)

二、工作原理

光電探測器的基本工作機(jī)理包括三個(gè)過程：(1)光生載流子在光照下產(chǎn)生;(2)載流子擴(kuò)散或漂移形成電流;(3)光電流在放大電路中放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號。當(dāng)探測器表面有光照射時(shí)，如果材料禁帶寬度小于入射光光子的能量即Eg

當(dāng)光在半導(dǎo)體中傳輸時(shí)，光波的能量隨著傳播會逐漸衰減，其原因是光子在半導(dǎo)體中產(chǎn)生了吸收。半導(dǎo)體對光子的吸收zui主要的吸收為本征吸收，本征吸收分為直接躍遷和間接躍遷。通過測試半導(dǎo)體的本征吸收光譜除了可以得到半導(dǎo)體的禁帶寬度等信息外，還可以用來分辨直接帶隙半導(dǎo)體和間接帶隙半導(dǎo)體。本征吸收導(dǎo)致材料的吸收系數(shù)通常比較高，由于半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)所以半導(dǎo)體具有連續(xù)的吸收譜。從吸收譜可以看出，當(dāng)本征吸收開始時(shí)，半導(dǎo)體的吸收譜有一明顯的吸收邊。但是對于硅材料，由于其是間接帶隙材料，與三五族材料相比躍遷幾率較低，因而只有非常小的吸收系數(shù)，同時(shí)導(dǎo)致在相同能量的光子照射下在硅材料中的光的吸收深度更大。直接帶隙材料的吸收邊比間接帶隙材料陡峭很多，如圖 畫出了幾種常用半導(dǎo)體材料(如 GaAs、InP、InAs、Si、Ge、GaP 等材料)的入射光波長和光吸收系數(shù)、滲透深度的關(guān)系。



三、性能指標(biāo)

光電探測器的性能指標(biāo)主要由量子效率、響應(yīng)度、響應(yīng)速度和本征帶寬、光電流，暗電流和噪聲等指標(biāo)組成：

1、量子效率：



(wa 表示吸收層的厚度，αs表示光吸收系數(shù)，入射波長 λ、材料消光系數(shù) k 決定吸收系數(shù) αs=4πk/λ。)考慮實(shí)際情況，入射光在探測器表面會被反射。同時(shí)探測器表面存在一定寬度的接觸摻雜區(qū)域，其中也會產(chǎn)生光子的消耗，考慮以上兩種因素的量子效率的表達(dá)式：






其中 d 表示接觸層厚度，Rf表示光電探測器表面的反射率。反射率與界面的折射率 nsc和吸收層的消光系數(shù) κ 有關(guān)，Rf可以表示成下式：



2、響應(yīng)度

定義為光電探測器產(chǎn)生光電流與入射光功率比，單位通常為 A/W。響應(yīng)度與量子效率的大小有關(guān)，為量子效率的外在體現(xiàn)。 響應(yīng)度 R ：



IP表示光電探測器產(chǎn)生的光電流，Pr代表入射光功率。則量子效率可變?yōu)橄率奖硎荆?/p>



進(jìn)而可獲得響應(yīng)度反應(yīng)式為：



可知響應(yīng)度與量子效率成正比，由于硅材料本身為間接帶隙，所以材料的量子效率較低，硅基光電探測器的響應(yīng)度也較小。

3、響應(yīng)速度和反應(yīng)帶寬：

響應(yīng)速度可以用光生載流子的渡越時(shí)間表示，載流子的渡越時(shí)間外在的頻率響應(yīng)的表現(xiàn)就是探測器的帶寬。光生載流子的渡越時(shí)間在光生電流變化中表現(xiàn)為兩部分：上升時(shí)間和下降時(shí)間。通常取上升時(shí)間和下降時(shí)間中的較大者衡量探測器的響應(yīng)速度。決定探測器響應(yīng)速度的因素主要有：

⑴耗盡區(qū)載流子渡越時(shí)間：載流子的渡越時(shí)間是影響探測器響應(yīng)速度的最重要因素，當(dāng)耗盡區(qū)電場強(qiáng)度達(dá)到最大時(shí)， Wd 表示載流子的最大漂移速度，W表示耗盡區(qū)寬度，那么載流子的渡越時(shí)間為：

t=W/Vd

⑵耗盡區(qū)外載流子擴(kuò)散時(shí)間：載流子擴(kuò)散的速度較慢，同時(shí)大多數(shù)產(chǎn)生于耗盡區(qū)之外的載流子的壽命非常短，復(fù)合發(fā)生速度快。所以擴(kuò)散運(yùn)動只對距離耗盡區(qū)范圍較近的載流子才能通過擴(kuò)散運(yùn)動達(dá)到耗盡區(qū)中，并在電場中漂移產(chǎn)生光電流。Dc表示載流子的擴(kuò)散系數(shù)，d 表示擴(kuò)散距離，則擴(kuò)散時(shí)間如下式：



⑶光電二極管耗盡區(qū)電容：越大，響應(yīng)速度就越慢。

為了達(dá)到zui 優(yōu)的探測器的響應(yīng)速度，需要在探測器的吸收層厚度和光電探測器的面積中折衷。如增大探測器材料的吸收層厚度可以有效減小耗盡區(qū)平板電容，同時(shí)可增大吸收層厚度可以提高探測器的量子效率。但是吸收層厚度的增加導(dǎo)致耗盡區(qū)寬度的變大，是光生載流子渡越時(shí)間變長而有可能降低探測器的響應(yīng)速度。

⑷暗電流和噪聲

光電流指在入射光照射下光電探測器所產(chǎn)生的光生電流，暗電流可以定義為沒有光入射的情況下探測器存在的漏電流。其大小影響著光接收機(jī)的靈敏度大小，是探測器的主要指標(biāo)之一。暗電流主要包括以下幾種：①耗盡區(qū)中邊界的少子擴(kuò)散電流;②載流子的產(chǎn)生-復(fù)合電流，通過在加工中消除硅材料的晶格缺陷，可以有效減小載流子的產(chǎn)生-復(fù)合電流，通常對于高純度的單晶硅產(chǎn)生-復(fù)合電流可以降低到2*1011A/nm2 以下;③表面泄漏電流，在制造工藝結(jié)束時(shí)，對芯片表面進(jìn)行鈍化處理，可以將表面漏電流降低到 1011A/nm2量級。當(dāng)然，暗電流也受探測器工作溫度和偏置電壓的影響。探測器的暗電流與噪聲是分不開的，通常光電探測器的噪聲主要分為暗電流噪聲、散粒噪聲和熱噪聲：a暗電流噪聲：對于一個(gè)光電探測器來講，可接收的最小光功率是由探測器的暗電流決定的，所以減小探測器的暗電流能提高光接收機(jī)的靈敏度;b散粒噪聲：當(dāng)探測器接收入射光時(shí)，散粒噪聲就產(chǎn)生于光子的產(chǎn)生-復(fù)合過程中。由于光生載流子的數(shù)量變化規(guī)律服從泊松統(tǒng)計(jì)分部，所以光生載流子的產(chǎn)生過程存在散粒噪聲;c熱噪聲：由于導(dǎo)體中電子的隨機(jī)運(yùn)動會產(chǎn)生導(dǎo)體兩端電壓的波動，因此就會產(chǎn)生熱噪聲。光電探測器的電路模型中包含的電阻為其熱噪聲的主要來源。

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