光電探測器芯片

1、光電探測器 光電探測器的基本原理及一般分類 光纖通信用光電二級管分類 InGaAs PINPD光電二極管原理工藝及相關(guān)參數(shù) APD 光電二極管原理及相關(guān)參數(shù) 小結(jié)光電探測器的基本原理及一般分類 電磁波 *f光電探測器的基本原理及一般分類光電效應(yīng)： 當(dāng)光束投射到固體表面時，進(jìn)入體內(nèi)的光子如直接與電子作用（吸收、動量傳遞等），引起電子狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，則固體的電學(xué)性質(zhì)隨之改變，這類現(xiàn)象統(tǒng)稱為固體的光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分類：光電導(dǎo)效應(yīng) 、光伏效應(yīng)光電探測器的基本原理及一般分類 光電導(dǎo)效應(yīng)： 半導(dǎo)體材料吸收光輻射而產(chǎn)生載流子（光生載流子），從而使半導(dǎo)體的導(dǎo)電率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 光伏效應(yīng)： 在有PN結(jié)的半導(dǎo)體材

2、料中，外界光入射后產(chǎn)生的載流子在P區(qū)及N區(qū)堆積產(chǎn)生電勢。光電探測器的基本原理及一般分類 1 常用光電探測器分類： 按可探測的波長范圍 紫外光探測器（200400nm）：GaN，金剛石膜，SiC ,ZnO,TiO2 可見光探測器（400780nm）:Si CdS、CdSe、CdTe 近紅外光探測器（0.763um） 中紅外光探測器（330um）： InGaAs、 AsGa、PbSe、InSb、 HgCdTe、 PbS. 遠(yuǎn)紅外光探測器（301000um）“熱探測器”TGS /SBN /LiNaO3etc. 很多探測器的探測范圍是相互疊加的，因此可以實現(xiàn)較大波長范圍的光測試。*注，紅外光根據(jù)應(yīng)用分

3、類方法略微不同。 2 按照工作原理分: 光電導(dǎo)探測器/光伏探測器 3 按照結(jié)構(gòu)分: 體材料,PN結(jié).PIN.APD,MSM等光電探測器的基本原理及一般分類光纖通信用光電探測器 光纖通信波長范圍： 1:塑料光纖（POF）通信波長范圍 0.4-0.8um 2:玻璃光纖通信波長范圍 0.71.65umSMF （O E S C L 波段1260-1675nm） O初始波段：1260-1360 E擴展波段：1360-1460 S短波段：1460-1530 C常規(guī)波段：1530-1565 L長波段：1565-1625 U超長波段：16251675光纖通信用光電探測器 分類：1)吸收材料： Si GaAs

4、InGaAs Ge光纖通信用光電探測器2)結(jié)構(gòu)類型： PN（PositiveNegative）光纖通信用光電探測器 PIN（Positive-Intrinsic-Negative）光纖通信用光電探測器 APD (Avalanche-Photodiode )光纖通信用光電探測器 MSM (Metal-Semiconductor-Metal)InGaAs PIN PD 工作原理1.IIIV 族半導(dǎo)體材料特性：InGaAs PIN PD 工作原理2.晶格結(jié)構(gòu)：閃鋅礦晶格結(jié)構(gòu) 3 能帶：Ec conduction ; Ev valence ; Eg band gap 固體由分立的原子凝聚而成因此固體中

5、的電于狀態(tài)不同于原子中的電子狀態(tài)，但兩者的電子狀態(tài)之間又必定存在著聯(lián)系。當(dāng)每個原子都處于孤立狀態(tài)時，電子都有相同的能級結(jié)構(gòu)。如將這些孤立原子看作一個系統(tǒng)，那么每個電子能級都是簡并的。如果將這些原子逐漸靠近。則它們之間的相互作用就會增強。首先是最外層的波函數(shù)發(fā)生交疊，這時相應(yīng)于孤立原子的電子能級，內(nèi)于原子之間的相互作用就要解除簡并。原來具有相同能值的幾個能級將分裂為具有不同能量值的幾個能級。原于的間距愈小，電子波函數(shù)的交疊就越厲害，則分裂出來的能級之間的能量差距就放大。若由N個相同原子聚集而成為固體，則相應(yīng)于孤立原子的每個能級將分裂成N個能級。由于原子數(shù)N很大，所以分裂出來的能級將是 十分密集的

6、。它們形成一個能量數(shù)值上準(zhǔn)連續(xù)的能帶，稱為允許帶。由不同的原子能級所形成的允許帶之間的間隔為禁止能帶。 4 光電吸收 A：hv=Eg時，電子會從價帶躍遷到導(dǎo)帶，形成電子空穴對。 B：hvEg時，不會發(fā)生電子躍遷。 5: 異質(zhì)結(jié)，PIN結(jié)構(gòu)及特點 PN結(jié)使用同種材料制作的稱為同質(zhì)結(jié)，采用不同材料制作的稱為異質(zhì)結(jié)。另外還有同型同質(zhì)結(jié)，異型異質(zhì)結(jié)。采用兩種材料制作的形成的異質(zhì)結(jié)具有某些同質(zhì)結(jié)不具備的功能。如，異質(zhì)結(jié)晶體管中用寬帶的一側(cè)做發(fā)射極會得到較高的注入比等，在激光器的應(yīng)用中的載流子及光子的限制作用，PD中的透明窗口作用等。單的PN結(jié)，是在反向偏壓作用下增加內(nèi)建電場和耗盡層厚度。在入射光的作用下

7、產(chǎn)生電子空穴對，這些電子空穴對在耗盡層內(nèi)的以較高的速度漂移，在耗盡層外則以擴散速度向兩個電極運動，因此總的速度較慢，要增加響應(yīng)速度就不得不增加反壓來增加耗盡層寬度。另外的辦法是使N層的摻雜濃度降低來從而在固定的偏壓下獲得較高的耗盡層厚度，從而提高速度。因而考慮在PN結(jié)中間增加I（近乎本征）層的區(qū)域。Va：外加偏壓Nd： 載流子濃度Wd：耗盡層厚度drdqNVaW0)(2 6 PIN PD的光電特性 6.1 量子效率和響應(yīng)度R =0.85A/W1310nm GaAs PD :R=0.5A/W850nmRRqhcRqhhPinq24. 1/Ip入射光子數(shù)產(chǎn)生的電子空穴數(shù))/)(/(mWmAWAPI

8、Rinp)1 (0101WddeeT 6.2 暗電流（IdVr關(guān)系） 無光照射下，在外加偏壓下的PD電流。 暗電流根據(jù)形成機理主要分： 擴散電流，產(chǎn)生復(fù)合電流，隧穿電流，表面漏電流6.2.1擴散電流Idiff：耗盡區(qū)周圍的非耗盡區(qū)P區(qū)和n區(qū)內(nèi)的少數(shù)載流子向耗盡區(qū)擴散形成的電流。擴散電流密度Jdiff：Js: 飽和擴散電流密度 ni: 本征載流子密度 Dp：空穴擴散系數(shù) Lp ：空穴擴散長度ppisdiffnLDqnJskTqVJJ/ 1)/exp(26.2.2 產(chǎn)生復(fù)合電流（Generationrecombination current）Ig-r:耗盡區(qū)內(nèi)的電子空穴對產(chǎn)生和復(fù)合形成的電流。te

9、ff是：載流子等效壽命在Vr反偏電壓較低的時候，暗電流主要是以上兩種因素。且產(chǎn)生復(fù)合電流是溫度較低的情況占主要地位，擴散電流是溫度較高情況下占主要地位。6.2.3 隧穿電流（Tunneling Current）當(dāng)外加偏壓足夠高時，隧穿電流逐漸占主要地位。隧穿電流的主要特性是類似于指數(shù)變化的軟擊穿特性。6.2.4 表面漏電流（Leakage current） 由于表面鈍化工藝引起的表面電荷遷移引起。80um diameter InGaAs Planar PIN PD Id=50pA(低偏壓到中等偏壓時，Id與面積成正比，偏壓較高時Id與直徑成正比，見后圖) 1)2/)exp(/(kTqVWqnJ

10、effdigrdIdIdd26.2.5 Id VS Temp.從圖中可以看出低于320K是，在中等偏壓范圍，Id隨Vr有輕微的變化，大于320K時與偏壓幾乎無關(guān)。從圖中可以得知，在297K以下，Idexp（E/2kT）297K 以上，Idexp （E/kT) 變化。因此變化更快。6.2.6反向擊穿電壓(Vb)PD在反向偏置時,當(dāng)暗電流達(dá)到某個特定值如(10uA 或1uA)時的電壓值.測試時,限制電流不應(yīng)該超過PD的最大額定電流,否則會造成PD的損壞(曲線參考I-V 反向曲線)6.2.7 正向開通電壓(VF)與Vb定義相反,當(dāng)正向偏置下電流達(dá)到某個特定值時電壓值,一般定義電流為1mA下的電壓值為

11、開通電壓. 6.3 結(jié)電容（CV特性曲線） 此公式適用于外加電勢在最大耗盡層之內(nèi),超過最大耗盡層后,Va增加不會導(dǎo)致Wd增加. CjCpCWdAreaCjr0drdqNVaW0)(2)(20VaqNAreaCjdr 典型的CV曲線圖 6.6 串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻Rs Ws 襯底厚度,Wd 耗盡層厚度, 表面電阻率 6.7頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)fr fr指輸出電信號幅度下降3dB時的頻率值,表征PD響應(yīng)速度的快慢. tr,tf 指PD對于輸出為方脈沖的10-90%的上升或下降時間 tdrift:載流子在耗盡層平均漂移時間 tdiffused:載流子在非耗盡層的擴散時間. tRC 二極管電路的寄生RC常數(shù)

12、RcAWdWsRs)( 帶寬計算常用公式trfftrrr35. 035. 0222RCdiffuseddriftttttrRCtRC2 . 2/WdtdriftdiffsueddiffusedWdWst/ )( 典型PD帶寬圖 5V 10V fr-Wd and Area6.7 模擬應(yīng)用時的模擬應(yīng)用時的IMD2.IMD3 指標(biāo)指標(biāo) IMD (Intermodulation distortion), CSO( Composite Second Order) CTB (Composite Triple Beat) 對一般測試:取A=B 所以三階非線形成的頻率為: 1 ; 2 21; 22 1-2;

13、1+2 31 ; 32 21-2; 21+2; 22-1; 22+1 CATV PIN PD測試頻率: f1:50MHz f2:505MHz f1:400MHz f2:450.25MHzPin=1mW(P1=P2=0.5mW OMI=40%)RL=50ohm或75ohm IMD2-70dBcIMD3-80dBc222223121223121223212123212133223311221212212122222211233322223331113221132221122211131321211212143)2()2cos(43)2()2cos(43)2()2cos(43)2()2cos(41)

14、33cos(41)33cos()()cos()()cos(21)22cos(21)22cos()2343)(cos()2343)(cos()cos()cos()cos()cos()cos()cos(.BKAKABKtABKtBAKtBAKtBKtAKtABKtABKtBKtAKtBAKBKBKtABKAKAKttBtAKtBtAKtBtAKUKUKUKV 6.8 InGaAs/InP PD光譜吸收特征InP:Eg=1.3eVIn0.53Ga0.47As:Eg=0.75eVEg InGaAshvEg InP解釋:1.短波長截至2:光譜斜率不直3:溫度關(guān)系 6.9 等效電路7.APD 普通PD最多只能達(dá)到量子效率100%,即一個光子最多只能產(chǎn)生一對光生載流子.而APD是利用一次光生載流子在高場強耗盡區(qū)加速到一定能量后利用碰撞電離效應(yīng)而產(chǎn)生二次光生載流子,類似與使信號放大. 原理示意: 7.1 InGaAs APD典型結(jié)構(gòu) SAGCM (Separate absorption, grading, charge, and multiplication structure) 7.2 典型反向IV曲線 M 7.3 性能參數(shù) 7.3.1擊穿電壓Vb 同PIN一樣定義反向暗電流達(dá)到指定值10uA(100uA)下的電壓值. 7.3.2 工作電壓 為了維持倍增區(qū)的高場強維持較高的倍