半導(dǎo)體探測器

半導(dǎo)體探測器半導(dǎo)體探測器得應(yīng)用電子得躍遷初態(tài)到終態(tài)得躍遷純凈半導(dǎo)體吸收邊通常把吸收限附近得吸收譜稱為吸收邊。她相應(yīng)于電子由價帶頂附近到導(dǎo)帶底附近得躍遷。禁帶寬度Eg光吸收過程Cut-offwavelengthvs.Energybandgap（8.1）Absorptioncoefficient(8、2)吸收系數(shù)8、1光得吸收直接躍遷和間接躍遷IfKiswavevectoroflatticewave,then?Krepresentsthemomentumassociatedwithlatticevibration

?Kisaphononmomentum、直接帶材料得吸收系數(shù)

比間接帶材料陡峭得多,這就是由于直接帶隙中有更高得躍遷速率,因此在同樣得光子能量下,吸收系數(shù)更大、亦即光穿透深度更小。1WhatisaPhotodetector??Convertslighttoelectricalsignal–Voltage–Current?ResponseisproportionaltothepowerinthebeamHowitworks?2p-n結(jié)光電二極管原理SiO2Electrodernet–eNaeNdxxE(x)REmaxe–h+Iphhv

>EgWEnDepletionregionARcoatingVrElectrodeVoutp+PD由一pn結(jié)組成,在入射光作用下,吸收區(qū)中產(chǎn)生電子-空穴對。pn結(jié)在外加反向偏置電壓得作用有一耗盡層,電子和空穴在該區(qū)中以漂移速度分別向兩端運(yùn)動,在擴(kuò)散區(qū)中她們則作擴(kuò)散運(yùn)動。在外回路上形成光電流,在負(fù)載R上產(chǎn)生一定得壓降,從而探測出光信號。大家學(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅(jiān)持繼續(xù)保持安靜當(dāng)光照射在pn結(jié)部位時，由于光吸收使電子由價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，分別在導(dǎo)帶和價帶生成電子和空穴。這些電子和空穴，在pn結(jié)區(qū)域耗盡層存在的內(nèi)建電場的作用下，分別向n型區(qū)域和p型區(qū)域移動。這時，如果將p型區(qū)域和n型區(qū)域用外電路將其短路的話，外部電路就有由這些載流子產(chǎn)生的光電流。8、3PIN型光電二極管一般pn型PD有兩個缺點(diǎn):(1)結(jié)電容不夠小。RC常數(shù)限制。(2)對于pn結(jié)而言,耗盡層太窄,耗盡層一般為幾個微米,長波長時,穿透深度可能大于耗盡層和寬度,造成耗盡層外得吸收。光在耗盡層外被吸收有兩個缺點(diǎn):光電轉(zhuǎn)換得效率低,光電響應(yīng)速度慢。解決得辦法:加寬耗盡層,讓光子盡可能在耗盡層內(nèi)被吸收。給p-n結(jié)加反向偏壓本身有助于加寬耗盡層;通過降低某一個區(qū)域半導(dǎo)體得摻雜濃度也可以加寬耗盡層。在光通信中用得較多得PIN光電二極管即利用此原理。在p-n結(jié)外產(chǎn)生得光生載流子需要經(jīng)過一段時間擴(kuò)散才能進(jìn)入結(jié)區(qū)。慢速擴(kuò)散過程,附加得時延使檢測器輸出電流脈沖后沿得拖尾加長,影響光電二極管得響應(yīng)速度。在p和n之間有一未摻雜i區(qū)。由于摻雜濃度低,材料接近本征,在外加反偏置電場作用下,整個i區(qū)都為耗盡層。光生載流子在電場作用,會很快地掃過耗盡層而分別到達(dá)p區(qū)或n區(qū)。在外電路上形成光電流,其響應(yīng)速度也就大大地得到了提高。PhotodetectorsThepinPhotodiodeSmalldepletionlayercapacitancegiveshighmodulationfrequencies、HighQuantumefficiency、SiO2Schematicdiagramofpinphotodiodep+i-Sin+Electrodernet–eNaeNdxxE(x)RE0e–h+Iphhu

>EgWVrVoutElectrodeEIncontrasttopnjunctionbuilt-in-fieldisuniformInap–nphotodiode,Theelectricfieldinthedepletionlayerisnotuniform、ap–i–ndiodehasthefollowingtwoimportantcharacteristics:Thedepletionlayerisalmostpletelydefinedbytheintrinsicregion;theelectricfieldinthedepletionlayerisuniformacrosstheintrinsicregion

Electricfieldofbiasedpin

JunctioncapacitanceofpinPhotodetectorsThepinPhotodiodeSmallcapacitance:HighmodulationfrequencyRCdep

timeconstantis

50psec、

Responsetime

Thespeedofpinphotodiodesareinvariablylimitedbythetransittimeofphotogeneratedcarriersacrossthei-Silayer、Fori-Silayerofwidth10

m,thedrifttimeisaboutisabout0、1nsec、

Driftvelocityvs、electricfieldforholesandelectronsinSilicon、102103104105107106105104Electricfield(Vm-1)ElectronHoleDriftvelocity(msec-1)(3)響應(yīng)時間影響探測器得響應(yīng)時間得因素有三個:耗盡層中光生載流子得渡越時間耗盡層外光生載流子得擴(kuò)散時間光電探測器及有關(guān)電路得寄生電容引起得RC時間常數(shù)。耗盡層中載流子得渡越時間為:

W和vd分別為耗盡層厚度和載流子得漂移速度。td在決定探測器得響應(yīng)速度中起主導(dǎo)作用。例如光電二極管中,耗盡層厚10

m,電場強(qiáng)度約2

104V/cm時,電子和空穴得極限速度分別可達(dá)8、6

106cm/s和4、4

106cm/s。因此,響應(yīng)時間得極限為0、1ns、擴(kuò)散過程比漂移過程慢許多。為了獲得高得量子效率,耗盡層得寬度必須比穿透深度(即吸收系數(shù)得倒數(shù)1/

)大得多,以便吸收大部分光線。AlargedireducestheRCtimeconstantofthedevicebyreducingCi,butitincreasesthetransittimeτtrThetransittimecanbeoptimizedwithachosenW.BecauseCicanbereducedbyreducingthedevicearea,ap–i–nphotodiodenormallyhasanintrinsicregionthathasathicknesschosentooptimizethequantumefficiencyandthetransittime.Forahigh-speedp–i–nphotodiode,thedeviceareaismadesmallenoughthattheRCtimeconstantisnotalimitingfactorofitsfrequencyresponse.(8、4)探測器量子效率和響應(yīng)度(1)量子效率和響應(yīng)速率量子效率就是能量為得每一個入射率光子所能產(chǎn)生得電子空穴得數(shù)量。所謂響應(yīng)度,指得就是光生電流同入射光功率之比:該式表明響應(yīng)度同量子效率成正比,即能量h

一定時,R隨著

線性增加。EcEvhv<Egn

得入射光子可以透過寬禁帶得n型層而主要在禁帶較窄得p型層中被吸收,寬禁帶材料對Hv<Egn得光起一個窗口作用。Alarge-gaphomogeneousregion,whichcanbeeitherthetopp+regionorthesubstratenregion,servesasaWindowfortheopticalsignaltoenter、Thesmallbandgapoftheactiveregiondeterminesthethresholdwavelength,λth,ofthedetectoronthelong-wavelengthside,Thelargebandgapofthehomogeneouswindowregionsetsacutoffwavelength,λc,ontheshort-wavelengthside、8、5異質(zhì)結(jié)得窗口效應(yīng)8、6異質(zhì)結(jié)中得光電流電流包括4部分:(1)耗盡層中得光生電子流,(2)耗盡層中得光生空穴流;(3)p型層中得擴(kuò)散流(4)n型層中得擴(kuò)散流LonglMediumlShortlP-njunctionDriftDiffusionAbsorptionEHPCurrentx1d1d2x2p耗盡層N耗盡層12電流包括4部分:(1)耗盡層中得光生電子流,(2)耗盡層中得光生空穴流;(3)p型層中得擴(kuò)散流(4)n型層中得擴(kuò)散流x1d1d2x201透過d2區(qū)域2在x1區(qū)域吸收3內(nèi)建場作用下得漂移x1d1d2x2邊界條件:x=x1:Dn=0(到達(dá)空間電荷區(qū)邊界立刻被電場拉走。)X->