半導(dǎo)體探測器

半導(dǎo)體探測器第八章8.1光的吸收8.2p-n結(jié)光電二極管工作原理8.3PIN型光電二極管8.4探測器量子效率和響應(yīng)度8.5異質(zhì)結(jié)的窗口效應(yīng)8.6異質(zhì)結(jié)中的光電流8.7AlGaN基深紫外光探測器簡介

探測器的種類？響應(yīng)度？p-np-i-n探測器中的光電流的主要來源？異質(zhì)結(jié)的窗口效應(yīng)？第一頁，共三十九頁。OpticalSpectrum第二頁，共三十九頁。半導(dǎo)體探測器的應(yīng)用第三頁，共三十九頁。電子的躍遷初態(tài)到終態(tài)的躍遷純凈半導(dǎo)體吸收邊通常把吸收限附近的吸收譜稱為吸收邊。它相應(yīng)于電子由價帶頂附近到導(dǎo)帶底附近的躍遷。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光的吸收第四頁，共三十九頁。直接躍遷和間接躍遷IfKiswavevectoroflatticewave,then?Krepresentsthemomentumassociatedwithlatticevibration?Kisaphononmomentum.直接帶材料的吸收系數(shù)比間接帶材料陡峭得多，這是由于直接帶隙中有更高的躍遷速率，因此在同樣的光子能量下，吸收系數(shù)更大、亦即光穿透深度更小。第五頁，共三十九頁。第六頁，共三十九頁。1WhatisaPhotodetector??Convertslighttoelectricalsignal–Voltage–Current?Responseisproportionaltothepowerinthebeam第七頁，共三十九頁。Howitworks?第八頁，共三十九頁。2p-n結(jié)光電二極管原理第九頁，共三十九頁。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的作用有一耗盡層，電子和空穴在該區(qū)中以漂移速度分別向兩端運動，在擴散區(qū)中它們則作擴散運動。在外回路上形成光電流，在負(fù)載R上產(chǎn)生一定的壓降，從而探測出光信號。第十頁，共三十九頁。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。第十一頁，共三十九頁。8.3PIN型光電二極管一般pn型PD有兩個缺點：（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，造成耗盡層外的吸收。光在耗盡層外被吸收有兩個缺點：光電轉(zhuǎn)換的效率低，光電響應(yīng)速度慢。解決的辦法：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)體的摻雜濃度也可以加寬耗盡層。在光通信中用的較多的PIN光電二極管即利用此原理。在p-n結(jié)外產(chǎn)生的光生載流子需要經(jīng)過一段時間擴散才能進(jìn)入結(jié)區(qū)。慢速擴散過程，附加的時延使檢測器輸出電流脈沖后沿的拖尾加長，影響光電二極管的響應(yīng)速度。第十二頁，共三十九頁。第十三頁，共三十九頁。第十四頁，共三十九頁。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。第十五頁，共三十九頁。PhotodetectorsThepinPhotodiodeSmalldepletionlayercapacitancegiveshighmodulationfrequencies.HighQuantumefficiency.SiO2Schematicdiagramofpinphotodiodep+i-Sin+Electrodernet–eNaeNdxxE(x)RE0e–h+Iphhu

>EgWVrVoutElectrodeEIncontrasttopnjunctionbuilt-in-fieldisuniform第十六頁，共三十九頁。Inap–nphotodiode,Theelectricfieldinthedepletionlayerisnotuniform.ap–i–ndiodehasthefollowingtwoimportantcharacteristics:Thedepletionlayerisalmostcompletelydefinedbytheintrinsicregion;theelectricfieldinthedepletionlayerisuniformacrosstheintrinsicregion第十七頁，共三十九頁。

Electricfieldofbiasedpin

JunctioncapacitanceofpinPhotodetectorsThepinPhotodiodeSmallcapacitance:HighmodulationfrequencyRCdep

timeconstantis

50psec.

Responsetime

Thespeedofpinphotodiodesareinvariablylimitedbythetransittimeofphotogeneratedcarriersacrossthei-Silayer.Fori-Silayerofwidth10m,thedrifttimeisaboutisabout0.1nsec.第十八頁，共三十九頁。

Driftvelocityvs.electricfieldforholesandelectronsinSilicon.102103104105107106105104Electricfield(Vm-1)ElectronHoleDriftvelocity(msec-1)第十九頁，共三十九頁。(3)響應(yīng)時間影響探測器的響應(yīng)時間的因素有三個：耗盡層中光生載流子的渡越時間耗盡層外光生載流子的擴散時間光電探測器及有關(guān)電路的寄生電容引起的RC時間常數(shù)。耗盡層中載流子的渡越時間為：

W和vd分別為耗盡層厚度和載流子的漂移速度。td在決定探測器的響應(yīng)速度中起主導(dǎo)作用。例如光電二極管中，耗盡層厚10m，電場強度約2104V/cm時，電子和空穴的極限速度分別可達(dá)8.6106cm/s和4.4106cm/s。因此，響應(yīng)時間的極限為0.1ns.擴散過程比漂移過程慢許多。為了獲得高的量子效率，耗盡層的寬度必須比穿透深度（即吸收系數(shù)的倒數(shù)1/）大得多，以便吸收大部分光線。第二十頁，共三十九頁。AlargedireducestheRCtimeconstantofthedevicebyreducingCi,butitincreasesthetransittimeτtrThetransittimecanbeoptimizedwithachosenW.BecauseCicanbereducedbyreducingthedevicearea,ap–i–nphotodiodenormallyhasanintrinsicregionthathasathicknesschosentooptimizethequantumefficiencyandthetransittime.Forahigh-speedp–i–nphotodiode,thedeviceareaismadesmallenoughthattheRCtimeconstantisnotalimitingfactorofitsfrequencyresponse.第二十一頁，共三十九頁。第二十二頁，共三十九頁。（8.4）探測器量子效率和響應(yīng)度（1）量子效率和響應(yīng)速率量子效率是能量為的每一個入射率光子所能產(chǎn)生的電子空穴的數(shù)量。所謂響應(yīng)度，指的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。第二十三頁，共三十九頁。EcEvhv<Egn

的入射光子可以透過寬禁帶的n型層而主要在禁帶較窄的p型層中被吸收，寬禁帶材料對Hv<Egn的光起一個窗口作用。Alarge-gaphomogeneousregion,whichcanbeeitherthetopp+regionorthesubstratenregion,servesasaWindowfortheopticalsignaltoenter.Thesmallbandgapoftheactiveregiondeterminesthethresholdwavelength,λth,ofthedetectoronthelong-wavelengthside,Thelargebandgapofthehomogeneouswindowregionsetsacutoffwavelength,λc,ontheshort-wavelengthside.8.5異質(zhì)結(jié)的窗口效應(yīng)第二十四頁，共三十九頁。第二十五頁，共三十九頁。8.6異質(zhì)結(jié)中的光電流電流包括4部分：（1）耗盡層中的光生電子流，（2）耗盡層中的光生空穴流；（3）p型層中的擴散流（4）n型層中的擴散流LonglMediumlShortlP-njunctionDriftDiffusionAbsorptionEHPCurrent第二十六頁，共三十九頁。x1d1d2x2p耗盡層N耗盡層12電流包括4部分：（1）耗盡層中的光生電子流，（2）耗盡層中的光生空穴流；（3）p型層中的擴散流（4）n型層中的擴散流第二十七頁，共三十九頁。x1d1d2x20第二十八頁，共三十九頁。1透過d2區(qū)域2在x1區(qū)域吸收3內(nèi)建場作用下的漂移x1d1d2x2第二十九頁，共三十九頁。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->∞,

Dn=0

第三十頁，共三十九頁。窄帶區(qū)對電流的總貢獻(xiàn)：第三十一頁，共三十九頁。x2d221d1x1x2d2寬帶區(qū)的空穴產(chǎn)生率：寬帶N區(qū)中空間電荷區(qū)里產(chǎn)生的空穴對光電流的貢獻(xiàn)：第三十二頁，共三十九頁。邊界條件：X=d2-x2:Dp=0(到達(dá)空間電荷區(qū)邊界立刻被電場拉走。）S為表面復(fù)合速度，流向表面的擴散流等于表面的復(fù)合速率x2d2第三十三頁，共三十九頁。(8.18)8.13(8.19)(8.20)第三十四頁，共三十九頁。透過透過寬帶被窄帶吸收，產(chǎn)生光電流J1=J11+J12光子能量增加首先被寬帶吸收，透過的光子被窄帶吸收。吸收集中在寬帶的表面。x1d1d2x2第三十五頁，共三十九頁。第三十六頁，共三十九頁。它具有隱蔽性好、虛警率低、