半導(dǎo)體中的光吸收和光探測(cè)器

半導(dǎo)體中的光吸收和光探測(cè)器2021/6/2711半導(dǎo)體中的光吸收理論2半導(dǎo)體中的本征吸收和其他光吸收3半導(dǎo)體光電探測(cè)器的材料和性能參數(shù)4半導(dǎo)體光電探測(cè)器2021/6/272半導(dǎo)體中的光吸收和光探測(cè)半導(dǎo)體對(duì)光的吸收機(jī)構(gòu)大致可分為：①本征吸收；②激子吸收；③晶格振動(dòng)吸收；④雜質(zhì)吸收；⑤自由載流子吸收.參與光吸收躍遷的電子可涉及四種：①價(jià)電子；②內(nèi)殼層電子；③自由電子；④雜質(zhì)或缺陷中的束縛電子，2021/6/273(1)光吸收系數(shù)：

半導(dǎo)體吸收光的機(jī)理主要有帶間躍遷吸收（本征吸收）、載流子吸收、晶格振動(dòng)吸收等。吸收光的強(qiáng)弱常常采用描述光在半導(dǎo)體中衰減快慢的參量——吸收系數(shù)α來(lái)表示；若入射光強(qiáng)為I，光進(jìn)入半導(dǎo)體中的距離為x，則定義：

吸收系數(shù)的單位是cm-1。1半導(dǎo)體中的光吸收理論2021/6/274(2)帶間光吸收譜曲線的特點(diǎn)：對(duì)于Si和GaAs的帶間躍遷的光吸收，測(cè)得其吸收系數(shù)a與光子能量hv的關(guān)系如圖1所示。這種帶間光吸收譜曲線的特點(diǎn)是：①吸收系數(shù)隨光子能量而上升；②各種半導(dǎo)體都存在一個(gè)吸收光子能量的下限（或者光吸收長(zhǎng)波限——截止波長(zhǎng)），并且該能量下限隨著溫度的升高而減?。唇刂共ㄩL(zhǎng)增長(zhǎng)）；③GaAs的光吸收譜曲線比Si的陡峭。2021/6/2752021/6/276

為什么半導(dǎo)體的帶間光吸收譜曲線具有以上一些特點(diǎn)呢？

——與半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)。(3)對(duì)帶間光吸收譜曲線的簡(jiǎn)單說(shuō)明：①

因?yàn)榘雽?dǎo)體的帶間光吸收是由于價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶所引起的，則光吸收系數(shù)與價(jià)帶和導(dǎo)帶的能態(tài)密度有關(guān)。2021/6/277

在價(jià)帶和導(dǎo)帶中的能態(tài)密度分布較復(fù)雜,在自由電子、球形等能面近似下，能態(tài)密度與能量是亞拋物線關(guān)系，在價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底附近的能態(tài)密度一般都很小，因此，發(fā)生在價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底附近之間躍遷的吸收系數(shù)也就都很??；隨著能量的升高，能態(tài)密度增大，故吸收系數(shù)就相應(yīng)地增大，從而使得吸收譜曲線隨光子能量而上升。2021/6/278

但是由于實(shí)際半導(dǎo)體能帶中能態(tài)密度分布函數(shù)的復(fù)雜性，而且電子吸收光的躍遷還必須符合量子力學(xué)的躍遷規(guī)則——k選擇定則，所以就導(dǎo)致半導(dǎo)體光吸收譜曲線變得很復(fù)雜，可能會(huì)出現(xiàn)如圖1所示的臺(tái)階和多個(gè)峰值或谷值。2021/6/279②因?yàn)閮r(jià)電子要能夠從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，至少應(yīng)該吸收禁帶寬度Eg大小的能量，這樣才能符合能量守恒規(guī)律，所以就存在一個(gè)最小的光吸收能量——光子能量的下限，該能量下限也就對(duì)應(yīng)于光吸收的長(zhǎng)波限——截止波長(zhǎng)：2021/6/2710

一些用于光電探測(cè)器的半導(dǎo)體的禁帶寬度、截止波長(zhǎng)和帶隙類(lèi)型，如下表所示。根據(jù)光吸收截止波長(zhǎng)的這種關(guān)系，即可通過(guò)光吸收譜曲線的測(cè)量來(lái)確定出半導(dǎo)體的禁帶寬度。由于半導(dǎo)體禁帶寬度會(huì)隨著溫度的升高而減小，所以也將隨著溫度的升高而增長(zhǎng)。2021/6/2711③GaAs和Si的光吸收效率比較：直接躍遷帶隙的GaAs：

GaAs的光吸收譜曲線上升得比較陡峭，這是由于GaAs具有直接躍遷能帶結(jié)構(gòu)的緣故。在此，當(dāng)價(jià)電子吸收了足夠能量的光子、從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，由于它的價(jià)帶頂與導(dǎo)帶底都在布里淵區(qū)的同一點(diǎn)上（即kvmax=kcmin），則在躍遷時(shí)動(dòng)量幾乎不會(huì)發(fā)生變化：

同時(shí)能量守恒規(guī)律為：光子能量hv=Eg

2021/6/2712

由于這種吸收光的直接躍遷既符合能量守恒、又符合動(dòng)量守恒的規(guī)律，則這種光吸收的效率很高，使得光吸收系數(shù)將隨著光子能量的增加而快速增大，從而形成陡峭的光吸收譜曲線。這時(shí)，吸收系數(shù)與光子能量hv和禁帶寬度Eg之間的函數(shù)關(guān)系可以表示為

式中的γ是常數(shù)。當(dāng)光子能量降低到Eg時(shí)，吸收系數(shù)即減小到0，這就明確地對(duì)應(yīng)于截止波長(zhǎng)。2021/6/2713間接躍遷帶隙的Si：

Si的能帶結(jié)構(gòu)是間接躍遷型的，kvmax≠kcmin，價(jià)電子躍遷時(shí)，就需要借助于聲子的幫助才能達(dá)到動(dòng)量守恒。于是光吸收的動(dòng)量守恒規(guī)律為：

則光吸收的能量守恒規(guī)律為：這時(shí)，吸收系數(shù)與光子能量hv和禁帶寬度Eg之間的函數(shù)關(guān)系可以表示為:

2021/6/2714a）間接躍遷的實(shí)現(xiàn)需要第三者（聲子）參與，因此光吸收效率要低于直接躍遷的光吸收，所以光吸收譜曲線的上升速度較慢；b）因?yàn)槁曌拥膮⑴c，最小的光吸收能量并不完全對(duì)應(yīng)于禁帶寬度（多出了一個(gè)聲子能量Ep），因此光吸收的截止波長(zhǎng)并不像直接帶隙半導(dǎo)體的那么明顯。不過(guò)，由于聲子能量非常小（Ep<0.1eV），所以最小的光吸收能量往往比較接近于禁帶寬度。2021/6/2715（4）參考曲線：

常見(jiàn)半導(dǎo)體的帶間光吸收譜曲線見(jiàn)圖2。

IV族半導(dǎo)體屬間接躍遷能帶結(jié)構(gòu)，它們的光吸收譜曲線較緩；而III-V族半導(dǎo)體屬直接躍遷能帶結(jié)構(gòu)，它們的光吸收譜曲線都很陡峭。此外，半導(dǎo)體中載流子的光吸收譜曲線一般都位于帶間光吸收譜曲線的截止波長(zhǎng)以外。因?yàn)檩d流子光吸收是在能帶內(nèi)部的各個(gè)能級(jí)之間躍遷，所以吸收的光子能量更小，吸收的光波長(zhǎng)更長(zhǎng)。2021/6/27162021/6/27172本征吸收和其他光吸收如果有足夠能量的光子作用到半導(dǎo)體上，價(jià)帶電子就有可能被激發(fā)到導(dǎo)帶而形成電子一空穴對(duì)。這樣的過(guò)程稱(chēng)為本征吸收。第一章已經(jīng)提到，這種受激本征吸收使半導(dǎo)體材料具有較高的吸收系數(shù)，有一連續(xù)的吸收譜，并在光子振蕩頻率

=Eg/h處有一陡峭的吸收邊，在

<Eg/h(即入射光波長(zhǎng)

>1.24/Eg)的區(qū)域內(nèi)，材料是相當(dāng)透明的。由于直接帶隙與間接帶隙躍遷相比有更高的躍遷速率，因而有更高的吸收系數(shù)或在同樣光子能量下在材料中的光滲透深度較小。與間接帶隙材料相比，直接帶隙材料有更陡的吸收邊，圖7.1-1比較了幾種直接帶隙材料(GaAs、In0.7Ga0.3As0.64P0.36、In0.53Ga0.47As)和間接帶隙材料(Ge、Si)的光吸收系數(shù)和滲透深度與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系。2021/6/2718一、直接帶隙躍遷引起的光吸收1．允許躍遷在外光場(chǎng)作用下導(dǎo)帶電子向價(jià)帶躍遷的幾率為在§1.2中已提到在直接帶隙躍遷吸收中，可以產(chǎn)生允許的和禁戒的躍遷。(1.2-25)當(dāng)光輻射場(chǎng)與半導(dǎo)體中電子發(fā)生共振相互作用時(shí)，即滿

=2=1，則上式括號(hào)中第一個(gè)指數(shù)變?yōu)?。由式(1.2-25)還可以看到，當(dāng)滿足(1.2-26)時(shí)，則括號(hào)中第二個(gè)指數(shù)變?yōu)?，這時(shí)括號(hào)中就有非零值。這說(shuō)明，只有當(dāng)半導(dǎo)體中的電子在輻射場(chǎng)作用下滿足動(dòng)量守恒(k選擇定則)所產(chǎn)生的躍遷才有最大的躍遷幾率。2021/6/2719由式(1.2-25)和式(1.2-26)可以看出，當(dāng)滿足動(dòng)量守恒時(shí)產(chǎn)生允許的直接帶隙躍遷，這時(shí)價(jià)帶能量的最大值所對(duì)應(yīng)的波矢k=kmax與導(dǎo)帶能量最小值的波矢k=kmin。均在布里淵區(qū)的原點(diǎn)，即kmax=kmin=0，如圖7.1-2所示。允許的直接躍遷有最大的躍遷幾率，且躍遷矩陣元與波矢k基本無(wú)關(guān)。(1.2-25)(1.2-26)2021/6/2720吸收系數(shù)寫(xiě)為(7.1-7)其中A為常數(shù)(7.1-8)mr折合有效質(zhì)量，表示為(7.1-6)m0為自由電子的質(zhì)量，其余都是所熟知的符號(hào)，只是fif表示與偶極矩陣元|M|2有

關(guān)的振子強(qiáng)度，fif=2|M|2/?m0，它通常是數(shù)量級(jí)為1的因子。2021/6/2721(7.1-7)(7.1-8)式(7.1-8)所能適用的范圍是有限的，當(dāng)(h-Eg)的值較大時(shí)，吸收系數(shù)隨h

變化緩慢，

d隨h

上升的曲線斜率與能帶的形狀有關(guān)。而且當(dāng)(h-Eg)與激子激活能(關(guān)于激子吸收將在§7.2中討論)可以相比擬時(shí)，式(7.1-7)還應(yīng)作適當(dāng)修改。即使h0，此時(shí)吸收系數(shù)并不為零而趨于一穩(wěn)定值；當(dāng)h<Eg，也可觀察到由激子的高激發(fā)態(tài)引起的吸收，如圖7.1-3中的點(diǎn)線所示。上述允許的直接帶隙躍遷發(fā)生在價(jià)帶和導(dǎo)帶分別為半導(dǎo)體的s帶和p帶構(gòu)成的材料中。作為對(duì)

d值大小的粗略估計(jì)，可me=mh=m0，n=4，fif1，則若進(jìn)一步設(shè)(h-Eg)=0.01eV，則

d6.7103cm-1。(7.1-9)2021/6/27222.禁戒躍遷在某些材料中(如Ge)，價(jià)帶由單個(gè)原子的s態(tài)形成，而導(dǎo)帶則由d電子態(tài)形成，躍遷選擇定則禁止在k=0處發(fā)生直接帶隙躍遷，但卻允許在k0處發(fā)生這種躍遷。禁戒躍遷亦表示于圖7.1-2中。并且可以證明。當(dāng)k=0時(shí)，躍遷幾率B12=0，而當(dāng)k離開(kāi)零點(diǎn)時(shí)，躍遷幾率隨k2增加，即正比于(h-Eg)。因?yàn)榕c直接躍遷相聯(lián)系的態(tài)密度正比于(h-Eg)1/2，所以吸收系數(shù)的光譜關(guān)系可表示為(7.1-10)式中系數(shù)B為常數(shù)，表示為(7.1-11)2021/6/2723式中f’if為在非允許的直接帶隙躍遷(禁戒躍遷)情況下的振子強(qiáng)度。因而吸收系數(shù)可表示為(7.1-12)f’if是小于1的數(shù)，為作粗略估計(jì)，f’if=1，2mr=m0，h=1eV，h-Eg=0.01eV，可得

’d=45cm-1，這與容許的直接帶隙遷躍相比差103倍。(7.1-11)由式(7.1-9)和式(7.1-12)所得到的吸收系數(shù)的明顯差別似乎可以用來(lái)從實(shí)驗(yàn)上來(lái)確定上述這兩種躍遷，但實(shí)際上由于激子吸收對(duì)吸收曲線的影響，使得這種比較難以湊效。(7.1-9)2021/6/2724二、間接帶隙躍遷引起的吸收1．二階微擾過(guò)程的物理描述當(dāng)導(dǎo)帶能量最小值與價(jià)帶能量最大值不對(duì)應(yīng)同一k值，即kmax

kmin時(shí)，不滿足動(dòng)量守恒。但實(shí)驗(yàn)上卻觀察到電子在這兩個(gè)能量極值之間的躍遷所引起的光吸收，因而可以判斷必定有聲子參與了躍遷過(guò)程，即必須通過(guò)吸收聲子或發(fā)射聲子才能使電子從初態(tài)“O”躍遷至終態(tài)“m”。這種間接帶隙躍遷可以有兩種方式來(lái)完成，如圖7.1-4所示，而每種方式又均可分兩步來(lái)實(shí)現(xiàn)。即“O”I“m”或“O”I’

“m”。(圖畫(huà)得有些傾斜)對(duì)于從始態(tài)“O”經(jīng)中間態(tài)(I或I’)至終態(tài)“m”的躍遷來(lái)說(shuō)，每一步都滿足動(dòng)量守恒但能量不守恒，然而兩步合起來(lái)能量卻是守恒的。由測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系ΔEΔt～?可知，只要電子在中間態(tài)停留的時(shí)間足夠短，并不要求每一步都滿足能量守恒，但由于有聲子參與這種二級(jí)微擾過(guò)程，其躍遷幾率要比一級(jí)微擾情況下小得多。2021/6/2725在這種能帶結(jié)構(gòu)中，也可以發(fā)生從價(jià)帶頂(k=0)至導(dǎo)帶次能谷的豎直躍遷或直接躍遷，如圖7.1-5中的箭頭A表示，只是由于導(dǎo)帶底(對(duì)應(yīng)k=kmin)的能量比k=0處的導(dǎo)帶能量小很多，則躍遷所涉及的能量比間接躍遷(圖7.1-5中箭頭B大．這已為很薄的純單晶Ge片、在入射光子能量h=0.8eV附近表現(xiàn)出很陡的吸收峰所證實(shí)，如圖7.1-6所示。在更長(zhǎng)波長(zhǎng)處的吸收則是由于間接躍遷所引起，而這必須伴隨著聲子的發(fā)射和吸收，以滿足所需的動(dòng)量守恒。2021/6/27262．間接吸收的吸收系數(shù)在圖7.1-4所表示的間接帶隙躍遷中，兩種從初態(tài)至終態(tài)的躍遷方式都必將伴隨有聲子的發(fā)射和吸收，在不考慮多聲子吸收時(shí)，則有(7.1-13)式中Es為聲子能量，盡管Es與Eg相比一般是很小的，但聲子的發(fā)射與吸收都將影響吸收曲線在吸收邊附近的形狀，或使吸收曲線的長(zhǎng)波限發(fā)生漂移。為了區(qū)分聲子的發(fā)射和吸收對(duì)吸收系數(shù)的貢獻(xiàn)，而把間接躍遷吸收系數(shù)

i表示為(7.1-14)式中

e和

a分別為發(fā)射聲子和吸收聲子時(shí)的吸收系數(shù)，并且有(7.1-15)(7.1-16)2021/6/2727經(jīng)推導(dǎo)(p175～176)由吸收聲子所引起的吸收系數(shù)為式中c為隨

緩變的函數(shù)。聲子發(fā)射時(shí)的吸收系數(shù)為(7.1-22)(7.1-23)2021/6/2728經(jīng)推導(dǎo)(p175～176)由吸收聲子所引起的吸收系數(shù)為式中c為隨

緩變的函數(shù)。聲子發(fā)射時(shí)的吸收系數(shù)為(7.1-22)(7.1-23)間接帶隙躍遷的吸收系數(shù)為(7.1-24)以上只是考慮了一種類(lèi)型的聲子。深入的分析還應(yīng)區(qū)分縱波聲學(xué)聲子、橫波聲學(xué)聲子、縱波光學(xué)聲子、橫波光學(xué)聲子各自的貢獻(xiàn)，不同類(lèi)型的聲子能量是不同的，因而

i應(yīng)該是各種類(lèi)型聲子所引起的吸收系數(shù)之和。2021/6/2729在前面的討論中，我們只考慮單聲子過(guò)程，所作的

i1/2~h關(guān)系曲線圖如圖7.1-7所示。對(duì)應(yīng)每一溫度的吸收曲線在橫軸(h軸)上的截距分別為Eg-Es和Eg+Es，即分別對(duì)應(yīng)于吸收聲子與發(fā)射聲子的情況。顯然在低溫下發(fā)射聲子是主要的。(7.1-23)2021/6/2730在價(jià)帶頂附近的狀態(tài)與導(dǎo)帶底附近的狀態(tài)之間的躍遷(即圖7.1-5中箭頭B)是“禁戒”躍遷，由這種躍遷所引起的吸收系數(shù)是與過(guò)剩光子能量(h-EgEs)的三次方成正比的。而如上所述，在這種能帶結(jié)構(gòu)中的允許躍遷(在k=0處發(fā)生豎直躍遷)所產(chǎn)生的吸收系數(shù)是比例于(h-EgEs)2

的。2021/6/2731圖7.1-8和圖7.1-9是間接躍遷半導(dǎo)體Ge的基本吸收譜。由圖7.1-9看出，在k空間

點(diǎn)和在高的光子能量作用下，仍可產(chǎn)生允許的直接躍遷，并得到其值不小的吸收系數(shù)。2021/6/2732【注】帶間光躍遷的量子力學(xué)規(guī)則：

按照量子力學(xué)的躍遷理論，電子的躍遷需遵從——選擇定則。滿足選擇定則的躍遷有兩種：允許躍遷和禁戒躍遷。這是由于電子在躍遷時(shí)的初態(tài)和終態(tài)的奇偶性需要符合一定的要求，才能吸收光而發(fā)生躍遷。波函數(shù)奇偶性不同的狀態(tài)之間的躍遷是容許躍遷，波函數(shù)奇偶性相同的狀態(tài)之間的躍遷是禁戒躍遷。例如電子從s態(tài)躍遷到p態(tài)是可以的——容許躍遷，但是從s態(tài)躍遷到s態(tài)卻是不可以的——禁戒躍遷。2021/6/2733

然而，實(shí)際晶體中，禁戒躍遷并不是完全不會(huì)發(fā)生，禁戒躍遷也是一種吸收光的躍遷形式，只是躍遷幾率非常小——遠(yuǎn)小于容許躍遷。這是由于能帶之間的相互作用會(huì)使得電子狀態(tài)的奇偶性發(fā)生一點(diǎn)改變，禁戒被松動(dòng)，所以奇偶性相同的電子狀態(tài)之間，也有可能發(fā)生一定幾率的光吸收躍遷——禁戒躍遷。2021/6/27342021/6/27352021/6/27362021/6/27372021/6/2738一、常用的半導(dǎo)體光電探測(cè)器材料

半導(dǎo)體光電探測(cè)器材料的基本要求是希望對(duì)所探測(cè)的入射光在半導(dǎo)體材料內(nèi)部能引起大的受激吸收速率，因此直接帶隙材料是最理想的。但有些間接帶隙躍遷材料對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的入射光也能產(chǎn)生明顯的吸收。含有異質(zhì)結(jié)的光電探測(cè)器，要考慮異質(zhì)結(jié)材料的晶格常數(shù)匹配。

3半導(dǎo)體光電探測(cè)器的材料和性能參數(shù)2021/6/2739Si、Ge、GaAs、InGaAsP是幾種光纖通信中常用的探測(cè)器材料。在波長(zhǎng)λ<1um的波段內(nèi)，硅是目前廣泛使用的探測(cè)器材料。在λ>1.0um時(shí)，Ge是可供選擇的材料。

Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體光探測(cè)器適合在1.3um和1.55um波段的光纖通信系統(tǒng)中使用的，同時(shí)還可以調(diào)整組分，使吸收邊正好處在工作波段之外。2021/6/2740二、半導(dǎo)體光電探測(cè)器的性能參數(shù)

1.量子效率和響應(yīng)度

2021/6/2741Si探測(cè)器量子效率與波長(zhǎng)、吸收層厚度的關(guān)系圖2021/6/2742圖PIN光電二極管響應(yīng)度、量子效應(yīng)率與波長(zhǎng)的關(guān)系2021/6/2743響應(yīng)度R：定義為單位入射光功率作用到探測(cè)器上后在外電路中產(chǎn)生的光電流的大小。2021/6/27442.暗電流和噪聲

理想的光電探測(cè)器，在無(wú)光照時(shí)應(yīng)該沒(méi)有光電流，然而實(shí)際中由于：①在耗盡層中存在有載流子產(chǎn)生復(fù)合電流，②耗盡層邊界上少數(shù)載流子的擴(kuò)散流，③表面漏電流，使得無(wú)光時(shí)存在一個(gè)小電流，無(wú)光時(shí)的電流稱(chēng)為暗電流。

溫度越高，受溫度激發(fā)的電子數(shù)量越多，暗電流越大。2021/6/2745

噪聲是反映光電二極管特性的一個(gè)重要參數(shù)，它直接影響光接收機(jī)的靈敏度。光電二極管的噪聲包括由信號(hào)電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲和由負(fù)載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。噪聲通常用均方噪聲電流(在1Ω負(fù)載上消耗的噪聲功率)來(lái)描述。均方散粒噪聲電流〈i2sh〉=2e(IP+Id)B式中，B為放大器帶寬，IP和Id分別為信號(hào)電流和暗電流。2021/6/2746

第一項(xiàng)2eIPB稱(chēng)為量子噪聲，是由于入射光子和所形成的電子—空穴對(duì)都具有離散性和隨機(jī)性而產(chǎn)生的。只要有光信號(hào)輸入就有量子噪聲。這是一種不可克服的本征噪聲，它決定光接收機(jī)靈敏度的極限。第二項(xiàng)2eIdB是暗電流產(chǎn)生的噪聲。

均方熱噪聲電流式中，T為等效噪聲溫度，R為等效電阻。

因此，光電二極管的總均方噪聲電流為：2021/6/2747

光電二極管對(duì)高速調(diào)制光信號(hào)的響應(yīng)能力用響應(yīng)時(shí)間τ或截止頻率fc(帶寬B)表示。響應(yīng)時(shí)間通常用光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的時(shí)間來(lái)衡量，有時(shí)這兩者可能不同。對(duì)于幅度一定，頻率為ω=2πf的正弦調(diào)制信號(hào)，用光生電流I(ω)下降3dB的頻率定義為截止頻率fc。3.響應(yīng)時(shí)間或頻率帶寬

2021/6/2748圖響應(yīng)時(shí)間2021/6/2749

響應(yīng)時(shí)間主要取決于三個(gè)因素：耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散時(shí)間τdi載流子漂移通過(guò)耗盡區(qū)的渡越時(shí)間τdr光檢測(cè)器和它有關(guān)電路的時(shí)間常數(shù)τRC，主要隨電阻和電容的增大而增大?？偟臅r(shí)間常數(shù)：2021/6/2750減小耗盡層寬度W，可以減小渡越時(shí)間τdr，從而提高截止頻率fc，但是同時(shí)要降低量子效率η。2021/6/2751

在光纖通信中要求半導(dǎo)體光探測(cè)器對(duì)入射的高速調(diào)制光信號(hào)能產(chǎn)生快速響應(yīng)，以利于提高通信速度，降低誤碼率。要提高響應(yīng)速度需減少耗盡層電容，這意味著大面積的探測(cè)器不適合探測(cè)高頻調(diào)制信號(hào)。加大耗盡層寬度可減少結(jié)電容，同時(shí)可提高量子效率，但卻增加了載流子的渡越時(shí)間。所以吸收區(qū)的厚度要兼顧量子效率和響應(yīng)速度，減小面積來(lái)減少結(jié)電容的同時(shí)還要考慮小面積與光纖耦合的問(wèn)題。2021/6/2752

半導(dǎo)體光探測(cè)器的靈敏度是指，在保證所要求的誤碼率前提下，所能探測(cè)到的最小光功率，用dBm表示。4.靈敏度

2021/6/2753一、光電二極管

光電二極管(PD)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能，是由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。在PN結(jié)界面上，由于電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)建電場(chǎng)。內(nèi)建電場(chǎng)使電子和空穴產(chǎn)生與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反的漂移運(yùn)動(dòng)，使能帶發(fā)生傾斜，形成耗盡層。當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時(shí)，如果光子的能量大于或等于帶隙(hv≥Eg)，便發(fā)生受激吸收，即價(jià)帶的電子吸收光子的能量躍遷到導(dǎo)帶形成光生電子-空穴對(duì)。在耗盡層，由于內(nèi)建電場(chǎng)的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流。4半導(dǎo)體光電探測(cè)器2021/6/2754光電效應(yīng)示意圖2021/6/2755

在耗盡層兩側(cè)是中性區(qū)，由于熱運(yùn)動(dòng)，部分光生電子和空穴通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可能進(jìn)入耗盡層，然后在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，形成和漂移電流相同方向的電流。光生漂移電流分量和光生擴(kuò)散電流分量的總和即為光生電流。

當(dāng)與P區(qū)和N區(qū)連接的電路開(kāi)路時(shí)，便在兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)連接的電路閉合時(shí)，N區(qū)電子通過(guò)外部電路流向P區(qū)。同樣，P區(qū)的空穴流向N區(qū)，便形成了光生電流。當(dāng)入射光變化時(shí)，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這種由PN結(jié)構(gòu)成，在入射光作用下，由于受激吸收產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的運(yùn)動(dòng)，在閉合電路中形成光生電流的器件，就是簡(jiǎn)單的光電二極管(PD)。2021/6/2756

由于載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)比漂移運(yùn)動(dòng)慢得多，所以減小擴(kuò)散分量的比例便可顯著提高響應(yīng)速度。但是提高反向偏壓，加寬耗盡層，又會(huì)增加載流子漂移的渡越時(shí)間，使響應(yīng)速度減慢。為了解決這一矛盾，就需要改進(jìn)PN結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu)。

光電二極管通常要施加適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘?，目的是增加耗盡層的寬度，縮小耗盡層兩側(cè)中性區(qū)的寬度，從而減小光生電流中的擴(kuò)散分量。2021/6/2757

由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收，因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體(稱(chēng)為I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。

PIN光電二極管的工作原理和結(jié)構(gòu)見(jiàn)下頁(yè)圖。中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體，兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體。二、PIN光電二極管

2021/6/2758PIN光探測(cè)器的結(jié)構(gòu)和原理圖2021/6/2759I層很厚，吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子—空穴對(duì)，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。兩側(cè)P+層和N+層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整個(gè)耗盡層，因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應(yīng)速度。另外，可通過(guò)控制耗盡層的寬度W，來(lái)改變器件的響應(yīng)速度。2021/6/2760

光電二極管輸出電流I和反偏壓U的關(guān)系示于下圖。隨著反向偏壓的增加，開(kāi)始光電流基本保持不變。當(dāng)反向偏壓增加到一定數(shù)值時(shí)，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個(gè)電壓稱(chēng)為擊穿電壓UB。APD就是根據(jù)這種特性設(shè)計(jì)的器件。三、雪崩光電二極管(APD)2021/6/2761

根據(jù)光電效應(yīng)，當(dāng)光入射到PN結(jié)時(shí)，光子被吸收而產(chǎn)生電子—空穴對(duì)。如果電壓增加到使電場(chǎng)達(dá)到200kV/cm以上，初始電子(一次電子)在高電場(chǎng)區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動(dòng)。高速運(yùn)動(dòng)的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子—空穴對(duì)。新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增，所以這種器件就稱(chēng)為雪崩光電二極管(APD)。

2021/6/2762APD載流子雪崩式倍增示意圖2021/6/2763APD的結(jié)構(gòu)有多種類(lèi)型，如下圖示出的N+PΠP+結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為拉通型APD。在這種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)偏壓加大到一定值后，耗盡層拉通到Π(P)層，一直抵達(dá)P+接觸層，是一種全耗盡型結(jié)