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半導(dǎo)體光電二極管
2024-05-21 09:40:13
半導(dǎo)體光電二極管探測光輻射的基本過程
①吸收光輻射產(chǎn)生載流子，即半導(dǎo)體價帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶,產(chǎn)生電子-空穴對；
②光生載流子在二極管內(nèi)輸運形成電流，若光子在耗盡層內(nèi)被吸收，產(chǎn)生的電子和空穴在電場的作用下作漂移運動；若光子的吸收發(fā)生在耗盡層外擴散長度之內(nèi)，少子靠擴散運動可到達(dá)耗盡層邊界，進入耗盡層之后再作漂移運動；
③載流子向電極輸運時，在外電路中形成電流，產(chǎn)生輸出信號。經(jīng)過上述過程，光信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過測量電信號的強度，達(dá)到探測光信號的目的。
半導(dǎo)體基本原理
半導(dǎo)體光電二極管通常取PN結(jié)、PIN結(jié)、肖特基勢壘、MIS和點接觸等結(jié)構(gòu)（圖1）。半導(dǎo)體雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)與一般光電二極管類似。只是PN結(jié)上的反偏壓足夠高，耗盡層中的載流子受到強場的加速作用而獲得足夠高的動能，它們與原子碰撞時產(chǎn)生新的電子-空穴對,引起載流子雪崩式倍增，從而得到內(nèi)部電流增益。
光電二極管性能
各種光電二極管的波長覆蓋范圍從紫外區(qū)、可見光區(qū)直到近紅外光區(qū)。制作光電二極管的材料有元素半導(dǎo)體Si、Ge及Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體GaAs、InAs、InSb、InS、InGaAs、InGaAsP、PbSnTe、PbSnSe、HgCdTe等。
對光電探測器件的性能要求主要有：
①響應(yīng)靈敏度高，即要求探測器有較高的光信號－電信號的轉(zhuǎn)換效率；
②響應(yīng)速度快，當(dāng)入射光信號受到高頻調(diào)制時，光電二極管能夠快速響應(yīng)；
③噪聲低，探測器的噪聲性能表征該器件所能分辨的最小信號電平，噪聲低意味著探測器在測量光輻射能量時具有較高的準(zhǔn)確度，可探測的最低功率小。
響應(yīng)靈敏度
用輸入光功率P與輸出光電流I表示的一個實用參量。它的定義是：
單位為安/瓦或微安/微瓦。式中e是電子電荷，h是普朗克常數(shù)，υ是入射光頻率，c是光速。故R(λ)由入射光波長λ、量子效率η(λ)和倍增因子M決定。在某一入射光波作用下，沒有倍增時，量子效率的定義為單位時間內(nèi)產(chǎn)生并被電極收集的光生載流子數(shù)與波長為 λ的入射光子數(shù)之比。η(λ)由器件表面的反射率、材料的光吸收系數(shù)α和吸收層厚度決定。減小表面反射率，并使吸收層厚度為1/α時，可得到最好的量子效率。α取決于入射光波長，因而η(λ)也與波長密切相關(guān)。當(dāng)入射光子能量hυ低于材料的禁帶寬度Eg時,載流子從價帶到導(dǎo)帶的躍遷不能發(fā)生，由此決定光電二極管的長波響應(yīng)極限λc,λc=1.24/Eg（Eg單位為電子伏,λc單位為微米）。當(dāng)hυ＞＞Eg時，由于吸收系數(shù)太大,光子的吸收只在表面附近發(fā)生，光生載流子擴散到耗盡層之前通過表面復(fù)合中心與多子復(fù)合，這一過程無益于光電流，造成量子效率的降低,構(gòu)成光譜響應(yīng)的短波限制。因此,光電二極管的波長響應(yīng)特性決定于材料和器件結(jié)構(gòu)。
響應(yīng)速度
限制光電二極管響應(yīng)速度的因素如下：
① 光生載流子在耗盡層外的P區(qū)和N區(qū)中的有限擴散時間引起渡越過程的延遲。采用全耗盡型的器件結(jié)構(gòu)可把這一效應(yīng)減小到最小。
② 信號電流受到結(jié)電容Cd并聯(lián)的影響。光信號調(diào)制頻率的上限由ReCd時間常數(shù)決定
式中Re為與Cd串聯(lián)的等效電阻,它包括器件的串聯(lián)電阻和負(fù)載電阻。采用全耗盡型的器件結(jié)構(gòu)及小負(fù)載電阻時，可以獲得較好的響應(yīng)特性。二極管的電容與結(jié)面積成正比，與耗盡層寬度成反比，因此減小結(jié)面積，增大耗盡層寬度可降低時間常數(shù)ReCd。
③ 載流子漂移穿過耗盡層的有限渡越時間引起的延遲。足夠大的反向偏流下，載流子以散射限制速度υs漂移,則渡越時間延遲τd由耗盡層寬度ω決定:τd=ω/υs，渡越時間允許的最高調(diào)制頻率f：f≈2.8/2πτd。
因此，光電二極管的響應(yīng)速度主要由時間常數(shù)和渡越時間效應(yīng)決定。最佳的折衷選擇是使f≈f，即τd≈2.8ReCd。適當(dāng)選擇結(jié)面積、摻雜濃度、結(jié)深、負(fù)載電阻等參數(shù)，可以獲得最佳的頻率響應(yīng)特性。
工作噪聲
在光接收機中，經(jīng)過探測、檢波、變換等過程把光信號還原成原發(fā)的電信號。但各部分都存在噪聲，所以從輸出端解調(diào)出來的電信號與發(fā)送端發(fā)出來的電信號不完全相同，而在正確值附近有無規(guī)則起伏，將限制可探測信號的最小光功率。通常用信噪比S/N、噪聲等效功率P或探測靈敏度D*表征光電二極管的噪聲性能。
信噪比S/N是描述有用信號強度與噪聲強度相對比值的量。通常用信號電流與噪聲電流的均方值表示。
噪聲等效功率P是信噪比等于 1時的入射光功率。它代表可探測的最小光功率。P越小，光電二極管的探測靈敏度越高。
探測靈敏度
探測靈敏度D*的定義為：式中A是器件的光敏面積，B是帶寬。由于P與和成正比,故D*是一個與光敏面積、帶寬無關(guān)的量。采用D*這個量可以對不同帶寬、不同光敏面積的光電二極管進行比較。作為表征器件噪聲特性的一個靈敏參數(shù),D*越大，光電二極管的探測靈敏度越高，噪聲性能也就越好。
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