光电探测器原理及应用

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1、光电 探测器原理及应 用雷肇棣(西南技术物理研究所,成都6 10 04 1)介绍了光电与系统的组 成,阐述了光电二极管和雪崩光电二极管的工作原理及噪声问题,对雪崩光电二极管人P D和光电倍增管PMT进行了比较,并以四象限探测器为例说明了光电探侧器的应用问题.关镇词光电子学系统,光电探测 器,光电二极管,雪崩光电二极管Abs traetTheprin eipleandnoisepr oblemsofphotodiode s,a ndavala nehephotodiodes(Ap Ds)ar ede s e ribed.Theadvantagesandd isadvantagesofApDsan

2、dphotomuulti-pliertube sa r ee omPa r ed.AsimPleapPlie atio ne x amplefo roPtiealdete cto r s15givenKeywordsphotodetecto r,photod iode,a v ala nehephotodiode自19 60年第一台红宝石激光器问世以来,古老的光学发 生了 革命性的变化.与此同时,电子学也突飞猛进地向前 发展.光学和电子学紧密联合形成 了 光电子学这一崭新的学科.由此 发展起来的 光 电子高新技术,已深入到人们生 活的 各个领域,从 光 纤通信,镭射唱盘到海湾战争中的现代化 武

3、器,都和光电子技术 密切相关.而光 电探 测器则是光 电子 系统 中不可缺少的重要器件.可 以毫不夸大地说,没有光电探测器件,就没有今天的 光 电子学系统.探测器 将光信号转 变成电信号.由于光信号 经传传传传传传传光光源源源输输介介介介介介介质质质质质质质质质接接接接接接接收收收收 显显示器器器光学系统统统统解解码器器器前置置置光电电 放放放放大器器器探 侧器器图l光电子系统方框图光电子系统的组成现代光电子 系统 非常复杂,但它的 基本组成可用图l来说 明:待传送信号经过编码器编码后加到 调制器 上去调制光 源发 出的 光,被调制后的光 由发射 光学系统发 送 出去.发射 光学系统 又称 为

4、发射天 线,因为光 波是一 种 电磁波,发射光学 系统所起 的作用和 无线电发射天 线所起的作用完全相同.发送出去的光信号经过传输介质,如大气 等,到 达接收端.由接收光学 系统或接收 天线将 光聚焦到光电探测器上,光电过长距离传输后会衰减,使接收到的信号一般很弱,因此需要用前置放大器将其放 大,然 后进行 解码,还原成发送端原始的待传送信号,最后由终端显示 器显示 出来.其实,这种光电子 系统 的最基 本组成在古代早已形成.例如,烽火台就是一种最简单的光通 信系统:烽火是 光源;调制方式是点燃烽火与 熄灭烽火,这是 最简单的二进制编码调制方式;传输介质是大气;光探测器是 人的眼睛.这种 古代

5、的烽火台通信系统已包括了现代光 电子系统中最基本的部分:发射、调 制、接收(眼23卷刁期睛)、解调(人的 大脑).但是,这种原始的系统有许多不足和 缺点:第一,传送的信息量太少,只能 告 诉人们有敌人(烽火燃)和无敌人(烽火灭)这两种信息,至于 敌人多少,谁带 领,携带什么武器,从哪个方 向来等等,都无法 给 出;第二,传送距离太近,只能传到 人眼看得 到的地方;第三,抗干扰能力差,雨雾天不能传送;第四,保密性很差,点燃烽火后,不仅自己人 能看见,敌人也能看见;第五,不 能进行识别,城池一旦被攻占,敌人 也 可根据需要点燃烽火,但 自己无法识别究竟是谁点 的烽火;第六,响应速度慢,从点火到 火

6、光冲天使人们 能看到,没有十几分钟到半个小时是不行的,等等.现代光 电子 系统就是为了解决上述这些问题而 设计的,因此系统变得越来越复杂.但万变不离其宗,它的基本思想都是很简单的。人射光 强改变,从 而可检测 出光信号。而半导体光 电器件(包括光敏电阻,光 电池,光 电二极管,光 电三极管,雪 崩光电二极管等)利 用的却是内光 电效应.内光 电效应 和外光 电效应的区别在于人射光子并不 直接将光 电子 从光电材料内部轰击出来,而只是将光电材料内部 的电子从低能 态激发到高能态,于 是在低能态 留下一个空位空 穴,而在高能 态上 产生一个能 自由移动 的 电子,如图2所示.这样一对由人射电子高能

7、态低能态空穴图2光生电子空 穴对二、作为眼睛的光电探侧器在光电子 系统中, 最关键最重要的部件是它的“眼睛”光 电探侧器.人的眼睛就是一种光探测器,它非常灵敏,但也有不足之 处:其一是它的光谱响 应范 围只限于0.4一0.7 6拼m,对于波长小于0.4拼m的 紫外光和大于0.7 6科m的红外光一般不 能响应 (这一范围就是通常说的 可见光 );其二是眼睛有“视觉暂留”现象,对于“高 重复频率”信号 不能分辨,例如 电影每秒48幅 图像,电视每秒5 0幅图像,此时,人眼就无法分 辨 出一幅一幅 的 图像,而是将它们“平滑滤波”连成一片,产生 连续 活动的图像;其三 是眼睛不 能记忆、存 储、输出

8、、显 示记 录的 图像,在这些方面 它不及光电探测器.光电探测器种类 繁多,不胜 枚举.原 则上讲,只要受到光照射 后其物理性质会发生变 化的任何材料都 可用来制作 光 电探测器.现在广泛使用的光电探测器是利用 光电效应工 作的.光 电效应分为两类:内光电效应 和外光 电效应.电真空 器件中的光电管 或光 电倍增管是利用外光 电效应 工作的,即人 射光子打在阴极材料上,将其 内部电子轰击出来形成光电流,它随光子所激 发产生 的 电子一空 穴对,称为光 生电子空穴对.光生 电子空穴对 虽然仍在材料内部,但它改变了半导体光电材料的 导 电性 能.如果设法检测出这种性 能的改变,就可探测出光信号的变

9、化.无论外光电效应或是内光电效应,它们的产生并不取决于人射光 强,而是取决于人 射光波的波长1或频率,这是因为光 子能量E只和频率v有关,石,(1)式中再为普朗克常数.要能产生光电效应,每个光子的能量必须足够大.光波波长越短,频率越高,每个光子所具有的能量 h v也就越大,因而越容易产生光电效应;反之,波长越长,频率越低,就越难产生光电效应.而光 强只反映光子 数量多少,并不 反映每个光子 的能量大小.能量E可采用 电子 伏特(ev)为单位,根 据换算.具有l ev能量的光子,它所对应的光波波长为L2 4产m目前普遍使用的光电探测器是 光 电二极管(photod iode)和雪崩光 电 二 极

10、管(avalanehephotodiode,简称Ap D).它们是 由半 导饮材料制作的.在半导体中,电子 不是 处于单个的物理分裂能级中,而是处于所谓“能带”中,一个能带内有许许多多能级,彼此靠得非常近,几乎无法分辨.能带 与能带之间的能 量间隙称 为禁带,禁带中没有电子.电子从下往上填,被电子全部填满 的 能带 称 为满带.最高的满带 叫价带.紧靠价带上 面的 能带 叫导带,导带或 是部分被电子 充 满,或是全部空着.内光电效应就发生在导 带与价带之间(如 图3所示 ),价带中的电空穴进 一 步向对方扩散而达到 平衡,于是在卜n结区 形成耗尽层.为了提高光 电二极管的响应速度,我们希望光生

11、电子空 穴对 的产生 尽量发 生在 耗尽层内.因为在这一区域内一旦产生电子空 穴对,电子和空 穴立 即被p一n结 内强烈的 自建电场分开 而各自向相 反方 向作“漂 移”运动,如 图4所示.由于自建电场很强,所以 电子O电子21 、 L 带导田空穴e e e e el份份 p p pO O O_户建电场l由n n ne e e e e一田田带禁、产/价带满带1 1 二 一 图3半导体中的能带电子扩散区漂移区空 穴扩散区子吸收了人射光子 的能量h v后被激发到 导带中去,于是在导带中产生一个能 自由运动的电子,而在价带中留下一个空穴.空穴可看成是一个带正电的 载流 子,和带负电的电子正 好相反,

12、空穴在价带中的能量高于在导 带中的能量.和电子 能够在导 带内自由运动一样,空穴在价带内也 能 自由运动.因此,当人射 光子在半导体的价带和 导带中激发产生光 生 电 子空 穴 对后,将改变半导体 的 导 电性能.由半导体 材料制作的光 电二极管,其核心部分是p一n结.p一n结是p型半导体和n型半导体 结合形 成的.所谓n型半导体是指负的半导体,其中电子浓度高于空 穴浓度,而p型半导体 则为正 的半导体,其空穴 浓度高于电子 浓度.由于扩散作用 始终是浓度高的 向浓度低的方向进行,所以 当p型半导体和n型半导体结合在一起时,p区的 空穴将扩散到n区,而n区的 电子将扩散到p区,使p变负而n变正

13、.电荷堆积在p一n结 两侧形成一 自建 电场,其方向由n指 向p.p一n结的 自建电场 阻止 了 电子 和图4光电二极管工作原理和空 穴“漂移”运动的速度很快.如果 光生 电子空穴对 在耗尽层外部产生,由于耗尽层外不存在强 烈的 自建 电场,电子和空穴 只能靠“扩散”运动到 达p一n结区,而扩散运动比漂移运动的速度低得多,所以将影 响探测器的 响应速度.为了进一步提高响应速度,在 实际使用时是将光电二极管反向偏置的、即将n接正,p接负,外加电场方向与p一n结内自建电场方向一致.这一外加 电场使p一n结两侧的势垒差进一步加大,耗尽层宽度进一步加宽,允许更多的 光生 电子空穴 对在高场 强区产生,

14、同时 减小了 二极管的结电容,从而进一步提高光 电二极管的 响应速度和 灵敏度.为了改善和提高光 电二极管的性能,通常还在p区和n区之间形成一个本征区或i区(intrin sier egion),构成所谓pin光电二极管.无论一般的光 电二极管或是pi n光电二极管,它们都 没有内部增 益,也就是说内部没有放大作用.23卷4期三具有内部增益的雪 崩光电二极管雪崩光 电二极管有内部增益或放大作 用,一个人射光子 可产 生1 0 一10 0对 光 生 电 子 空穴,使光电流大大增加,明显地提高了光 电探测器的灵敏 度.雪 崩光 电二极管内部增益是怎样产生的 呢?如前所述,在反向偏置二极管的耗尽层中

15、,存在 着一相当强的 电场.反向偏置电压越高,耗尽层中电场强度越大.如果耗尽层中的电场强度达到非常高时,例如,对半导体硅雪崩光电二极管(51一APD)来说,电场强度超过1。,V/。m时,在耗尽层中的光生 电子和空穴会被强电场加速而获得巨大的动能,它们将与其他的原子发生碰撞而激发产 生新的二次碰撞电离的电子空 穴对.这些新产生的 电子 空穴对反过来又在耗尽层中被强 电场加速而获得足够的动能,再一次又与其他原子发 生碰撞电离而激发产生更多的电子空穴对.这样的碰撞电离一个接一个地不断发 生,就形成所谓“雪崩”倍离场倍增区初始光电子/了距离:勺留尽倒距离尤初始光电子图5雪崩光电二极管工作原理(a) 只

16、有 电子产生电离碰撞;(b)电子和空穴 二者都参与电离碰撞增 现象,使光电流放大,如 图,所示.很明显.在半导 体中,不 仅 电子可引起这 种雪崩倍增,空穴 同样也会造成雪崩倍增.当所加的反向偏置电压低于某个确定 电压时,即低于所谓雪 崩 电压时,由碰撞电离而产生 的电子 空穴对 的总数是 有限 的,平 均来说 是正比于人射光 子数或初始光生载流子数的.一个载流 子(电子或 空穴)穿过单位距离时,由于碰撞电离所产生 的电子空穴对 的平均数,称为载流子 的离化 率.离化率和耗尽层内的 电场强度密切相关.不 同的半导休材料,离化率不相同.即使在同一种半导体材料中,不 同类 型的载流子的离化率也 是各不相同的,即电子 离化 率和空 穴离化率是 彼此不 同的。雪崩光 电二极管的一个重要问题是噪声问题山.除了一般光 电探侧器所具有的噪声之外,由于雪崩光电二极管有内部增益,因而还将弓I人附加噪声。这种附加噪声和雪崩管内的碰撞电离有关.理论证明,当只有一种载流子引起碰撞电离,那 么雪崩光电二极管的噪声就比较低,它的增益带宽积才比较大.也就是说,或者是由电子产生碰