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1、光电探测器原理及应用光电探测器种类繁多，原则上讲，只要受到光照后其物理性质发生变化的任 何材料都可以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，是变光信号为电信号的元件。光电效应分两类，内光电效应和外光电效应。他们的区别在于，内光电效应的入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光电 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，而高能态产生一个自 由移动的电子，如图二所示。硅光电探测器是利用内光电效应的。由入射光子所激发产生的电子空穴对，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
2、果设法检测出 这种性能的改变，就可以探测出光信号的变化。无论外光电效应或是内光电效应，它们的产生并不取决于入射光强，而取决 于入射光波的波长入或频率V,这是因为光子能量E只和v有关：E二hv(1)式中h为普朗克常数，要产生光电效应，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hv也就越大。光强只反映了光子数量 的多少，并不反映每个光子的能量大小。目前普遍使用的光电探测器有耗尽层光电二极管和雪崩光电二极管，是由半 导体材料制作的。半导体光电探测器是很好的固体元件，主要有光导型，热电型和PN结型。 但在许多应用中，特别是在近几年发展的光纤系统中，光导型探测器处理弱信号
3、时噪声性能很差；热电型探测器不能获得很高的灵敏度。而硅光电探测器在从可 见光到近红外光区能有效地满足上述条件，是该波长区理想的光接收器件。S3宇#星中的催特一、耗尽层光电二极管在半导体中，电子并不处于单个的分裂能级中，而是处于能带中，一个能带有许多个能级。如图三所示。能带与能带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，最高的满带称为价带，紧靠在价带上面的能带称 为导带，导带只有部分被电子填充，或是全部空着。内光电效应发生在导带与价带之间。价带中的电子吸收了入射光子的能量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
4、个空穴，空穴可以看作是一个带正电的载流子。空穴可以在价带中自由移 动。因此，当入射光子在半导体的夹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。以半导体为材料制成的光电二极管，其核心是P-N结。P-N结是由P型半导 体和N型半导体结合而成的。由于扩散作用始终是浓度高的向浓度低的运动，所 以P型和N型合在一起时，P区的空穴会向N区移动，N区的电子会向P区移动。 结果会使P区变负，N区变正。电荷堆积在P-N结两侧形成自建电场，其方向由 N指向P。该自建电场阻止空穴和电子的进一步扩散并使之逐渐达到平衡，于是 在P-N结区形成了耗尽层。为了提高光电二极管的响应速率，我们希望光生电子空穴
5、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-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：4由于自建电场很强，所以电子和空穴漂移 运动的速度很快，如果光生电子空穴对在耗尽 层外产生，由于耗尽层外没有自建电场，所以 电子和空穴只能靠扩散到达P-N结区，会慢上 许多，将影响探测器的响应速率。所以实际上 使用时，会将光电二极管反向偏置，即N接正， P接负，外加电场和自建电场方向相同。这使 得P-N结两侧的势垒进一步加大，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，从而进一步提高光电 二极管的性能。所以耗尽层光电二极管实质
6、上是一个反向偏置工作的二极管，其反向工作电流受入射光调制。二、雪崩光电二极管雪崩光电二极管有内部增亦或放大作用，一个入射光子可以产生10-100对 光生电子空穴，使光电流大大增加，明显提高了光电探测器的灵敏度。雪崩光电二极管内部增益如何产生 呢？如前所述，在反向偏置二极管的耗尽 层中，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。RI 需惭无电二妆工h盛刘ft) XWt f(t)咽if 垃空贰二嵐整耳电4甘皿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 来说，电场强度超过105V/cm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，他
7、们将于其他的原子 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”倍增现象，使光电 流放大，如图5所示。很明显，在半导体中，不仅电子可引起这种雪崩倍增，空 穴同样会造成雪崩倍增。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，平均说来是正比于入射光子数或初始 光生载流子数。一个载流子穿过单位距离时，由于碰撞电离所产生的电子空穴对的平均数, 称为载流子
8、的离化率。离化率和耗尽层内的电场强度密切相关。不同的半导体材 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彼此不通。雪崩光电二极管的一个重要问题是噪声问题。除了一般光电探测器所具有的噪声之外，由于雪崩光电二极管有内部增益， 因而还将引入附加噪声。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，他的增益带宽积才比较大。也就是说，要么是由电子产生碰撞电离而空 穴不产生碰撞电离，要么是由空穴产生碰撞电离而电子不产生碰撞电离，这样的 雪崩光电二极管的性能才会比较好。反之，
9、弱电子和空穴这两种类型的载流子同 时引起碰撞电离，就会使附加噪声增加，增益带宽积减小，从而导致整个雪崩光 电二极管器件性能下降。要实现只有一种类型的载流子产生碰撞电离，就要求半导体材料电子离化率 和空穴离化率二者差值越大越好。由于半导体硅的电子离化率和空穴离化率二者 相差较大，因此硅是制作雪崩光电二极管较理想的材料之一。除了半导体材料本身特性外, 还可以在工艺结构上采取一些措 施来尽量保证只有一种类型的载 流子才能产生碰撞电离。例如： 可以设法将雪崩管中的耗尽层分 为吸收漂移区和高场倍增区。让 入射光尽量在漂移区中被吸收而 产生出光生电子空穴对，然后只 让其中一种类型的载流子进入高 场强区域产
10、生倍增。图6(a)所 示的达通型硅雪崩光电二极管即此结构。图6 (b)是它响应个区域的电场分布。 达通型硅雪崩光电二极管简称为RAPD。RAPD由n+-p-n-p+层组成，其中n+, p+ 分别表示重掺杂的n型和p型半导体，n表示p型高阻层。在X1到X2之间为 n+的接触层，X2到X3是P型倍增区，雪崩倍增主要发生在这个区域。从X3到 X4是n漂移区，入射光子大部分在该区域被吸收，因为n区比P区宽的多。X4 以后是P+接触区，为雪崩管的衬底。从这种结构的雪崩管内的电场强度分布有 图可以看出，在n+-p靠近P区一侧电场强度最高，在低压反向偏置时，所加电 压大部分降落在该p-n+结区上，当外加反向
11、偏压增大时，P型倍增区将随之加宽， 在达通电压V下，一直拉通达到近似于本征半导体的n区，正因为如此，所以称 之为“达通型雪崩光电二极管”。当超过达通电压 V 后，外加电压将降落在包括 整个n区的p-n结耗尽层上。由于n区比p区宽的多，所以此时P型倍增区的电 场随外加电压增大相对来说变化较慢，于是倍增因子的增加也相对较慢。在正常 工作时，虽然n区电场低于p-n+结倍增区电场，但仍然相当高，以便使在该区 产生的光生载流子能以略低于产生二次碰撞电离的速度快速运动，这样才能保证 雪崩管的快速响应。n区相当宽，能保证入射光绝大部分在该区被吸收，而且只 有在该区产生的初始电子空穴对中的电子才能进入p-n+
12、结高场倍增区去产生碰 撞电离，获得增益。在n区产生的空穴是向相反方向运动的，不可能进入高场倍 增区，从而抑制了空穴产生碰撞电离得可能性。虽然在n+区和P区由入射光子 所产生的空穴也可能在高场区中发生碰撞电离，但毕竟n+和p区很窄，所以在 该区产生的初始光生空穴很少。另外，硅的空穴离化率比电子离化率小很多，因 此，硅雪崩管的空穴在倍增过程中起的作用很小，在倍增区主要靠一种载流子， 即n区来的电子产生碰撞电离，如前所述，当只有一种载流子产生碰撞电离时， 雪崩管的响应速度就比较快，而由倍增所引入的过剩噪声也就较小。总结：硅光电探测器的应用十分广泛，在光通信、光纤传感、激光测距、跟踪、制 导、自动控制以及激光唱机、商品条码读出器、计算激光笔等方面都有很大的应 用。具有小型、坚固、可靠、低功耗等优良特点。在未来的生产生活中将不可或 缺。
