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1、半导体中的光吸收和光探半导体中的光吸收和光探测器测器1半导体中的光吸收理论半导体中的光吸收理论2半导体中的本征吸收和其他光吸收半导体中的本征吸收和其他光吸收3半导体光电探测器的材料和性能参数半导体光电探测器的材料和性能参数4半导体光电探测器半导体光电探测器半导体中的光吸收和光探测半导体中的光吸收和光探测n半导体对光的吸收机构大致可分为：半导体对光的吸收机构大致可分为：n 本征吸收；本征吸收；n 激子吸收；激子吸收；n 晶格振动吸收；晶格振动吸收；n 杂质吸收；杂质吸收；n 自由载流子吸收自由载流子吸收. .n参与光吸收跃迁的电子可涉及四种：参与光吸收跃迁的电子可涉及四种：n 价电子；价电子；n
2、 内壳层电子；内壳层电子；n 自由电子；自由电子；n 杂质或缺陷中的束缚电子，杂质或缺陷中的束缚电子，(1)光吸收系数：光吸收系数：半导体吸收光的机理主要有带间跃迁吸收（本征半导体吸收光的机理主要有带间跃迁吸收（本征吸收）、载流子吸收、晶格振动吸收等。吸收光的强吸收）、载流子吸收、晶格振动吸收等。吸收光的强弱常常采用描述光在半导体中衰减快慢的参量弱常常采用描述光在半导体中衰减快慢的参量吸吸收系数收系数来表示；若入射光强为来表示；若入射光强为I，光进入半导体中的，光进入半导体中的距离为距离为x，则定义：，则定义：吸收系数的单位是吸收系数的单位是cm-1。1半导体中的光吸收理论半导体中的光吸收理论
3、(2)带间光吸收谱曲线的特点：带间光吸收谱曲线的特点：对于对于Si和和GaAs的带间跃迁的光吸收，测得其吸收的带间跃迁的光吸收，测得其吸收系数系数a与光子能量与光子能量hv的关系如图的关系如图1所示。这种带间光吸所示。这种带间光吸收谱曲线的特点是：收谱曲线的特点是：吸收系数随光子能量而上升；吸收系数随光子能量而上升；各种半导体都存在一个吸收光子能量的下限（或各种半导体都存在一个吸收光子能量的下限（或者光吸收长波限者光吸收长波限截止波长），并且该能量下限随截止波长），并且该能量下限随着温度的升高而减小（即截止波长增长）；着温度的升高而减小（即截止波长增长）；GaAs的光吸收谱曲线比的光吸收谱曲线
4、比Si的陡峭。的陡峭。 为什么半导体的带间光吸收谱曲线具有以上为什么半导体的带间光吸收谱曲线具有以上一些特点呢？一些特点呢？ 与半导体的与半导体的能带结构能带结构有关。有关。(3)对带间光吸收谱曲线的简单说明：对带间光吸收谱曲线的简单说明：因为半导体的带间光吸收是由于价带电子跃迁到因为半导体的带间光吸收是由于价带电子跃迁到导带所引起的，则光吸收系数与价带和导带的能态密导带所引起的，则光吸收系数与价带和导带的能态密度有关。度有关。在价带和导带中的能态密度分布较复杂在价带和导带中的能态密度分布较复杂,在自由在自由电子、球形等能面近似下，能态密度与能量是亚抛物电子、球形等能面近似下，能态密度与能量是
5、亚抛物线关系，在价带顶和导带底附近的能态密度一般都很线关系，在价带顶和导带底附近的能态密度一般都很小，因此，发生在价带顶和导带底附近之间跃迁的吸小，因此，发生在价带顶和导带底附近之间跃迁的吸收系数也就都很小；随着能量的升高，能态密度增大，收系数也就都很小；随着能量的升高，能态密度增大，故吸收系数就相应地增大，从而使得吸收谱曲线随光故吸收系数就相应地增大，从而使得吸收谱曲线随光子能量而上升。子能量而上升。但是由于实际半导体能带中能态密度分布函数的复但是由于实际半导体能带中能态密度分布函数的复杂性，而且电子吸收光的跃迁还必须符合量子力学的跃杂性，而且电子吸收光的跃迁还必须符合量子力学的跃迁规则迁规
6、则k选择定则选择定则，所以就导致半导体光吸收谱曲，所以就导致半导体光吸收谱曲线变得很复杂，可能会出现如图线变得很复杂，可能会出现如图1所示的台阶和多个峰所示的台阶和多个峰值或谷值。值或谷值。因为价电子要能够从价带跃迁到导带，至少应该吸因为价电子要能够从价带跃迁到导带，至少应该吸收禁带宽度收禁带宽度Eg大小的能量，这样才能符合能量守恒规律，大小的能量，这样才能符合能量守恒规律，所以就存在一个最小的光吸收能量所以就存在一个最小的光吸收能量光子能量的下限，光子能量的下限，该能量下限也就对应于光吸收的长波限该能量下限也就对应于光吸收的长波限截止波长截止波长： 一些用于光电探测器的半导体的禁带宽度、截止
7、一些用于光电探测器的半导体的禁带宽度、截止波长和带隙类型，如下表所示。波长和带隙类型，如下表所示。 根据光吸收截止波长的这种关系，即可通过光吸根据光吸收截止波长的这种关系，即可通过光吸收谱曲线的测量来确定出半导体的禁带宽度。收谱曲线的测量来确定出半导体的禁带宽度。 由于半导体禁带宽度会随着温度的升高而减小，由于半导体禁带宽度会随着温度的升高而减小，所以所以 也将随着温度的升高而增长。也将随着温度的升高而增长。GaAs和和Si的光吸收效率比较：的光吸收效率比较：直接跃迁带隙的直接跃迁带隙的GaAs：GaAs的光吸收谱曲线上升得比较陡峭，这是由于的光吸收谱曲线上升得比较陡峭，这是由于GaAs具有直
8、接跃迁能带结构的缘故。在此，当价电子具有直接跃迁能带结构的缘故。在此，当价电子吸收了足够能量的光子、从价带跃迁到导带时，由于它吸收了足够能量的光子、从价带跃迁到导带时，由于它的价带顶与导带底都在布里渊区的同一点上（即的价带顶与导带底都在布里渊区的同一点上（即kvmax=kcmin），则在跃迁时动量几乎不会发生变化：），则在跃迁时动量几乎不会发生变化：同时能量守恒规律为：同时能量守恒规律为：光子能量光子能量hv=Eg 由于这种吸收光的直接跃迁既符合能量守恒、又符由于这种吸收光的直接跃迁既符合能量守恒、又符合动量守恒的规律，则这种光吸收的效率很高，使得光吸合动量守恒的规律，则这种光吸收的效率很高，
9、使得光吸收系数将随着光子能量的增加而快速增大，从而形成陡峭收系数将随着光子能量的增加而快速增大，从而形成陡峭的光吸收谱曲线。的光吸收谱曲线。这时，吸收系数与光子能量这时，吸收系数与光子能量hv和禁带宽度和禁带宽度Eg之间的之间的函数关系可以表示为函数关系可以表示为式中的式中的是常数。当光子能量降低到是常数。当光子能量降低到Eg时，吸收系数时，吸收系数即减小到即减小到0，这就明确地对应于截止波长。，这就明确地对应于截止波长。间接跃迁带隙的间接跃迁带隙的Si：Si的能带结构是间接跃迁型的，的能带结构是间接跃迁型的，kvmaxkcmin，价电子，价电子跃迁时，就需要借助于声子的帮助才能达到动量守恒。
10、于跃迁时，就需要借助于声子的帮助才能达到动量守恒。于是光吸收的动量守恒规律为：是光吸收的动量守恒规律为：则光吸收的能量守恒规律为：则光吸收的能量守恒规律为：这时，吸收系数与光子能量这时，吸收系数与光子能量hv和禁带宽度和禁带宽度Eg之间的函之间的函数关系可以表示为数关系可以表示为:a）间接跃迁的实现需要第三者（声子）参与，因此光吸）间接跃迁的实现需要第三者（声子）参与，因此光吸收效率要低于直接跃迁的光吸收，所以光吸收谱曲线的收效率要低于直接跃迁的光吸收，所以光吸收谱曲线的上升速度较慢；上升速度较慢；b）因为声子的参与，最小的光吸收能量并不完全对应于）因为声子的参与，最小的光吸收能量并不完全对应
11、于禁带宽度（多出了一个声子能量禁带宽度（多出了一个声子能量Ep），因此光吸收的截），因此光吸收的截止波长并不像直接带隙半导体的那么明显。不过，由于止波长并不像直接带隙半导体的那么明显。不过，由于声子能量非常小（声子能量非常小（Ep0.1eV），所以最小的光吸收能量），所以最小的光吸收能量往往比较接近于禁带宽度。往往比较接近于禁带宽度。（4）参考曲线：）参考曲线：常见半导体的带间光吸收谱曲线见图常见半导体的带间光吸收谱曲线见图2。IV族半导体属间接跃迁能带结构，它们的光吸收谱族半导体属间接跃迁能带结构，它们的光吸收谱曲线较缓；而曲线较缓；而III-V族半导体属直接跃迁能带结构，它们族半导体属直接
12、跃迁能带结构，它们的光吸收谱曲线都很陡峭。的光吸收谱曲线都很陡峭。此外，半导体中载流子的光吸收谱曲线一般都位于此外，半导体中载流子的光吸收谱曲线一般都位于带间光吸收谱曲线的截止波长以外。因为载流子光吸收带间光吸收谱曲线的截止波长以外。因为载流子光吸收是在能带内部的各个能级之间跃迁，所以吸收的光子能是在能带内部的各个能级之间跃迁，所以吸收的光子能量更小，吸收的光波长更长。量更小，吸收的光波长更长。2 2 本征吸收本征吸收和其他光吸收和其他光吸收n如果有足够能量的光子作用到半导体如果有足够能量的光子作用到半导体上，价带电子就有可能被激发到导带上，价带电子就有可能被激发到导带而形成电子一空穴对。这样
13、的过程称而形成电子一空穴对。这样的过程称为本征吸收。第一章已经提到，这种为本征吸收。第一章已经提到，这种受激本征吸收使半导体材料具有较高受激本征吸收使半导体材料具有较高的吸收系数，有一连续的吸收谱，并的吸收系数，有一连续的吸收谱，并在光子振荡频率在光子振荡频率 =E=Eg g/h/h处有一陡峭处有一陡峭的吸收边，在的吸收边，在 E 1.24/E1.24/Eg g) )的区域内，材料是相当透的区域内，材料是相当透明的。由于直接带隙与间接带隙跃迁明的。由于直接带隙与间接带隙跃迁相比有更高的跃迁速率，因而有更高相比有更高的跃迁速率，因而有更高的吸收系数或在同样光子能量下在材的吸收系数或在同样光子能量
14、下在材料中的光渗透深度较小。与间接带隙料中的光渗透深度较小。与间接带隙材料相比，直接带隙材料有更陡的吸材料相比，直接带隙材料有更陡的吸收边，收边，n图图7.1-17.1-1比较了几种直接带隙材料比较了几种直接带隙材料(GaAs(GaAs、InIn0.70.7GaGa0.30.3AsAs0.640.64P P0.360.36、In0.53Ga0.47As)In0.53Ga0.47As)和间接带隙材料和间接带隙材料(Ge(Ge、Si)Si)的光吸收系数和渗透深度的光吸收系数和渗透深度与入射光波长的关系。与入射光波长的关系。一、直接带隙跃迁引起的光吸收一、直接带隙跃迁引起的光吸收n1 1允许跃迁允许
15、跃迁n在外光场作用下导带电子向价带跃迁的几率为在外光场作用下导带电子向价带跃迁的几率为n在在1.21.2中已提到在直接带隙跃迁吸收中，可以产生允许的和禁戒的跃迁。中已提到在直接带隙跃迁吸收中，可以产生允许的和禁戒的跃迁。(1.2-25)(1.2-25)n当光辐射场与半导体中电子发生共振相互作用时，即满当光辐射场与半导体中电子发生共振相互作用时，即满 = = 2 2= = 1 1，则上式括号中第一个指数变为则上式括号中第一个指数变为1 1。由式。由式(1.2-25)(1.2-25)还可以看到，当满还可以看到，当满足足(1.2-26)(1.2-26)n时，则括号中第二个指数变为时，则括号中第二个指
16、数变为1 1，这时括号中就有非零值。这说明，这时括号中就有非零值。这说明，只有当半导体中的电子在辐射场作用下满足动量守恒只有当半导体中的电子在辐射场作用下满足动量守恒(k(k选择定则选择定则) )所产生的跃迁才有最大的跃迁几率。所产生的跃迁才有最大的跃迁几率。n由式由式(1.2-25)(1.2-25)和式和式(1.2-(1.2-26)26)可以看出，当满足动可以看出，当满足动量守恒时产生允许的直量守恒时产生允许的直接带隙跃迁，这时价带接带隙跃迁，这时价带能量的最大值所对应的能量的最大值所对应的波矢波矢k=kk=kmaxmax与导带能量最与导带能量最小值的波矢小值的波矢k=k=kminkmin。
17、均在。均在布里渊区的原点，即布里渊区的原点，即 k kmaxmax=k=kminmin=0=0，如图，如图7.1-27.1-2所所示。允许的直接跃迁有示。允许的直接跃迁有最大的跃迁几率，且跃最大的跃迁几率，且跃迁矩阵元与波矢迁矩阵元与波矢k k基本无基本无关。关。(1.2-25)(1.2-25)(1.2-26)(1.2-26)n吸收系数写为吸收系数写为(7.1-7)(7.1-7)n其中其中A A为常数为常数(7.1-8)(7.1-8)nm mr r折合有效质量，表示为折合有效质量，表示为(7.1-6)(7.1-6)nm m0 0为自由电子的质量，其余都是所熟知的符号，只是为自由电子的质量，其余
18、都是所熟知的符号，只是f fifif表表示与偶极矩阵元示与偶极矩阵元|M|M|2 2有有 关的振子强度，关的振子强度，f fifif=2|M|=2|M|2 2/ / m m0 0，它通常是数量级为它通常是数量级为1 1的因子。的因子。(7.1-7)(7.1-7)(7.1-8)(7.1-8)n式式(7.1-8)(7.1-8)所能适用的范围是有限的，当所能适用的范围是有限的，当(h(h -E-Eg g) )的值较大时，吸收系数的值较大时，吸收系数随随h h 变化缓慢，变化缓慢， d d随随h h 上升的曲线斜率与能带的形状有关。而且当上升的曲线斜率与能带的形状有关。而且当(h(h -E-Eg g)
19、 )与激子激活能与激子激活能( (关于激子吸收将在关于激子吸收将在7.27.2中讨论中讨论) )可以相比拟时，可以相比拟时，式式(7.1-7)(7.1-7)还应作适当修改。即使还应作适当修改。即使h h0 0，此时吸收系数并不为零而趋于，此时吸收系数并不为零而趋于一稳定值；当一稳定值；当h h EEg g，也可观察到由激子的高激发态引起的吸收，如图，也可观察到由激子的高激发态引起的吸收，如图7.1-37.1-3中的点线所示。中的点线所示。n上述允许的直接带隙跃迁上述允许的直接带隙跃迁发生在价带和导带分别为发生在价带和导带分别为半导体的半导体的s s带和带和p p带构成的带构成的材料中。作为对材
20、料中。作为对 d d值大小值大小的粗略估计，可的粗略估计，可m me e= m= mh h= m= m0 0，n=4n=4，f fifif 1 1，则则n若进一步设若进一步设(h(h -E-Eg g)=0.01eV)=0.01eV，则则 d d 6.76.7 10103 3cmcm-1-1。n(7.1-(7.1-9)9)2. 2. 禁戒跃迁禁戒跃迁n在某些材料中在某些材料中( (如如Ge)Ge)，价带由单个，价带由单个原子的原子的s s态形成，而导带则由态形成，而导带则由d d电子电子态形成，跃迁选择定则禁止在态形成，跃迁选择定则禁止在k=0k=0处处发生直接带隙跃迁，但却允许在发生直接带隙跃
21、迁，但却允许在k k 0 0处发生这种跃迁。禁戒跃迁亦处发生这种跃迁。禁戒跃迁亦表示于图表示于图7.1-27.1-2中。并且可以证明。中。并且可以证明。当当k=0k=0时，跃迁几率时，跃迁几率B B1212=0=0，而当，而当k k离离开零点时，跃迁几率随开零点时，跃迁几率随k k2 2增加，即增加，即正比于正比于(h(h -E-Eg g) )。因为与直接跃迁相。因为与直接跃迁相联系的态密度正比于联系的态密度正比于(h(h -E-Eg g) )1/21/2，所，所以吸收系数的光谱关系可表示为以吸收系数的光谱关系可表示为(7.1-10)(7.1-10)n式中系数式中系数B B为常数，表示为为常数
22、，表示为(7.1-11)(7.1-11)n式中式中f fifif为在非允许的直接带隙跃迁为在非允许的直接带隙跃迁( (禁戒跃迁禁戒跃迁) )情况下的振子强度。因而情况下的振子强度。因而吸收系数可表示为吸收系数可表示为(7.1-12)(7.1-12)nf fifif是小于是小于1 1的数，为作粗略估计，的数，为作粗略估计， f fifif=1=1，2m2mr r=m=m0 0，h h =1=1eVeV， h h - -E Eg g=0.01eV=0.01eV，可得，可得 d d=45cm=45cm-1-1，这与容许的直接带隙迁跃相比差，这与容许的直接带隙迁跃相比差10103 3倍。倍。(7.1-
23、11)(7.1-11)n由式由式(7.1-9)(7.1-9)和式和式(7.1-(7.1-12)12)所得到的吸收系数所得到的吸收系数的明显差别似乎可以用的明显差别似乎可以用来从实验上来确定上述来从实验上来确定上述这两种跃迁，但实际上这两种跃迁，但实际上由于激子吸收对吸收曲由于激子吸收对吸收曲线的影响，使得这种比线的影响，使得这种比较难以凑效。较难以凑效。n(7.1-(7.1-9)9)二、间接带隙跃迁引起的吸收二、间接带隙跃迁引起的吸收n1 1二阶微扰过程的物理描述二阶微扰过程的物理描述n当导带能量最小值与价带能量最大值不对应同一当导带能量最小值与价带能量最大值不对应同一k k值，即值，即k k
24、maxmax k kminmin时，不时，不满足动量守恒。但实验上却观察到电子在这两个能量极值之间的跃迁所满足动量守恒。但实验上却观察到电子在这两个能量极值之间的跃迁所引起的光吸收，因而可以判断必定有声子参与了跃迁过程，即必须通过引起的光吸收，因而可以判断必定有声子参与了跃迁过程，即必须通过吸收声子或发射声子才能使电子从初态吸收声子或发射声子才能使电子从初态“O O”跃迁至终态跃迁至终态“m m”。这种间。这种间接带隙跃迁可以有两种方式来完成，如图接带隙跃迁可以有两种方式来完成，如图7.1-47.1-4所示，而每种方式又均所示，而每种方式又均可分两步来实现。可分两步来实现。 即即“O O”I
25、I“m m”或或“O O”I I“m m”。( (图画得有些图画得有些倾斜倾斜) )n对于从始态对于从始态“O O”经中间态经中间态(I(I或或I I) )至终态至终态“m m”的跃迁来说，每的跃迁来说，每一步都满足动量守恒但能量不守一步都满足动量守恒但能量不守恒，然而两步合起来能量却是守恒，然而两步合起来能量却是守恒的。由测不准关系恒的。由测不准关系E Et t可可知，只要电子在中间态停留的时知，只要电子在中间态停留的时间足够短，并不要求每一步都满间足够短，并不要求每一步都满足能量守恒，但由于有声子参与足能量守恒，但由于有声子参与这种二级微扰过程，其跃迁几率这种二级微扰过程，其跃迁几率要比一
26、级微扰情况下小得多。要比一级微扰情况下小得多。n在这种能带结构中，也在这种能带结构中，也可以发生从价带顶可以发生从价带顶(k=0)(k=0)至导带次能谷的至导带次能谷的竖直跃迁或直接跃迁，竖直跃迁或直接跃迁，如图如图7.1-57.1-5中的箭头中的箭头A A表表示，只是由于导带底示，只是由于导带底( (对应对应k=kk=kminmin) )的能量比的能量比k=0k=0处的导带能量小很处的导带能量小很多，则跃迁所涉及的能多，则跃迁所涉及的能量比间接跃迁量比间接跃迁( (图图7.1-57.1-5中箭头中箭头B B大这已为很大这已为很薄的纯单晶薄的纯单晶GeGe片、在入片、在入射光子能量射光子能量h
27、 h = =0.8eV0.8eV附附近表现出很陡的吸收峰近表现出很陡的吸收峰所证实，如图所证实，如图7.1-67.1-6所所示。在更长波长处的吸示。在更长波长处的吸收则是由于间接跃迁所收则是由于间接跃迁所引起，而这必须伴随着引起，而这必须伴随着声子的发射和吸收，以声子的发射和吸收，以满足所需的动量守恒。满足所需的动量守恒。2 2间接吸收的吸收系数间接吸收的吸收系数n在图在图7.1-47.1-4所表示的间接带隙跃迁中，两种从初态至终态的跃迁方式所表示的间接带隙跃迁中，两种从初态至终态的跃迁方式都必将伴随有声子的发射和吸收，在不考虑多声子吸收时，则有都必将伴随有声子的发射和吸收，在不考虑多声子吸收
28、时，则有(7.1-13)(7.1-13)n式中式中E Es s为声子能量，尽管为声子能量，尽管E Es s与与E Eg g相相比一般是很小的，但声子的发射与比一般是很小的，但声子的发射与吸收都将影响吸收曲线在吸收边附吸收都将影响吸收曲线在吸收边附近的形状，或使吸收曲线的长波限近的形状，或使吸收曲线的长波限发生漂移。为了区分声子的发射和发生漂移。为了区分声子的发射和吸收对吸收系数的贡献，而把间接吸收对吸收系数的贡献，而把间接跃迁吸收系数跃迁吸收系数 i i表示为表示为(7.1-14)(7.1-14)n式中式中 e e和和 a a分别为发射声子和吸收分别为发射声子和吸收声子时的吸收系数，并且有声子
29、时的吸收系数，并且有(7.1-15)(7.1-15)(7.1-16)(7.1-16)n经推导经推导(p175(p175176)176)n由吸收声子所引起的吸收系数为由吸收声子所引起的吸收系数为n式中式中c c为随为随 缓变的函数。缓变的函数。n声子发射时的吸收系数为声子发射时的吸收系数为(7.1-22)(7.1-22)(7.1-23)(7.1-23)n经推导经推导(p175(p175176)176)n由吸收声子所引起的吸收系数为由吸收声子所引起的吸收系数为n式中式中c c为随为随 缓变的函数。缓变的函数。n声子发射时的吸收系数为声子发射时的吸收系数为(7.1-22)(7.1-22)(7.1-2
30、3)(7.1-23)n间接带隙跃迁的吸收系数为间接带隙跃迁的吸收系数为(7.1-24)(7.1-24)n以上只是考虑了一种类型的声子。深入的分析还应区分纵波声学声子、横以上只是考虑了一种类型的声子。深入的分析还应区分纵波声学声子、横波声学声子、纵波光学声子、横波光学声子各自的贡献，不同类型的声子波声学声子、纵波光学声子、横波光学声子各自的贡献，不同类型的声子能量是不同的，因而能量是不同的，因而 i i应该是各种类型声子所引起的吸收系数之和。应该是各种类型声子所引起的吸收系数之和。n在前面的讨论中，我们只在前面的讨论中，我们只考虑单声子过程，所作的考虑单声子过程，所作的 i i1/21/2hh
31、关系曲线图如图关系曲线图如图7.1-77.1-7所示。对应每一温所示。对应每一温度的吸收曲线在横轴度的吸收曲线在横轴( (h h 轴轴) )上的截距分别为上的截距分别为E Eg g-E-Es s和和E Eg g+E+Es s，即分别对应于吸，即分别对应于吸收声子与发射声子的情况。收声子与发射声子的情况。显然在低温下发射声子是显然在低温下发射声子是主要的。主要的。(7.1-23)(7.1-23)n在价带顶附近的状态与在价带顶附近的状态与导带底附近的状态之间导带底附近的状态之间的跃迁的跃迁( (即图即图7.1-57.1-5中箭中箭头头B)B)是是“禁戒禁戒”跃迁，跃迁，由这种跃迁所引起的吸由这种跃
32、迁所引起的吸收系数是与过剩光子能收系数是与过剩光子能量量(h(h -E-Eg g E Es s) )的三次的三次方成正比的。而如上所方成正比的。而如上所述，在这种能带结构中述，在这种能带结构中的允许跃迁的允许跃迁( (在在k=0k=0处发处发生竖直跃迁生竖直跃迁) )所产生的所产生的吸收系数是比例于吸收系数是比例于(h(h -E-Eg g E Es s) )2 2 的。的。n图图7.1-87.1-8和图和图7.1-97.1-9是间接跃迁半导体是间接跃迁半导体GeGe的基本吸收谱。的基本吸收谱。由图由图7.1-97.1-9看出，在看出，在k k空间空间 点和在高的光子能量作用下，点和在高的光子能
33、量作用下，仍可产生允许的直接跃迁，并得到其值不小的吸收系仍可产生允许的直接跃迁，并得到其值不小的吸收系数。数。【注注】带间光跃迁的量子力学规则：带间光跃迁的量子力学规则：按照量子力学的跃迁理论，电子的跃迁需遵从按照量子力学的跃迁理论，电子的跃迁需遵从选选择定则择定则。满足选择定则的跃迁有两种：允满足选择定则的跃迁有两种：允许跃迁许跃迁和和禁戒跃迁禁戒跃迁。这是由于电子在跃迁时的初态和终态的奇偶性需要符合一这是由于电子在跃迁时的初态和终态的奇偶性需要符合一定的要求，才能吸收光而发生跃迁。定的要求，才能吸收光而发生跃迁。波函数奇偶性不同的状态之间的跃迁是容许跃迁，波波函数奇偶性不同的状态之间的跃迁
34、是容许跃迁，波函数奇偶性相同的状态之间的跃迁是禁戒跃迁。例如电子函数奇偶性相同的状态之间的跃迁是禁戒跃迁。例如电子从从s态跃迁到态跃迁到p态是可以的态是可以的容许跃迁，但是从容许跃迁，但是从s态跃迁到态跃迁到s态却是不可以的态却是不可以的禁戒跃迁。禁戒跃迁。 然而，实际晶体中，禁戒跃迁并不是完全不会发然而，实际晶体中，禁戒跃迁并不是完全不会发生，禁戒跃迁也是一种吸收光的跃迁形式，只是跃迁生，禁戒跃迁也是一种吸收光的跃迁形式，只是跃迁几率非常小几率非常小远小于容许跃迁。远小于容许跃迁。 这是由于能带之间的相互作用会使得电子状态的这是由于能带之间的相互作用会使得电子状态的奇偶性发生一点改变，禁戒被
35、松动，所以奇偶性相同奇偶性发生一点改变，禁戒被松动，所以奇偶性相同的电子状态之间，也有可能发生一定几率的光吸收跃的电子状态之间，也有可能发生一定几率的光吸收跃迁迁禁戒跃迁。禁戒跃迁。一、常用的半导体光电探测器材料一、常用的半导体光电探测器材料 半导体光电探测器材料的基本要求是希望对所半导体光电探测器材料的基本要求是希望对所探测的入射光在半导体材料内部能引起大的受激吸探测的入射光在半导体材料内部能引起大的受激吸收速率，因此直接带隙材料是最理想的。但有些间收速率，因此直接带隙材料是最理想的。但有些间接带隙跃迁材料对一定波长范围的入射光也能产生接带隙跃迁材料对一定波长范围的入射光也能产生明显的吸收。
36、明显的吸收。含有异质结的光电探测器，要考虑异质结材料含有异质结的光电探测器，要考虑异质结材料的晶格常数匹配。的晶格常数匹配。 3半导体光电探测器的材料和性能参数半导体光电探测器的材料和性能参数Si、Ge、GaAs、InGaAsP是几种光纤通信中是几种光纤通信中常用的探测器材料。常用的探测器材料。在波长在波长1.0um时，时，Ge是可供选择的材料。是可供选择的材料。-族化合物半导体光探测器适合在族化合物半导体光探测器适合在1.3um和和1.55um波段的光纤通信系统中使用的，同时还可以波段的光纤通信系统中使用的，同时还可以调整组分，使吸收边正好处在工作波段之外。调整组分，使吸收边正好处在工作波段
37、之外。二、半导体光电探测器的性能参数二、半导体光电探测器的性能参数 1.量子效率和响应度量子效率和响应度 Si探测器量子效率与波长、吸收层厚度的关系图探测器量子效率与波长、吸收层厚度的关系图图图PIN光电二极管响应度、量子效应率与波长的关系光电二极管响应度、量子效应率与波长的关系响响应应度度R：定定义义为为单单位位入入射射光光功功率率作作用用到到探探测测器器上后在外电路中产生的光电流的大小。上后在外电路中产生的光电流的大小。2.暗电流和噪声暗电流和噪声 理想的光电探测器，在无光照时应该没有光电流，理想的光电探测器，在无光照时应该没有光电流，然而实际中由于：然而实际中由于：在耗尽层中存在有载流子
38、产生复在耗尽层中存在有载流子产生复合电流，合电流，耗尽层边界上少数载流子的扩散流，耗尽层边界上少数载流子的扩散流，表表面漏电流，使得无光时存在一个小电流，无光时的电面漏电流，使得无光时存在一个小电流，无光时的电流称为暗电流。流称为暗电流。 温度越高，受温度激发的电子数量越多，暗电温度越高，受温度激发的电子数量越多，暗电流越大。流越大。 噪噪声声是是反反映映光光电电二二极极管管特特性性的的一一个个重重要要参参数数，它它直直接接影影响响光光接接收收机机的的灵灵敏敏度度。光光电电二二极极管管的的噪噪声声包包括括由由信信号号电电流流和和暗暗电电流流产产生生的的散散粒粒噪噪声声和和由由负负载载电电阻阻和
39、和后后继继放放大大器器输输入入电电阻阻产产生生的的热热噪噪声声。噪噪声声通通常常用用均均方方噪噪声声电电流流(在在1负载上消耗的噪声功率负载上消耗的噪声功率)来描述。来描述。均方散粒噪声电流均方散粒噪声电流i2sh=2e(IP+Id)B式中，式中，B为放大器带宽，为放大器带宽，IP和和Id分别为信号电流和暗电流。分别为信号电流和暗电流。第第一一项项2eIPB称称为为量量子子噪噪声声，是是由由于于入入射射光光子子和和所所形形成成的的电电子子空空穴穴对对都都具具有有离离散散性性和和随随机机性性而而产产生生的的。只只要要有有光光信信号号输输入入就就有有量量子子噪噪声声。这这是是一一种种不不可可克克服
40、服的的本本征征噪噪声声，它决定光接收机灵敏度的极限它决定光接收机灵敏度的极限。第二项第二项2eIdB是暗电流产生的噪声。是暗电流产生的噪声。均方热噪声电流均方热噪声电流式中，式中，T为等效噪声温度，为等效噪声温度，R为等效电阻。为等效电阻。 因此，因此， 光电二极管的总均方噪声电流为：光电二极管的总均方噪声电流为：光光电电二二极极管管对对高高速速调调制制光光信信号号的的响响应应能能力力用用响响应应时时间间或截止频率或截止频率fc(带宽带宽B)表示。表示。响响应应时时间间通通常常用用光光生生电电流流脉脉冲冲前前沿沿由由最最大大幅幅度度的的10%上上升升到到90%，或或后后沿沿由由90%下下降降到
41、到10%的的时时间间来来衡衡量，有时这两者可能不同。量，有时这两者可能不同。对对于于幅幅度度一一定定，频频率率为为=2f的的正正弦弦调调制制信信号号，用用光生电流光生电流I()下降下降3dB的频率定义为截止频率的频率定义为截止频率fc。3.响应时间或频率带宽响应时间或频率带宽 图图响应时间响应时间响应时间主要取决于三个因素：响应时间主要取决于三个因素：耗尽区外产生的载流子扩散时间耗尽区外产生的载流子扩散时间di载流子漂移通流子漂移通过耗尽区的渡越耗尽区的渡越时间dr光光检测器器和和它它有有关关电路路的的时间常常数数RC，主主要要随随电阻和阻和电容的增大而增大。容的增大而增大。总的的时间常数：常
42、数：减减小小耗耗尽尽层层宽宽度度W，可可以以减减小小渡渡越越时时间间dr，从从而而提提高高截截止止频率频率fc，但是同时要降低量子效率，但是同时要降低量子效率。在在光光纤纤通通信信中中要要求求半半导导体体光光探探测测器器对对入入射射的的高高速速调调制制光光信信号号能能产产生生快快速速响响应应，以以利利于于提提高高通通信信速速度度，降低误码率。降低误码率。要要提提高高响响应应速速度度需需减减少少耗耗尽尽层层电电容容，这这意意味味着着大大面面积积的的探探测测器器不不适适合合探探测测高高频频调调制制信信号号。加加大大耗耗尽尽层层宽宽度度可可减减少少结结电电容容，同同时时可可提提高高量量子子效效率率，
43、但但却却增增加加了载流子的渡越时间。了载流子的渡越时间。所所以以吸吸收收区区的的厚厚度度要要兼兼顾顾量量子子效效率率和和响响应应速速度度，减减小小面面积积来来减减少少结结电电容容的的同同时时还还要要考考虑虑小小面面积积与与光光纤纤耦合的问题。耦合的问题。半半导导体体光光探探测测器器的的灵灵敏敏度度是是指指，在在保保证证所所要要求求的的误误码率前提下，所能探测到的最小光功率，用码率前提下，所能探测到的最小光功率，用dBm表示。表示。4.灵敏度灵敏度 一、光电二极管一、光电二极管 光电二极管光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能，把光信号转换为电信号的功能，是由半导体是由半导体PN结的结的光
44、电效应光电效应实现的。实现的。在在PN结界面上，由于电子和空穴的扩散运动，形结界面上，由于电子和空穴的扩散运动，形成内建电场。内建电场使电子和空穴产生与扩散运动成内建电场。内建电场使电子和空穴产生与扩散运动方向相反的漂移运动，使能带发生倾斜，方向相反的漂移运动，使能带发生倾斜，形成耗尽层。形成耗尽层。当入射光作用在当入射光作用在PN结时，如果光子的能量大于或等于结时，如果光子的能量大于或等于带隙带隙(hvEg)，便发生受激吸收，即价带的电子吸收光便发生受激吸收，即价带的电子吸收光子的能量跃迁到导带形成光生电子子的能量跃迁到导带形成光生电子-空穴对。空穴对。在耗尽在耗尽层，由于内建电场的作用，电
45、子向层，由于内建电场的作用，电子向N区运动，空穴向区运动，空穴向P区运动，区运动，形成漂移电流。形成漂移电流。4半导体光电探测器半导体光电探测器光电效应示意图光电效应示意图在在耗耗尽尽层层两两侧侧是是中中性性区区，由由于于热热运运动动，部部分分光光生生电电子子和和空空穴穴通通过过扩扩散散运运动动可可能能进进入入耗耗尽尽层层，然然后后在在内内建建电电场场作作用用下下，形形成成和和漂漂移移电电流流相相同同方方向向的的电电流流。光光生生漂漂移移电流分量和光生扩散电流分量的总和即为光生电流。电流分量和光生扩散电流分量的总和即为光生电流。当当与与P区区和和N区区连连接接的的电电路路开开路路时时，便便在在
46、两两端端产产生生电电动动势势。当当连连接接的的电电路路闭闭合合时时，N区区电电子子通通过过外外部部电电路路流流向向P区区。同同样样，P区区的的空空穴穴流流向向N区区，便便形形成成了了光光生生电电流流。当当入入射射光光变变化化时时，光光生生电电流流随随之之作作线线性性变变化化，从从而而把把光光信信号号转转换换成成电电信信号号。这这种种由由PN结结构构成成，在在入入射射光光作作用用下下，由由于于受受激激吸吸收收产产生生电电子子-空空穴穴对对的的运运动动，在在闭闭合合电电路路中中形形成光生电流的器件，就是简单的成光生电流的器件，就是简单的光电二极管光电二极管(PD)。由由于于载载流流子子扩扩散散运运
47、动动比比漂漂移移运运动动慢慢得得多多，所所以以减减小小扩扩散散分分量量的的比比例例便便可可显显著著提提高高响响应应速速度度。但但是是提提高高反反向向偏偏压压，加加宽宽耗耗尽尽层层，又又会会增增加加载载流流子子漂漂移移的的渡渡越越时时间间，使使响响应应速速度度减减慢慢。为为了了解解决决这这一一矛矛盾盾，就就需需要要改改进进PN结光电二极管的结构。结光电二极管的结构。光电二极管通常要施加光电二极管通常要施加适当的适当的反向偏压，目的是反向偏压，目的是增加耗尽层的宽度增加耗尽层的宽度，缩小，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生电流中的扩从而减小光生电流中的扩散分量。散分量
48、。由由于于PN结结耗耗尽尽层层只只有有几几微微米米，大大部部分分入入射射光光被被中中性性区区吸吸收收，因因而而光光电电转转换换效效率率低低，响响应应速速度度慢慢。为为改改善善器器件件的的特特性性，在在PN结结中中间间设设置置一一层层掺掺杂杂浓浓度度很很低低的的本本征征半半导体导体(称为称为I)，这种结构便是常用的，这种结构便是常用的PIN光电二极管。光电二极管。PIN光光电电二二极极管管的的工工作作原原理理和和结结构构见见下下页页图图。中中间间的的I层层是是N型型掺掺杂杂浓浓度度很很低低的的本本征征半半导导体体，两两侧侧是是掺掺杂杂浓浓度度很高的很高的P型和型和N型半导体。型半导体。二、二、P
49、IN光电二极管光电二极管 PIN光探测器的结构和原理图光探测器的结构和原理图I层层很很厚厚，吸吸收收系系数数很很小小，入入射射光光很很容容易易进进入入材材料料内内部部被被充充分分吸吸收收而而产产生生大大量量电电子子空空穴穴对对，因因而而大大幅幅度度提提高高了了光光电电转转换换效效率率。两两侧侧P+层层和和N+层层很很薄薄，吸吸收收入入射射光光的的比比例例很很小小，I层层几几乎乎占占据据整整个个耗耗尽尽层层，因因而而光光生生电电流流中中漂漂移移分分量量占占支支配配地地位位，从从而而大大大大提提高高了了响响应应速速度度。另另外外，可可通通过过控控制制耗耗尽尽层层的的宽宽度度W，来来改改变变器器件件
50、的响应速度。的响应速度。光光电电二二极极管管输输出出电电流流I和和反反偏偏压压U的的关关系系示示于于下下图图。随随着着反反向向偏偏压压的的增增加加，开开始始光光电电流流基基本本保保持持不不变变。当当反反向向偏偏压压增增加加到到一一定定数数值值时时，光光电电流流急急剧剧增增加加，最最后后器器件件被被击击穿穿，这这个个电电压压称称为为击击穿穿电电压压UB。APD就就是是根根据这种特性设计的器件。据这种特性设计的器件。三、雪崩光电二极管三、雪崩光电二极管(APD)根根据据光光电电效效应应，当当光光入入射射到到PN结结时时，光光子子被被吸吸收收而而产产生生电电子子空空穴穴对对。如如果果电电压压增增加加
51、到到使使电电场场达达到到200kV/cm以以上上，初初始始电电子子(一一次次电电子子)在在高高电电场场区区获获得得足足够够能能量量而而加加速速运运动动。高高速速运运动动的的电电子子和和晶晶格格原原子子相相碰碰撞撞，使使晶晶格格原原子子电电离离，产产生生新新的的电电子子空空穴穴对对。新新产产生生的的二二次次电电子子再再次次和和原原子子碰碰撞撞。如如此此多多次次碰碰撞撞，产产生生连连锁锁反反应应，致致使使载载流流子子雪雪崩崩式式倍倍增增，所所以以这这种种器器件件就就称为称为雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)。APD载流子雪崩式倍增示意图载流子雪崩式倍增示意图APD的的结结构构有有多多种种类类型
52、型，如如下下图图示示出出的的N+PP+结结构构被被称称为为拉拉通通型型APD。在在这这种种类类型型的的结结构构中中，当当偏偏压压加加大大到到一一定定值值后后，耗耗尽尽层层拉拉通通到到(P)层层，一一直直抵抵达达P+接接触触层层，是是一一种种全全耗耗尽尽型型结结构构。拉拉通通型型雪雪崩崩光光电电二二极极管管(RAPD)具具有有光电转换效率高、响应速度快和附加噪声低等优点。光电转换效率高、响应速度快和附加噪声低等优点。由由于于雪雪崩崩倍倍增增效效应应是是一一个个复复杂杂的的随随机机过过程程，所所以以用用这这种种效效应应对对一一次次光光生生电电流流产产生生的的平平均均增增益益的的倍倍数数来来描描述述
53、它它的的放放大大作作用用，并并把把倍倍增增因因子子g定定义义为为APD输输出出光电流光电流I0和一次光生电流和一次光生电流IP的比值。的比值。倍增因子倍增因子显显然然，APD的的响响应应度度比比PIN增增加加了了g倍倍。根根据据经经验验，并考虑到器件体电阻的影响，并考虑到器件体电阻的影响，g可以表示为可以表示为式式中中，U为为反反向向偏偏压压，UB为为击击穿穿电电压压，n为为与与材材料料特特性性和和入入射射光光波波长长有有关关的的常常数数，R为为体体电电阻阻。当当UUB时，时，RI0/UB1)是是雪雪崩崩效效应应的的随随机机性性引引起起噪噪声声增增加加的的倍倍数数，设设F=gx，APD的的均均
54、方方量量子子噪噪声声电电流流应为应为i2q=2eIPBg2+x式中，式中，x为附加噪声指数。为附加噪声指数。过剩噪声因子过剩噪声因子附加噪声指数附加噪声指数x与器件所用材料和制造工艺有关，与器件所用材料和制造工艺有关，Si-APD的的x=0.30.5，Ge-APD的的x=0.81.0，InGaAs-APD的的x=0.50.7。下页表列出半导体光电二极管下页表列出半导体光电二极管(PIN和和APD)的一般性能。的一般性能。APD是是有有增增益益的的光光电电二二极极管管，在在光光接接收收机机灵灵敏敏度度要要求求较较高高的的场场合合，采采用用APD有有利利于于延延长长系系统统的的传传输输距距离离。但
55、但是是采采用用APD要要求求有有较较高高的的偏偏置置电电压压和和复复杂杂的的温温度度补补偿偿电电路路，结结果果增增加加了了成成本本。因因此此在在灵灵敏敏度度要要求求不不高高的的场场合合，一一般般采采用用PIN-PD。Si-PIN和和APD用用于于短短波波长长(0.85m)光光纤纤通通信信系系统统。InGaAs-PIN用用于于长长波波长长(1.31m和和1.55m)系系统统，性性能能非非常常稳稳定定，通通常常把把它它和和使使用用场场效效应应管管(FET)的的前前置置放放大大器器集集成成在在同同一一基基片片上上，构构成成FET-PIN接接收收组组件件，以以进进一一步步提提高高灵敏度，改善器件的性能。灵敏度，改善器件的性能。四、四、光电二极管一般性能和应用光电二极管一般性能和应用结束结束
