光電子學p-n型光電二極管

1、,7.3 P-N 型光電二極管,理學院,,,1. P-N型光電二極管,半導體光電探測器和半導體光源是功能相反的器件，探測器將輸入光子通量轉換成電流，半導體光源則相反。但是，制作這兩種器件經(jīng)常用到相同的材料。探測器的工作指標與光源也有相對應的部分。,光電二極管探測器的工作依賴于光生電荷載流子。光電二極管是當吸收光子時反向電流會增加的P-N結。,,假設光子在每處都以吸收系數(shù)α得到吸收，每當一個光子被吸收，一個電子-空穴對就會產(chǎn)生。

2、但是只有當電場存在時，載流子才會定向輸運。由于p-n結只有在耗散層建立電場，所以這是產(chǎn)生光生載流子的理想?yún)^(qū)域。,圖7-3- 1 光子照射到理想的反向偏置p-n結光電二極管探測器,,然而，電子-空穴對的產(chǎn)生有三個可能區(qū)域。,圖 7-3-1 光子照射到理想的反向偏置p-n結光電二極管探測器,在耗盡層（區(qū)域1）產(chǎn)生的電子和空穴在強電場影響下向相反的方向漂移。結果是，外電路中的光生電流通常是相反方向（從n到p）因為在耗盡層不發(fā)生復合，每

3、對載流子在外電路產(chǎn)生一個面積為e的電流脈沖。,,,,遠離耗盡層（區(qū)域3）產(chǎn)生的電子和空穴由于缺少電場而不能被運輸，它們隨機運動直到復合湮滅，對外層電路電流沒有貢獻。,在耗盡層外但是在它附近（區(qū)域2）產(chǎn)生的電子-空穴對，因為有隨機擴散而進入耗盡層的可能性，從p側擴散來的電子被快速運輸并穿過結區(qū)，因此對外電路貢獻了一個電荷e。從n側擴散來的空穴有相同的作用。,,,那么，什么樣的材料可以用來制作光電二極管？,光電二極管的主要性質(zhì),注意：這些性

4、能參數(shù)適用于所有半導體電光探測器。,,量子效應,響應度,響應時間,目前制作光電二極管的材料主要有元素半導體Si、Ge及化合物半導體GaAs、InAs、InSb、InS、InGaAs、InGaAsP、PbSnTe、PbSnSe、HgCdTe等。,,,1. 1 量子效率,量子效率：光電探測器的量子效率η （0< η <1)定義為入射到器件的單個光子產(chǎn)生對探測器電流有貢獻的光生載流子對的概率。,圖7-3-2 量子效率n的吸

5、收效果,,首先，吸收過程本身具有一定的概率性。,其次，一些光子可能會在探測器的表面被反射，從而降低了量子效率。,再次，一些探測器表面產(chǎn)生的電子-空穴對很快又復合了，它們不能對探測器電流有所貢獻。,最后，如果光不是正確地聚焦在探測器的有效部分，一些光子會丟失。但是，這個作用沒有包含在量子效率的定義中，這是因為它與器件的使用有關而與器件的固有性質(zhì)無關。,,,,,,因此量子效率可以寫成：,這里 是表面的光能量反射系數(shù)， 是電子-空

6、穴對成功的產(chǎn)生探測器電流的部分， α是材料吸收系數(shù)（cm-1 ),d是光電探測器有效吸收區(qū)的深度。,應當說明的是一些量子效率的定義沒有包括表面反射的因子，那么這就需要另外單獨考慮 η 與波長的關系。,第一個因子1- 代表器件表面的反射效應。用增透膜可以降低反射作用。,第二個因子 是材料表面成功避免復合的電子-空穴對部分，它們對產(chǎn)生有效電流有貢獻。表面復合可以通過優(yōu)化的材料生長來降低。,第三個因子1-exp（- αd）

7、，代表材料中吸收的光子通量，器件需要一個足夠到的d值使得這個因子最大化。,,,,,量子效率是波長的函數(shù)，主要是因為系數(shù)α與波長有關。,對于一些光電探測器材料， η在由材料特性決定的光譜窗內(nèi)是很大的。對于足夠大的λo, η卻會變小。這是因為當：,時吸收不會發(fā)生（因為此時光子能量不足以克服帶隙能量）。其中λg為半導體材料的長波長極限。,,,1.2 響應度,響應度將器件內(nèi)的電流和入射光能量聯(lián)系起來。如果每個光子能產(chǎn)生一個光電子，光子通量

8、（每秒的光子數(shù))會產(chǎn)生電子通量，對應短路電流ip=e。頻率為ν的光功率P=hv將會產(chǎn)生電流ip=eP/(hv).因為產(chǎn)生被探測的光電子的光子比例為η而不是1，因此電流是,（7.3.2）,,電流和光能量之間的比例因子R，被定義為器件的響應度R。R=ip/P的單位為A/W,其表達式為,(7.3.3）,如果對探測器施加一個過大的光能量，響應度會下降。這種情況稱為探測器飽和，限制了探測器的線性工作區(qū)。,,為了獲得響應度數(shù)量級的概念，可以將式（7

9、.3.3）中的η設為1，于是當λ0為1.24 μm時R=1A/W,也就是1nW對應1nA.對于給定的值響應度隨波長的線性增加如圖7-3-3所示,圖7-3-3 量子效率n為參數(shù)的響應度R（A/W）與波長λ o的關系,,,1.3 響應時間,有人可能會傾向于認為光子激發(fā)光電探測器材料的一個電子-空穴對時，外電路中產(chǎn)生電荷應該為2e，因為有兩個電荷載流子。事實上，激發(fā)的電荷是e。此外，光電探測器材料中通過載流子運動輸運到外電路的電荷不是立

10、即產(chǎn)生的而是有一個延遲。 材料中載流子的運動，使得電荷從器件一端的導線中被一個一個地拉出來，并把它們一個一個地推進另一端導線，因此通過外電路的電荷會分布在一段時間內(nèi)。這種現(xiàn)象稱為渡越時間分布，它是限制半導體光電探測器工作速度很重要的因素。,外加電壓為v時寬度為ω的半導體材料中任意位置x通過光子吸收產(chǎn)生的電子-空穴對如圖7-3-4（a）。,,在x方向以速度v（t）運動的電荷量為q（對于空穴電荷q=e或者對于電子電荷q=-e

11、）的載流子在外電路中產(chǎn)生的電流為：,（拉莫定理）,圖7-3-4電子-空穴對的產(chǎn)生、運動及電流的貢獻,這個重要公式叫作拉莫定理，可以從能量觀點得以證明。,,當用平均電荷密度ρ而不是單獨的點電荷Q來表示時，總的電荷量為ρ Aw. 這里A是橫截面積，所以由式(7.3.4)得出,從而得到x方向的電流強度為,當存在電場E時，半導體中的載流子將會以平均速率,漂移，這里μ是載流子的遷移率。因此，J= σ E,其中σ = μρ 是電導率。,（7.3.

12、6）,,假設空穴以恒定速度Vh向左移動，電子以Ve向右移動，從式（7.3.4)得到空穴電流ih=-e（-vh）/ ω ，電子電流ie=-e（-ve）/w,正如圖7-3-4（b）所示。只要有移動，每種載流子對電流都會有貢獻。,圖7-3-4（b） 空穴電流ib（t），電子電流ic（t），電路中產(chǎn)生的全電流i（t）,,如果電子-空穴對在材料內(nèi)均勻地產(chǎn)生，渡越時間分布現(xiàn)象會更嚴重，如圖7-3-5所示。當vh<ve時，渡越時間分布的

13、總寬度就是ω /vh而不是x/vh。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是因為均勻照明在各處都產(chǎn)生載流子對，包括在x=W?？昭◤倪@個點運動到x=0然后復合，需要走過的距離最遠,圖7-3-5 均勻分布在0到w間的N個光子激發(fā)的電子-空穴對在電路中產(chǎn)生空穴電流ih（t）、電子電流ie（t）和總電流i（t）,,半導體探測器的另一個響應時間限制是光電探測器及電路的電阻R和電容C形成的RC時間常數(shù)。,在光電二極管中擴散對響應時間也是有影響的，在耗盡層外但是離它非

14、常近的區(qū)域產(chǎn)生的載流子需要一定時間擴散到耗盡層。這和漂移相比是一個相對慢的過程。這個過程允許的最大時間就是載流子的壽命（p區(qū)電子tp，N區(qū)空穴tn）。用P-I-N型二極管可以降低擴散的影響。,,,2. 偏置電壓,作為一種電子器件，光電二極管的i-v關系為i=is[exp(ev/kBT)-1]-ip,如圖7-3-6所示，這是P-N結通用的i-V關系，只是增高了與光子通量成正比的光電流-ip。,圖7-3-6 普通光電二極管和i-V關系