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生一個面積為e的電流脈沖。,,,,遠離耗盡層（區(qū)域3）產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,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,響應度將器件內的電流和入射光能量聯(lián)系起來。如果每個光子能產生一個光電子，光子通量

8、（每秒的光子數(shù))會產生電子通量，對應短路電流ip=e。頻率為ν的光功率P=hv將會產生電流ip=eP/(hv).因為產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。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生的電流為：,（拉莫定理）,圖7-3-4電子-空穴對的產生、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），電路中產生的全電流i（t）,,如果電子-空穴對在材料內均勻地產生，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