光电转换器件.ppt

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1、第八章　光电转换器件第一节光电转换基本原理光电二极管的物理工作原理IIpRL输出负载电阻偏置电压光电二极管图2.1外加反向偏置电压的pin光电二极管的电路示意图pniwn导带价带扩散扩散p带隙Eg光子h>Eg扩散扩散i光生电子光生空穴耗尽区w漂移漂移光功率检测电流光脉冲电脉冲漂移扩散由光功率输出转换为电流输出,有一时间延迟,其值主要决定了载流子通过耗尽区的渡越时间τtr=w/vs(漂移运动)光电流存在扩散分量,它与耗尽区外的吸收有关,扩散运动比漂移运动慢得多,载流子作扩散运动的时延检测器后沿脉冲加长,影响光电二极管的响应速度。增加w，减小扩散分量。（1）最普通的光电二极管是pin光电二极管

2、，如图2.1示，它的p型材料区和n型材料区由轻微掺杂n型材料的本征（i）区隔开。正常工作时，器件上加上足够大的反向偏置电压，本征区的载流子不会完全耗尽，即本征区固有的n和p载流子的浓度非常小和掺杂载流子相比可忽略。当一个入射光子能量大于或等于半导体的带隙能量时，将激励价带上的一个电子吸收光子的能量而跃迁到导带上，此过程产生自由的电子一空穴对，由于它们是因光而产生的电载流子，故称为光生载流子，如图2.2所示。通常光电二极管的设计使得大部分的入射光在耗尽区吸收，故大部分载流子也在此区域产生。耗尽区的高电场使电子一空穴对立即分开并在反向偏置的结区中向两端流动，然后在边界处被收集，从而在外电路中形成

3、电流。每个载流子对分别对应一个流动的电子，这种电流称为光电流。当电载流子在材料中流动时，一些电子一空穴对会重新复合而消失，此时电子和空穴的平均移动的距离分别为Ln和Lp，此距离称为扩散长度。电子和空穴重新复合的时间称为载流子寿命，分别记为τn和τP。载流子寿命和扩散长度的关系可表示为：Ln=（Dnτn）1/2和Lp=（Dpτp）1/2（1）其中Dn和Dp分别是电子和空穴的扩散系数，其单位是cm2/s。但在半导体材料中，光功率的吸收呈指数规律，即：P（x）=P0（1-e-αs(λ)x）（2）其中αs(λ)是波长处的吸收系数，αs一般随λ增加而减小；特定的半导体材料只能应用在有限的波长范围内。上

4、限截止波长取决于所用材料的带隙Eg：（3）对si，λc=1.06μm；对Ge,λc=1.06μm。如果波长更长，光子的能量就不足以激励一个价带的电子跃迁到导带中。请同学思考:有一个光电二极管是由GaAs材料构成的，在300k时其带隙能量为1.43ev，问它是否能用于1310nm的系统中？问题:是否波长越短越好呢?在短波长段，材料的吸收系数变得很大，因此光子在接近光检测器的表面就被吸收，电子一空穴对的寿命极短，结果载流子被光电检测器电路收集以前就已经复合了。如果耗尽区宽度为w，据（2）式，在距离w内吸收功率为：P（w）=P0（1-e-αs(λ)x)（4）设光电二极管入射表面的反射系数为Rf，则

5、从（4）式得到初级光电流IP：（5）P0是入射光功率，q是电子电荷，hv是光子能量。（I）量子效率和响应度光电二极管的两个重要性参数是量子效率和响应速度，这些参数主要由器件材料的带隙能量Eg,工作波长，p区，i区，n区的掺杂浓度和宽度所决定。量子效率表示每个能量为hv的入射光子所产生的电子一空穴对数，由下式给出：(6)在光电二极管的实际应中，100个光子会产生35～95个电子一空穴对，为30%～95%。为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，使其可以吸收大部分的光子，但耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越（across）反向偏置结的时间就越长。由于载流子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度

6、，所以必须在响应速度和量子效率之间取一折衷。●wvtηη●对Si和Ge等间接带隙半导体材料，为确保值，w的典型值在20~50μm范围，τtr>200ps,响应速度较慢。对InGaAs等接带隙半导体材料，w可减小至3~5μm，若取漂移速度vs=107cm/s,τtr=30~50ps。若定义带宽为Δf=(2πτtr)-1,Δf=3~5GHz。最佳设计的PIN光电二极管，其Δf=20GHz。w<1μm，其Δf=70GHz,η和值均较低。InP衬底InGaAs(i)N型InPN+-InP衬底光输入金属电极金属电极4μmInGaAsPIN光电二极管由于InP带隙为1.35eV，λ>0.9μm的光，In

7、P是透明的，而晶格匹配的InGaAs的带隙约为0.75eV其相应的截止波长λc=1.65μm，因而在中间InGaAs层，在1.3~1.6μm内有很强的吸收。由于光子仅在耗尽区内吸收，完全消除了扩散分量，采用几微米厚的InGaAs，量子效率可接近100%，这种InGaAs光电二极管广泛用于1.3和1.5μm的光接收机中。●光电二极管的性能经常使用响应度来表征。它和量子效率的关系为：（7）它描述了单位光功率产生的