光电探测器原理.doc

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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

2、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λ或频率ν，这是因为光子能量E只和ν有关：E=hν（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hν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

3、元件，主要有光导型，热电型和P—N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。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

4、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hν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，

5、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：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

6、。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

7、当强的电场。反向偏置电压越高，耗尽层中电场强度越大。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

8、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，称为载流子的