俄罗斯转盘英文 (www.ad6868.vip):光电探测器原理，半导体光电探测器的工作原理

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光电探测器在光通信系统中实现将光转变成电的作用，这主要是基于半导体材料的光生伏特效应，所谓的光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。

光电探测器原理

光电探测器的基本工作机理包括三个过程：(1)光生载流子在光照下产生;(2)载流子扩散或漂移形成电流;(3)光电流在放大电路中放大并转换为电压信号。当探测器表面有光照射时，如果材料禁带宽度小于入射光光子的能量即Eg<hv，则价带电子可以跃迁到导带形成光电流。

当光在半导体中传输时，光波的能量随着传播会逐渐衰减，其原因是光子在半导体中产生了吸收。半导体对光子的吸收最主要的吸收为本征吸收，本征吸收分为直接跃迁和间接跃迁。通过测试半导体的本征吸收光谱除了可以得到半导体的禁带宽度等信息外，还可以用来分辨直接带隙半导体和间接带隙半导体。本征吸收导致材料的吸收系数通常比较高，由于半导体的能带结构所以半导体具有连续的吸收谱。从吸收谱可以看出，当本征吸收开始时，半导体的吸收谱有一明显的吸收边。但是对于硅材料，由于其是间接带隙材料，与三五族材料相比跃迁几率较低，因而只有非常小的吸收系数，同时导致在相同能量的光子照射下在硅材料中的光的吸收深度更大。直接带隙材料的吸收边比间接带隙材料陡峭很多，如图 画出了几种常用半导体材料(如 GaAs、InP、InAs、Si、Ge、GaP 等材料)的入射光波长和光吸收系数、渗透深度的关系。

光电探测器类型

1、光电导型光电探测器

某些半导体在光照条件发生本征吸收或杂质吸收，吸收光子能量后电导率发生改变，这种物理现象叫做光电导效应。

光电导器件在光照条件下，产生的光生载流子使得器件的电导率升高，电阻变小。室温激发的载流子在电场的作用下发生定向移动，从而产生电流，在光照条件下电子受到激发，发生跃迁，同时也会在电场的作用下漂移形成了光电流。产生的光生载流子使得器件的电导率升高，从而电阻变小。光电导型的光电探测器在性能上通常会表现出高增益，响应度很大，但无法响应高频的光信号，因而响应速度较慢，在某些方面限制了光电导型器件的应用。

2、PN结型光电探测器

PN结是P型半导体材料与N型半导体材料接触形成的，形成接触之前两种材料是处于分离状态，P型半导体中的费米能级的位置靠近价带边缘，N型半导体中费米能级靠近导带边缘，当两种类型的材料接触形成PN结时，位于价带边缘P型材料的费米能级将会不断上移，与此同时，位于导带边缘 N 型材料的费米能级不断下移，直到两种材料的费米能级在同一位置为止。导带和价带位置的变化，也同时伴随着能带的弯曲。此时PN结处于平衡状态，且有统一的费米能级。从载流子的方面分析，P型材料中多数载流子为空穴，N 型材料中多数载流子是电子，当两种材料接触时，由于载流子浓度差，N型材料中的电子会向P型中扩散，而N型材料的电子向着与空穴相反的方向扩散，电子和空穴扩散之后留下未被补偿的区域则形成一个内建电场，而内建电场又会趋势载流子漂移，漂移的方向与扩散的方向刚好相反，意味着内建电场的形成阻止了载流子的扩散，PN结内部同时存在着扩散和漂移，直至两种运动平衡为止，使静载流子流为零，内部达到动态平衡。

当PN结受到光辐射之后，光子的能量传递给载流子，产生光生载流子即光生电子-空穴对，在电场的作用下，电子和空穴分别向N区和 P区漂移，光生载流子的定向漂移现象产生光电流。这也就是PN结光电探测器的基本原理。

3、PIN结型光电探测器

PIN 结光电二极管是在P型材料和N型材料之间加入I层，I层的材料一般是本征或低掺杂的材料。其工作机理与PN结类似，当PIN结受到光辐射后，光子将能量传递给电子，产生光生载流子，而内建电场或外部的电场会将耗尽层的光生电子-空穴对分开，发生漂移的载流子在外部电路形成电流。

I层在其中起到的作用就是扩大了耗尽层的宽度，在很大的偏压下I 层会完全变为耗尽层，所产生的电子-空穴对会被迅速分离，因此 PIN结型光电探测器的响应速度一般要快于 PN 结型探测器。I层之外的载流子也会通过扩散运动的方式被耗尽层收集，形成扩散电流。I层的厚度一般很薄，其目也是为了提高探测器的响应速度。

4、APD雪崩光电二极管

雪崩光电二极管的工作机理与PN结类似。APD利用重掺杂的PN 结，基于APD探测的工作电压较大，当加较大的反向偏压时APD 内部会发生碰撞电离和雪崩倍增，探测器的性能表现是光电流增大。当APD处于反向偏压模式时，在耗尽层的电场会很强，光照产生的光生载流子会被迅速分离，并在电场作用下快速漂移。在此过程中电子有概率会撞到晶格，导致晶格中的电子被电离。该过程不断被重复，晶格中被电离的离子也会碰撞晶格，致使APD中载流子的数量不断增加，从而产生很大的电流。正是 APD内部这种独特的物理机制，基于APD的探测器一般具有响应速度快，电流值增益大以及灵敏度高等特点。相比于PN结和PIN结，APD有更快的响应速度，是目前的光敏管当中响应速度最快的。

5、肖特基结型光电探测器

肖特基结型光电探测器的基本结构是一个肖特基二极管，其电学特性与前面所述的PN结类似，具有正向导通、反向截止的单向导电性。当功函数高的金属和功函数低的半导体形成接触时，就形成会形成肖特基势垒，形成的结就是肖特基结。主要的机理和PN结有些类似，以N型半导体为例，当两种材料形成接触时，由于两个材料电子浓度不同，半导体内的电子会向金属一侧扩散。扩散的电子在金属一端不断累积，从而破坏了金属原本的电中性，在接触面形成从半导体指向金属的内建电场，电子在内电场的作用下会发生漂移，载流子的扩散运动和漂移运动同时进行，经过一段时间达到动态平衡，最终形成肖特基结。在光照条件下，势垒区直接吸收光并产生电子-空穴对，而PN结内部的光生载流子需穿过扩散区才能到达结区。相比于PN结，基于肖特基结光电探测器有更快的响应速度，响应速度甚至可达到ns级别。

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6、光电导型探测器

光电导型探测器的工作原理基于光电导效应，在半导体材料两端加上叉指或条状电极构成光敏电阻，通常具有共面结构。半导体材料吸收入射光子的能量产生本征吸收或杂质吸收，形成非平衡载流子，而载流子浓度增大使材料电导率增大，当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压，便有电流流过回路。光电导型器件光电流大小正比于器件有效光照面积，从而正比于电极间距。但是为了高效地收集载流子，电极间距应小于载流子传输距离，即使得光生载流子渡越时间小于光生载流子寿命。光生载流子寿命与渡越时间之比被定义为光电导增益因子，对于载流子迁移率大的半导体材料，当电极间距很小时，增益可以远超过100％。光电导型钙钛矿光电探测器较之其他两种常见类型，制作步骤最为简单。

7、光伏型探测器

光伏型探测器又称为结型光电探测器，最简单的器件由一个透明顶电极、一层钙钛矿及一个不透明的底金属电极构成。光伏效应可以发生在半导体和半导体形成的异质结，也可以产生于金属和半导体形成的肖特基结处。结区存在内建电场，光照射到结区后能量大的光子能够产生载流子，在内建电场或外加偏压作用下产生光电流。半导体和半导体形成的异质结形式多样，包含了ｐ-ｎ结、ｐ-ｉ-ｎ结、体异质结等不同类型。光伏型探测器通常具有垂直型结构，并且会引入缓冲层或阻挡层以改善载流子传输或电荷阻挡特性，进一步提高探测器综合性能。

对于共面型金属／半导体／金属（MSM）器件，当金属与半导体接触势垒为肖特基接触时，实际上是两个背靠背的结型探测器串联 在一起。对 于MSM器 件，当半导体不吸光时，光电探测是基于金属吸光产生的光伏效应；当入射光波长位于半导体材料吸收的波段内时，由半导体吸光产生光电导效应明显强于金属吸光产生的光伏效应，故光电导效应在探测中起决定性作用。与光电导型器件相比，光伏型器件可以工作在低偏压（包含零偏压）下，响应速度快。通常为了改善器件性能，还会在顶／底电极与钙钛矿层之间引入界面修饰层。

8、晶体管型光电探测器

光电导型探测器由于存在增益，量子效率可远超过100％，相应的响应率也非常大，但是它们的暗电流偏大，在一定程度上限制了它们的应用。至于光伏型探测器，可以通过引入载流子阻挡机制将暗电流降得很低，大部分光伏型探测器具有垂直型结构，它们的载流子传输距离由半导体的膜厚决定，最小可以达到纳米尺度，相应地，载流子渡越时间非常短，器件响应速度被大幅度加快。只是，它们依赖于光伏效应，量子效率较光电导型偏低，通常低于100％，因而响应率较低。

晶体管型光电探测器结合了光电导型探测器与光伏型探测器的优势，既能够实现较低的暗电流，也可以在不牺牲响应速度的前提下获得非常高的量子效率及响应率。简言之，和两端器件相比，晶体管型三端器件可以通过减少噪声和放大信号两个方面来保证光电探测器的优良性能。对于场效应晶体管型光电探测器，在栅极与半导体层之间有一层薄的绝缘层，通过栅极所施加电压的大小来调节电荷在半导体中的传输特性。它们既可以工作在积累模式（ｐ型），也可以工作在相反模式下（ｎ型）。积累模式的工作原理具体如下。当栅极加正向偏压时，会在源极和漏极之间感应形成一条电子的导电通道，导电沟道中的电子来源于半导体区域，这样与光电导型器件相比，暗态下参与导电的载流子数减少，因而其暗电流得以降低。光照射到半导体区域后产生的电子同样会在导电沟道中积累，而只有光生空穴被束缚在半导体区域。从而降低了光生电子空穴对的复合，大大延长了载流子的寿命，最终使得器件的响应率优于光电导型器件。

9、光电倍增型探测器

不同于光电导型探测器能够实现高的光电增益，具有垂直结构的光伏型探测器，其量子效率通常小于100％，相应的响应率也偏低。光电倍增型探测器与光伏型探测器结构类似，同样具有垂直形式，但是却可以实现高的光电增益，带来响应率的大幅度改善。针对有机光电倍增型探测器的研究已经较为广泛，其基本原理为陷阱辅助的载流子隧穿行为。近年来，人们发现在钙钛矿光电探测器中同样也可以实现光电倍增效应，并且相比于同类型有机器件而言，它们所需施加的偏压较低，响应速度更快。

半导体光电探测器的工作原理

半导体光电探测器是利用半导体材料的光电效应来接收和探测光信号的器件，它通过吸收光子产生电子-空穴对，从而在外电路产生与入射光强度成正比的光电流以方便测量入射光。半导体光电探测器由于体积小，重量轻，响应速度快，灵敏度高，易于与其它半导体器件集成，是光源 的最理想探测器，可广泛用于光通信、信号处理、传感系统和测量系统。

1、响应率：光电探测器的相应率用以表征探测器将入射光信号转换为电信号的能力。

2、量子效率：光电探测器的量子效率 定义为一个入射光子照在器件上并产生一个对探测器电流有贡献的光电载流子对的几率。探测器的效率越高越好。

3、噪声等效功率：在实际的光电探测系统中，即使在探测器不加任何辐射信号时，探测器仍有一定的输出，这就时探测器本身存在的噪声。这种噪声的存在限制了探测器对微弱光信号的探测能力，即探测器能探测到的最小入射光功率受到限制。定义，探测器输出的信号功率与噪声功率之比为1时，入射到探测器上的信号功率就称为噪声等效功率（NEP）或最小可探测功率。

4、光谱响应：探测器的光谱响应是指不同波长的光辐射照射到探测器光敏面时，探测器的响应率等特征参量随光辐射波长变化而变化的特性。通常将响应率下降到峰值的50%处所对应的波长定义为截止波长 。有时也采用响应率降到10%处的波长作为截至波长。

5、响应时间：响应速度是描述探测器对入射辐射响应快慢的一个特性参量。探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需的时间叫做探测器的响应时间（时间常量τ）。

来源：苗博士科普，康冠光电

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