光电探测器工作原理

• 光电探测器的概述

  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。(光电导效应是指在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化的象。即当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象，光子作用于光电导材料，形成本征吸收或杂质吸收，产生附加的光生载流子，从而使半导体的电导率发生变化，产生光电导效应。)

• 工作原理

  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。

• 性能指标

   

  光电探测器的性能指标主要由量子效率、响应度、响应速度和本征带宽、光电流，暗电流和噪声等指标组成：

1、量子效率：

    

  (wa 表示吸收层的厚度，αs表示光吸收系数，入射波长 λ、材料消光系数 k 决定吸收系数 αs=4πk/λ。)考虑实际情况，入射光在探测器表面会被反射。同时探测器表面存在一定宽度的接触掺杂区域，其中也会产生光子的消耗，考虑以上两种因素的量子效率的表达式：

  其中 d 表示接触层厚度，Rf表示光电探测器表面的反射率。反射率与界面的折射率 nsc和吸收层的消光系数 κ 有关，Rf可以表示成下式：

2、响应度

  定义为光电探测器产生光电流与入射光功率比，单位通常为 A/W。响应度与量子效率的大小有关，为量子效率的外在体现。 响应度 R ：

  

  I_P表示光电探测器产生的光电流，Pr代表入射光功率。则量子效率可变为下式表示：

进而可获得响应度反应式为：

  可知响应度与量子效率成正比，由于硅材料本身为间接带隙，所以材料的量子效率较低，硅基光电探测器的响应度也较小。

3、响应速度和反应带宽：

  响应速度可以用光生载流子的渡越时间表示，载流子的渡越时间外在的频率响应的表现就是探测器的带宽。光生载流子的渡越时间在光生电流变化中表现为两部分：上升时间和下降时间。通常取上升时间和下降时间中的较大者衡量探测器的响应速度。决定探测器响应速度的因素主要有：

  ⑴、耗尽区载流子渡越时间：载流子的渡越时间是影响探测器响应速度的最重要因素，当耗尽区电场强度达到最大时， Wd 表示载流子的最大漂移速度，W表示耗尽区宽度，那么载流子的渡越时间为：

t=W/V_d

  ⑵耗尽区外载流子扩散时间：载流子扩散的速度较慢，同时大多数产生于耗尽区之外的载流子的寿命非常短，复合发生速度快。所以扩散运动只对距离耗尽区范围较近的载流子才能通过扩散运动达到耗尽区中，并在电场中漂移产生光电流。Dc表示载流子的扩散系数，d 表示扩散距离，则扩散时间如下式：

      

  ⑶光电二极管耗尽区电容：越大，响应速度就越慢。

  为了达到最优的探测器的响应速度，需要在探测器的吸收层厚度和光电探测器的面积中折衷。如增大探测器材料的吸收层厚度可以有效减小耗尽区平板电容，同时可增大吸收层厚度可以提高探测器的量子效率。但是吸收层厚度的增加导致耗尽区宽度的变大，是光生载流子渡越时间变长而有可能降低探测器的响应速度。

  ⑷暗电流和噪声

  光电流指在入射光照射下光电探测器所产生的光生电流，暗电流可以定义为没有光入射的情况下探测器存在的漏电流。其大小影响着光接收机的灵敏度大小，是探测器的主要指标之一。暗电流主要包括以下几种：①耗尽区中边界的少子扩散电流;②载流子的产生-复合电流，通过在加工中消除硅材料的晶格缺陷，可以有效减小载流子的产生-复合电流，通常对于高纯度的单晶硅产生-复合电流可以降低到2*10¹¹A/nm2  以下;③表面泄漏电流，在制造工艺结束时，对芯片表面进行钝化处理，可以将表面漏电流降低到 10¹¹A/nm2量级。当然，暗电流也受探测器工作温度和偏置电压的影响。探测器的暗电流与噪声是分不开的，通常光电探测器的噪声主要分为暗电流噪声、散粒噪声和热噪声：a暗电流噪声：对于一个光电探测器来讲，可接收的最小光功率是由探测器的暗电流决定的，所以减小探测器的暗电流能提高光接收机的灵敏度;b散粒噪声：当探测器接收入射光时，散粒噪声就产生于光子的产生-复合过程中。由于光生载流子的数量变化规律服从泊松统计分部，所以光生载流子的产生过程存在散粒噪声;c热噪声：由于导体中电子的随机运动会产生导体两端电压的波动，因此就会产生热噪声。光电探测器的电路模型中包含的电阻为其热噪声的主要来源。