光電子學(xué)p-n型光電二極管

1、,7.3 P-N 型光電二極管,理學(xué)院,,,1. P-N型光電二極管,半導(dǎo)體光電探測(cè)器和半導(dǎo)體光源是功能相反的器件，探測(cè)器將輸入光子通量轉(zhuǎn)換成電流，半導(dǎo)體光源則相反。但是，制作這兩種器件經(jīng)常用到相同的材料。探測(cè)器的工作指標(biāo)與光源也有相對(duì)應(yīng)的部分。,光電二極管探測(cè)器的工作依賴于光生電荷載流子。光電二極管是當(dāng)吸收光子時(shí)反向電流會(huì)增加的P-N結(jié)。,,假設(shè)光子在每處都以吸收系數(shù)α得到吸收，每當(dāng)一個(gè)光子被吸收，一個(gè)電子-空穴對(duì)就會(huì)產(chǎn)生。

2、但是只有當(dāng)電場(chǎng)存在時(shí)，載流子才會(huì)定向輸運(yùn)。由于p-n結(jié)只有在耗散層建立電場(chǎng)，所以這是產(chǎn)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(jié)光電二極管探測(cè)器,,然而，電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生有三個(gè)可能區(qū)域。,圖 7-3-1 光子照射到理想的反向偏置p-n結(jié)光電二極管探測(cè)器,在耗盡層（區(qū)域1）產(chǎn)生的電子和空穴在強(qiáng)電場(chǎng)影響下向相反的方向漂移。結(jié)果是，外電路中的光生電流通常是相反方向（從n到p）因?yàn)樵诤谋M層不發(fā)生復(fù)合，每

3、對(duì)載流子在外電路產(chǎn)生一個(gè)面積為e的電流脈沖。,,,,遠(yuǎn)離耗盡層（區(qū)域3）產(chǎn)生的電子和空穴由于缺少電場(chǎng)而不能被運(yùn)輸，它們隨機(jī)運(yùn)動(dòng)直到復(fù)合湮滅，對(duì)外層電路電流沒有貢獻(xiàn)。,在耗盡層外但是在它附近（區(qū)域2）產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)，因?yàn)橛须S機(jī)擴(kuò)散而進(jìn)入耗盡層的可能性，從p側(cè)擴(kuò)散來的電子被快速運(yùn)輸并穿過結(jié)區(qū)，因此對(duì)外電路貢獻(xiàn)了一個(gè)電荷e。從n側(cè)擴(kuò)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(zhì),注意：這些性

4、能參數(shù)適用于所有半導(dǎo)體電光探測(cè)器。,,量子效應(yīng),響應(yīng)度,響應(yīng)時(shí)間,目前制作光電二極管的材料主要有元素半導(dǎo)體Si、Ge及化合物半導(dǎo)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(cè)器的量子效率η （0< η <1)定義為入射到器件的單個(gè)光子產(chǎn)生對(duì)探測(cè)器電流有貢獻(xiàn)的光生載流子對(duì)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(huì)在探測(cè)器的表面被反射，從而降低了量子效率。,再次，一些探測(cè)器表面產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)很快又復(fù)合了，它們不能對(duì)探測(cè)器電流有所貢獻(xiàn)。,最后，如果光不是正確地聚焦在探測(cè)器的有效部分，一些光子會(huì)丟失。但是，這個(gè)作用沒有包含在量子效率的定義中，這是因?yàn)樗c器件的使用有關(guān)而與器件的固有性質(zhì)無(wú)關(guān)。,,,,,,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(duì)成功的產(chǎn)生探測(cè)器電流的部分， α是材料吸收系數(shù)（cm-1 ),d是光電探測(cè)器有效吸收區(qū)的深度。,應(yīng)當(dāng)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(dú)考慮 η 與波長(zhǎng)的關(guān)系。,第一個(gè)因子1- 代表器件表面的反射效應(yīng)。用增透膜可以降低反射作用。,第二個(gè)因子 是材料表面成功避免復(fù)合的電子-空穴對(duì)部分，它們對(duì)產(chǎn)生有效電流有貢獻(xiàn)。表面復(fù)合可以通過優(yōu)化的材料生長(zhǎng)來降低。,第三個(gè)因子1-exp（- αd）

7、，代表材料中吸收的光子通量，器件需要一個(gè)足夠到的d值使得這個(gè)因子最大化。,,,,,量子效率是波長(zhǎng)的函數(shù)，主要是因?yàn)橄禂?shù)α與波長(zhǎng)有關(guān)。,對(duì)于一些光電探測(cè)器材料， η在由材料特性決定的光譜窗內(nèi)是很大的。對(duì)于足夠大的λo, η卻會(huì)變小。這是因?yàn)楫?dāng)：,時(shí)吸收不會(huì)發(fā)生（因?yàn)榇藭r(shí)光子能量不足以克服帶隙能量）。其中λg為半導(dǎo)體材料的長(zhǎng)波長(zhǎng)極限。,,,1.2 響應(yīng)度,響應(yīng)度將器件內(nèi)的電流和入射光能量聯(lián)系起來。如果每個(gè)光子能產(chǎn)生一個(gè)光電子，光子通量

8、（每秒的光子數(shù))會(huì)產(chǎn)生電子通量，對(duì)應(yīng)短路電流ip=e。頻率為ν的光功率P=hv將會(huì)產(chǎn)生電流ip=eP/(hv).因?yàn)楫a(chǎn)生被探測(cè)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(yīng)度R。R=ip/P的單位為A/W,其表達(dá)式為,(7.3.3）,如果對(duì)探測(cè)器施加一個(gè)過大的光能量，響應(yīng)度會(huì)下降。這種情況稱為探測(cè)器飽和，限制了探測(cè)器的線性工作區(qū)。,,為了獲得響應(yīng)度數(shù)量級(jí)的概念，可以將式（7

9、.3.3）中的η設(shè)為1，于是當(dāng)λ0為1.24 μm時(shí)R=1A/W,也就是1nW對(duì)應(yīng)1nA.對(duì)于給定的值響應(yīng)度隨波長(zhǎng)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(yīng)度R（A/W）與波長(zhǎng)λ o的關(guān)系,,,1.3 響應(yīng)時(shí)間,有人可能會(huì)傾向于認(rèn)為光子激發(fā)光電探測(cè)器材料的一個(gè)電子-空穴對(duì)時(shí)，外電路中產(chǎn)生電荷應(yīng)該為2e，因?yàn)橛袃蓚€(gè)電荷載流子。事實(shí)上，激發(fā)的電荷是e。此外，光電探測(cè)器材料中通過載流子運(yùn)動(dòng)輸運(yùn)到外電路的電荷不是立

10、即產(chǎn)生的而是有一個(gè)延遲。 材料中載流子的運(yùn)動(dòng)，使得電荷從器件一端的導(dǎo)線中被一個(gè)一個(gè)地拉出來，并把它們一個(gè)一個(gè)地推進(jìn)另一端導(dǎo)線，因此通過外電路的電荷會(huì)分布在一段時(shí)間內(nèi)。這種現(xiàn)象稱為渡越時(shí)間分布，它是限制半導(dǎo)體光電探測(cè)器工作速度很重要的因素。,外加電壓為v時(shí)寬度為ω的半導(dǎo)體材料中任意位置x通過光子吸收產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)如圖7-3-4（a）。,,在x方向以速度v（t）運(yùn)動(dòng)的電荷量為q（對(duì)于空穴電荷q=e或者對(duì)于電子電荷q=-e

11、）的載流子在外電路中產(chǎn)生的電流為：,（拉莫定理）,圖7-3-4電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)及電流的貢獻(xiàn),這個(gè)重要公式叫作拉莫定理，可以從能量觀點(diǎn)得以證明。,,當(dāng)用平均電荷密度ρ而不是單獨(dú)的點(diǎn)電荷Q來表示時(shí)，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(qiáng)度為,當(dāng)存在電場(chǎng)E時(shí)，半導(dǎo)體中的載流子將會(huì)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(dǎo)率。,（7.3.

12、6）,,假設(shè)空穴以恒定速度Vh向左移動(dòng)，電子以Ve向右移動(dòng)，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(dòng)，每種載流子對(duì)電流都會(huì)有貢獻(xiàn)。,圖7-3-4（b） 空穴電流ib（t），電子電流ic（t），電路中產(chǎn)生的全電流i（t）,,如果電子-空穴對(duì)在材料內(nèi)均勻地產(chǎn)生，渡越時(shí)間分布現(xiàn)象會(huì)更嚴(yán)重，如圖7-3-5所示。當(dāng)vh<ve時(shí)，渡越時(shí)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?yàn)榫鶆蛘彰髟诟魈幎籍a(chǎn)生載流子對(duì)，包括在x=W?？昭◤倪@個(gè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到x=0然后復(fù)合，需要走過的距離最遠(yuǎn),圖7-3-5 均勻分布在0到w間的N個(gè)光子激發(fā)的電子-空穴對(duì)在電路中產(chǎn)生空穴電流ih（t）、電子電流ie（t）和總電流i（t）,,半導(dǎo)體探測(cè)器的另一個(gè)響應(yīng)時(shí)間限制是光電探測(cè)器及電路的電阻R和電容C形成的RC時(shí)間常數(shù)。,在光電二極管中擴(kuò)散對(duì)響應(yīng)時(shí)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(chǎn)生的載流子需要一定時(shí)間擴(kuò)散到耗盡層。這和漂移相比是一個(gè)相對(duì)慢的過程。這個(gè)過程允許的最大時(shí)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(kuò)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(guān)系為i=is[exp(ev/kBT)-1]-ip,如圖7-3-6所示，這是P-N結(jié)通用的i-V關(guān)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(guān)系