半导体中的光吸收和光探测器教程
半导体的光学常数和光吸收-PPT
R)2 ed
• 二、半导体得光吸收
光在导电介质中传播时具有衰减现象,即产生 光得吸收,半导体材料通常能强烈得吸收光能,具有 105cm-1得吸收系数。对于半导体材料,自由电子 与束缚电子得吸收都很重要。
价带电子吸收足够得能量从价带跃迁入导带, 就是半导体研究中最重要得吸收过程。与原子吸 收得分立谱线不同,半导体材料得能带就是连续分 布得,光吸收表现为连续得吸收带。
⑶反射系数R:反射系数R就是界面反射能流密度
与入射能流密度之比,若以 与0 分别代表入
射波与反射波电矢量振幅,则有:
R
2 0
/
2
⑷透射系数T:透射系数T为透射能流密度与入射
能流密度之比,由于能量守恒,在界面上可以得到:
T=1-R
当光透过厚度为d,吸收系数为得介质时有:
T
透射光强度 入射光强度
(1
得相互作用,因此理论上这就是一种二级过程。其
发生概率要比直接跃迁小很多。因此,间接跃迁得
光吸收系数比直接跃迁得光吸收系数小很多。前
者一般为1~1×103cm-1数量级,而后者一般为
1×104~1×106cm-1。
(4)激子(exciton)吸收
在低温时发现,某些晶体在本征连续吸收光谱出现以前, 即hν＜Eg时,就会出现一系列吸收线,但产生这些吸收线得 过程并不产生光电导,说明这种吸收不产生自由电子或空 穴。
h＞Eg
(h ) A(h Eg )1/ 2
h Eg
(h ) 0
(3)间接跃迁与间接带隙半导体:诸
如硅与锗得一些半导体材料,导带底 与价带顶并不像直接带隙半导体那 样具有相同得波矢k。这类半导体称 为间接带隙半导体,对这类半导体,任 何直接跃迁所吸收得光子能量都应 该比其禁带宽度Eg大得多。因此,若 只有直接跃迁,这类半导体应不存在 与禁带宽度相当得光子吸收。这与 实际情况不符。
光电探测器综述(PD)讲解
光电探测器综述摘要：近年来，围绕着光电系统开展了各种关键技术研究，以实现具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的光电探测器（Photodetector）及光电集成电路（OEIC）已成为新的重大挑战。
尤其是具有高响应速度，高量子效率和低暗电流的高性能光电探测器，不仅是光通信技术发展的需要，也是实现硅基光电集成的需要，具有很高的研究价值。
本文综述了近十年来光电探测器在不同特性方向的研究进展及未来几年的发展方向，对其的结构、相关工艺和制造的研究具有很重要的现实意义。
关键词：光电探测器，Si ,CMOSAbstrac t: In recent years, around the photoelectric system to carry out the study of all kinds of key technologies, in order to realize high integration, highperformance, low power consumption and low cost of photoelectricdetector (Photodetector) and optoelectronic integrated circuit (OEIC) hasbecome a major new challenge. Especially high response speed ，highquantum efficiency, and low dark current high-performance photodetector,is not only the needs for development of optical communication technology,but also realize the needs for silicon-based optoelectronic integrated,has thevery high research value.This paper reviews the development of differentcharacteristics and results of photodetector for the past decade, and discusses thephotodetector development direction in the next few years,the study of highperformance photoelectric detector, the structure, and related technology,manufacturing, has very important practical significance.Key Word: photodetector, Si ,CMOS一、光电探测器1.1概念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。
如何使用光探测器讲解
如何使用APD ROSA
如何选择APD 偏置电压？
在实际使用中通常我们将Gain设置为8<M<10,过高的Gain值会降低信噪比
如何使用APD ROSA
利用自动调试软件选择合适的APD 偏置电压
如何使用APD ROSA
Wait for Transceiver to reach desired Ambient Temperature
4 RDIN-
6 VPD
7 FIX1
FIX2 8
C26 GND GND
L11
R18 C14
GND C18
VCC_RX Vpd
VCC_RX
GND RX_PM_ADC1
U7
1 CLAMP 2 GND 3 OUT
R25
BIAS 6 NC 5
REF 4
GND VCC_RX
C28 Vpd
GND
GND
如何使用PIN ROSA
目前常用的光探测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD).
光探测器件基本原理
光探测器件的光电转换主要包括3个主要过程：
入射到光吸收区的光子被InGaAs或Ge材料(长波长探测)所吸收， 产生非平衡 的电子、空穴对；
非平衡的电子、空穴对由于浓度差产生定向扩散运动和电场下的漂 移运动；
RX接收光功率监控功能的实现
MAX4004利用镜像电流源，输出电流IOUT为实际流经PIN管的光电 流IPIN的1 / 10，将IOUT通过对地参考电阻转化为电压Vmon，即可 实现对接收光功率的监控。
Pin（mW）=10Vmon/R*
接收光功率RX Power(μW)与监控电Vmon(V)的关系如下图
运动到PN结的载流子在其两边形成附加电势，并在外电路中产生 附加的光生电压或光生电流。
有机光电探测器原理
有机光电探测器原理引言：随着科技的不断进步，光电探测器作为一种重要的光电转换器件，已经广泛应用于光通信、光谱分析、光电子学等领域。
有机光电探测器作为新型的光电转换器件，具有结构简单、制备成本低、柔性可塑性强等优点，正逐渐受到研究者的关注。
本文将介绍有机光电探测器的原理及其应用。
一、有机光电探测器的原理有机光电探测器是利用有机半导体材料的光电效应实现光电转换的器件。
其基本工作原理是通过吸收光子能量，将光子能量转化为电子能量，从而产生电流信号。
下面将从光吸收、载流子生成和载流子收集三个方面具体介绍有机光电探测器的工作原理。
1. 光吸收有机光电探测器的关键部分是有机半导体材料，这种材料能够吸收可见光和红外光的能量。
当光照射到有机半导体材料上时，光子能量将被吸收并转化为激发态的能量。
这种能量转移过程是通过共轭体系中的π-π*跃迁实现的。
有机半导体材料的吸收光谱范围可以根据其分子结构进行调节，因此有机光电探测器可以用于不同波段的光信号探测。
2. 载流子生成在有机光电探测器中，光吸收后的激发态能量会引起共轭体系中的电子跃迁，从而在材料中产生载流子。
一般来说，有机光电探测器中的载流子主要包括电子和空穴。
在有机半导体材料中，电子和空穴通过激子或极化子的形式存在。
激子是一对电子和空穴在共轭体系中的结合态，具有较长的寿命；而极化子是电子和空穴在共轭体系中的解离态，具有较短的寿命。
有机光电探测器中的载流子生成主要是通过激子的形式实现的。
3. 载流子收集有机光电探测器中的载流子生成后，需要将其有效地收集起来，从而产生电流信号。
为了实现载流子的收集，通常需要在有机半导体材料中添加电极，形成电场。
当电场存在时，载流子将被电场加速，并在电极上产生电流。
有机光电探测器的电极可以是金属电极、导电聚合物电极等。
通过优化电极材料和结构设计，可以提高载流子的收集效率，从而提高光电探测器的灵敏度和响应速度。
二、有机光电探测器的应用有机光电探测器由于其独特的结构和性能，已经在多个领域得到广泛应用。
第五章半导体中的光辐射和光吸收
第五章半导体中的光辐射和光吸收1. 名词解释：带间复合、杂质能级复合、激子复合、等电子陷阱复合、表面复合。
带间复合：在直接带隙的半导体材料中，位于导带底的一个电子向下跃迁，同位于价带顶的一个空穴复合，产生一个光子，其能量大小正好等于半导体材料E。
的禁带宽度g浅杂质能级复合：杂质能级有深有浅，那些位置距离导带底或价带顶很近的浅杂质能级，能与价带之间和导带之间的载流子复合为边缘发射，其光子能量总E小。
比禁带宽度g激子复合：在某些情况下，晶体中的电子和空穴可以稳定地结合在一起，形成一个中性的“准粒子”，作为一个整体存在，即“激子”。
在一定条件下，这些激子中的电子和空穴复合发光，而且效率可以相当高，其复合产生的光子能量小E。
于禁带宽度g等电子陷阱复合：由于等电子杂质的电负性和原子半径与基质原子不同，产生了一个势场，产生由核心力引起的短程作用势，从而形成载流子的束缚态，即陷阱能级，可以俘获电子或空穴，形成等电子陷阱上的束缚激子。
由于它们是局域化的，根据测不准关系，它们在动量空间的波函数相当弥散，电子和空穴的波函数有大量交叠，因而能实现准直接跃迁，从而使辐射复合几率显著提高。
表面复合：晶体表面的晶格中断，产生悬链，能够产生高浓度的深的或浅的能级，它们可以充当复合中心。
通过表面的跃迁连续进行表面复合，不会产生光子，因而是非辐射复合。
2. . 什么叫俄歇复合，俄歇复合速率与哪些因素有关？为什么长波长的InGaAsP 等材料的俄歇复合比短波长材料严重？为什么俄歇复合影响器件的J th 、温度稳定性和可靠性？ 解析：● 俄歇效应是一个有三粒子参与、涉及四个能级的非辐射复合的效应。
在半导体中，电子与空穴复合时，把能量或者动量通过碰撞转移给第三个粒子跃迁到更高能态，并与晶格反复碰撞后失去能量。
这种复合过程叫俄歇复合.整个过程中能量守恒，动量也守恒。
●半导体材料中带间俄歇复合有很多种，我们主要考虑CCHC 过程（两个导带电子与一个重空穴）和CHHS 过程（一个导带电子和两个重空穴）。
半导体的光电效应
本征半导体光电导效应图
讨论光电探测器的一般步骤： 定性分析：工作原理 定量计算：
性能分析：灵敏度，光谱响应特性，线性关系等
光电导效应
当入射光功率为
为常数时：
用来产生光电效应的光功率:
产生非平衡载流子的光子数：
响应时间：
探测器的主要参数
关于响应时间 积分得到： 同样停止光照时： 频率响应：
线性
线性：指探测器的输出光电流或光电压与入射光功 率的 成比例的程度，其与工作状态有关
v
I
光敏二极管伏安特性
R
P
N
在作线性光电池时，R的取值问题
探测器主要参数的测试
光谱响应率函数的测试 标准探测器法：通过比较被测探测器与标准探测器在每一波长上的响应，来确定被测探测器的光谱响应函数
光子噪声： 信号辐射产生的噪声与背景噪声 探测器噪声：热噪声，散粒噪声，产生与复合 噪声， 温度噪声，1/f噪声
噪声的分类：随机的噪声，其功率与频率无关（白噪声） 与频率有关的1/f噪声
1/f噪声
白噪声
f
S(f)
噪声的主导地位： 在低频时， 1/f噪声起主导作用 在中频时，产生复合噪声起主导作用 在高频时，白噪声起主导作用 噪声的克服
考察其瞬态过程：
光电导效应 积分得到： 同样停止光照时： 频率响应：
光电导效应
光谱响应：探测器的输出与输入光波长的关系
注意条件：
理想情况
实际情况
光生伏特效应
光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。
产生机制： 光生载流子的浓度梯度 光电磁效应 势垒效应（PN结）
02
半导体光电导器件是利用半导体材料的光电效应制成的光电探测器件。其最典型的器件是光明电阻。 光明电阻的特点：
半导体光电探测器原理及优化方法
半导体光电探测器原理及优化方法半导体光电探测器是一种能够将光信号转化为电信号的器件，广泛应用于光通信、光电子学、光学传感等领域。
本文将介绍半导体光电探测器的工作原理，并探讨其优化方法。
一、原理半导体光电探测器是通过光生或热生成电荷载流子来实现光电转换的。
其工作原理主要涉及以下几个关键过程：1. 光吸收：当光照射到半导体材料上时，光子与原子之间发生相互作用，导致电子能级的跃迁。
这种跃迁可以通过直接带隙吸收或间接带隙吸收来实现。
2. 电荷生成：吸收能量的光子会激发半导体材料内的电子从价带跃迁到导带，形成自由电子和空穴。
这种电子空穴对的形成可以通过光电效应或热激励来实现。
3. 电荷传输：生成的电子和空穴会在半导体内发生迁移，并在外加电场的作用下分别向电极移动。
这种电荷迁移过程可以通过扩散、漂移和电场效应来实现。
4. 电荷收集：最后，电子和空穴会在电极上被收集形成电流信号。
这个过程需要有效的电荷收集区域和电荷收集结构来实现高效的电流转换。
二、优化方法为了提高半导体光电探测器的性能，可以采取以下一些优化方法：1. 材料选择：不同的半导体材料具有不同的带隙结构和光吸收特性。
根据实际需求，选择能够匹配光源波长、具有较高吸收系数和较小吸收损耗的材料，可以提高光电转换效率。
2. 结构设计：优化器件的结构设计能够有效提高电子和空穴的收集效率。
例如，在光电探测器的表面引入光栅结构，可以增加光电子的吸收深度和电子在电极上的收集效率。
3. 探测区域增大：增大探测区域可以提高器件接收光信号的能力。
通过工艺优化，增大活动面积，可以有效提高器件的灵敏度和响应速度。
4. 降低噪声：降低器件的噪声水平对于提高探测器的信噪比非常重要。
采取合适的工艺控制和电路设计，降低暗电流和暗电流噪声，可以有效提高器件的信号检测精度。
5. 温度控制：温度对半导体光电探测器的工作性能影响较大。
保持器件在适宜的温度范围内工作，可以提高器件的稳定性和可靠性。
第4章光电导探测器
光谱响应率：
光电流
I
p
(
)
qNG
q
() h
G
S() I p () q G () h
增大增益系数G可以提高光谱响应率，实际上常用的光电 导探测器的光谱响应率小于1A／W，原因是：
① 产生高增益系数的光电导探测器电极间距需很小，致使光 电导探测器集光面积太小而不实用。
② 若延长载流子寿命也可提高增益系数，但这样会减慢响应 速度，因此，在光电导探测器中，增益与响应速度是相矛 盾的。
半导体在0K时，导电载流子浓度为0。在0K以上，由于热 激发而不断产生热生载流子(电子和空穴)，它在扩散过程 中又受到复合作用而消失。在热平衡下，单位时间内热生 载流子的产生数目正好等于因复合而消失的数目。因此在 导带和价带中维持着一个热平衡的电子浓度n和空穴浓度p， 它们的平均寿命分别用τn和τp表示。
但当入射光功率在较大范围内变化，即光电导变化范围很 大时，要始终保持匹配状态是困难的。
输出电流与电压讨论： 1）高频工作时要考虑电容影响； 2）光电流Ip与入射光功率的关系： 由于半导体对光
的吸收具有非线性特性。所以光电导探测器的光电流与 入射光功率也将呈现非线性关系。
弱入射辐射时，成简单线性 强入射辐射时，成非线性（抛物线型）
§4-2 光电导探测器的特性与性能参数
一、光电导探测器的光谱特性
1. 本征光电导的光谱分布： 特点： 单峰；两端下降；长波限不明显
相对灵敏度/%
100
ZnS CdS
80
60
40
CdSe
20
0 0.3 0.5
PbSe 90K PbS
Ge
PbTe CaAs 90K
InSb
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
9.1 半导体中的光吸收理论
(1) 光吸收系数：
半导体吸收光的机理主要有带间跃迁吸收（本 征吸收）、载流子吸收、晶格振动吸收等。吸收光的 强弱常常采用描述光在半导体中衰减快慢的参量—— 吸收系数α来表示；若入射光强为I，光进入半导体中 的距离为x，则定义：
1 dI I dx
吸收系数的单位是cm-1。
第九章 半导体中的光吸收和光探测器
9.1 半导体中的光吸收理论
9.2 半导体中的本征吸收和其他光吸收
9.3 半导体光电探测器的材料和性能参数
9.4 半导体光电探测器
第九章 半导体中的光吸收和光探测
半导体对光的吸收机构大致可分为： ①本征吸收； ②激子吸收； ③晶格振动吸收； ④杂质吸收； ⑤自由载流子吸收. 参与光吸收跃迁的电子可涉及四种： ①价电子； ②内壳层电子； ③自由电子； ④杂质或缺陷中的束缚电子，
同时能量守恒规律为： 光子能量hv=Eg
由于这种吸收光的直接跃迁既符合能量守恒、又符 合动量守恒的规律，则这种光吸收的效率很高，使得光 吸收系数将随着光子能量的增加而快速增大，从而形成 陡峭的光吸收谱曲线。 这时，吸收系数与光子能量hv和禁带宽度Eg之间的 函数关系可以表示为
(hv Eg )
• 直接跃迁带隙的GaAs：
GaAs的光吸收谱曲线上升得比较陡峭，这是由于 GaAs具有直接跃迁能带结构的缘故。在此，当价电子 吸收了足够能量的光子、从价带跃迁到导带时，由于它 的价带顶与导带底都在布里渊区的同一点上（即 kvmax=kcmin），则在跃迁时动量几乎不会发生变化：
ke k p 光子动量 0
式中的γ是常数。当光子能量降低到Eg时，吸收系数 即减小到0，这就明确地对应于截止波长。
• 间接跃迁带隙的Si：
Si的能带结构是间接跃迁型的，kvmax≠kcmin，价电子 跃迁时，就需要借助于声子的帮助才能达到动量守恒。于 是光吸收的动量守恒规律为：
ke k p 声子动量 K
则光吸收的能量守恒规律为：
光子能量 hv Eg 声子能量 Ep
这时，吸收系数与光子能量hv和禁带宽度Eg之间的 函数关系可以表示为:
(hv Eg Ep )
a）间接跃迁的实现需要第三者（声子）参与，因此光吸 收效率要低于直接跃迁的光吸收，所以光吸收谱曲线的 上升速度较慢； b）因为声子的参与，最小的光吸收能量并不完全对应于 禁带宽度（多出了一个声子能量Ep），因此光吸收的截 止波长并不像直接带隙半导体的那么明显。不过，由于 声子能量非常小（Ep<0.1 eV），所以最小的光吸收能量 往往比较接近于禁带宽度。
（4）参考曲线：
常见半导体的带间光吸收谱曲线见图2。 IV族半导体属间接跃迁能带结构，它们的光吸收 谱曲线较缓；而III-V族半导体属直接跃迁能带结构，它 们的光吸收谱曲线都很陡峭。 此外，半导体中载流子的光吸收谱曲线一般都位于 带间光吸收谱曲线的截止波长以外。因为载流子光吸收 是在能带内部的各个能级之间跃迁，所以吸收的光子能 量更小，吸收的光波长更长。
7.1 本征吸收
பைடு நூலகம்
如果有足够能量的光子作用到半导 体上，价带电子就有可能被激发到 导带而形成电子一空穴对。这样的 过程称为本征吸收。第一章已经提 到，这种受激本征吸收使半导体材 料具有较高的吸收系数，有一连续 的吸收谱，并在光子振荡频率=Eg/h 处有一陡峭的吸收边，在<Eg/h(即 入射光波长>1.24/Eg)的区域内，材 料是相当透明的。由于直接带隙与 间接带隙跃迁相比有更高的跃迁速 率，因而有更高的吸收系数或在同 样光子能量下在材料中的光渗透深 度较小。与间接带隙材料相比，直 接带隙材料有更陡的吸收边， 图7.1-1比较了几种直接带隙材料(GaAs、In0.7Ga0.3As0.64P0.36、 In0.53Ga0.47As)和间接带隙材料(Ge、Si)的光吸收系数和渗透深度 与入射光波长的关系。
一、直接带隙跃迁引起的光吸收
在§1.2中已提到在直接带隙跃迁吸收中，可以产生允许的和禁戒的跃迁。
1.24 g (m) Eg (eV )
一些用于光电探测器的半导体的禁带宽度、截止 波长和带隙类型，如下表所示。 根据光吸收截止波长的这种关系，即可通过光吸 收谱曲线的测量来确定出半导体的禁带宽度。 由于半导体禁带宽度会随着温度的升高而减小， 所以 g 也将随着温度的升高而增长。
③ GaAs和Si的光吸收效率比较：
(2) 带间光吸收谱曲线的特点：
对于Si和GaAs的带间跃迁的光吸收，测得其吸收 系数a与光子能量hv的关系如图1所示。这种带间光吸 收谱曲线的特点是： ① 吸收系数随光子能量而上升； ② 各种半导体都存在一个吸收光子能量的下限（或 者光吸收长波限——截止波长），并且该能量下限随 着温度的升高而减小（即截止波长增长）； ③ GaAs的光吸收谱曲线比Si的陡峭。
为什么半导体的带间光吸收谱曲线具有以上 一些特点呢？ ——与半导体的能带结构有关。
(3) 对带间光吸收谱曲线的简单说明：
① 因为半导体的带间光吸收是由于价带电子跃迁到 导带所引起的，则光吸收系数与价带和导带的能态密 度有关。
在价带和导带中的能态密度分布较复杂, 在自由 电子、球形等能面近似下，能态密度与能量是亚抛物 线关系，在价带顶和导带底附近的能态密度一般都很 小，因此，发生在价带顶和导带底附近之间跃迁的吸 收系数也就都很小；随着能量的升高，能态密度增大， 故吸收系数就相应地增大，从而使得吸收谱曲线随光 子能量而上升。
但是由于实际半导体能带中能态密度分布函数的 复杂性，而且电子吸收光的跃迁还必须符合量子力学 的跃迁规则——k选择定则，所以就导致半导体光吸收 谱曲线变得很复杂，可能会出现如图1所示的台阶和多 个峰值或谷值。
② 因为价电子要能够从价带跃迁到导带，至少应该吸 收禁带宽度Eg大小的能量，这样才能符合能量守恒规 律，所以就存在一个最小的光吸收能量——光子能量 的下限，该能量下限也就对应于光吸收的长波限—— 截止波长g ：