光电探测器综述(PD)分解
光电探测器综述(PD)分解
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。
光电探测器分解
真空光电管的结构
11
主要特性
灵敏度：在一定光谱和阳极电压下，光电管阳极电流与阴极面上光
通量之比，反应了光电管的光照特性。
伏安特性：一定光照条件下，阳极电流会随其电压增加而增加 。
不同电极结构有不同的饱和电压 。
光谱响应：各种真空光电管的光谱响应不同，影响光谱特性的主要 因素是光阴极的结构、材料、厚度及光窗材料等 。
器件等
2
6.1 光电探测器的特性参数
量子效率: 光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成电流。
描述光电器件 光电转换能力
I＝P＝ e P h
＝ Ihv ep
单位时间入射到探测器表面的光子 单位时间内被光子激励的光电子数。
特定波长下，单位时间探测器传输出的光电子数与单位时间入射到探测器 表面的光子数之比
_
in2 2e i f
7
6.2 光电探测器原理和种类
6.2.1 光电子发射效应
原理：材料表面的电子吸收光子能量，吸收的光能能够满足途中由于 与晶格或其它电子碰撞而损失的能量外，尚有一定能量足以克服固体 表面的势垒（或叫逸出功）则电子就可以穿出材料表面。这些逸出表 面的电子称为光电子。这种现像叫光电子发射或外光电效应。
2．暗电流噪声：当探测器接入电路后，由于热电子发射，场致发射或半导体中 晶格热振动激发出载流子，而产生的输出电流。 I n (2eI d f )1/ 2
3．散粒噪声： 由电子或光生载流子的粒子性所引起的噪声。每一瞬时通过PN 结的载流子数总有微小的不规则起伏，使探测器的输出电流也随之起伏，引 起散粒噪声。散粒噪声是与频率无关，与带宽有关的白噪声。
测器的惰性。
is t i 1 et /
单光子探测器的原理
单光子探测器的原理单光子探测器是一种能够检测光的最小单位——光子的光学仪器。
其原理基于光子的量子特性，利用光电效应将光子转化为电子，并通过电子的探测来实现对光子的检测和计数。
单光子探测器在量子光学、量子通信、量子计算等领域具有重要的应用价值。
单光子探测器一般由光电二极管（PD）或光电倍增管（PMT）构成。
下面将分别介绍这两种类型的单光子探测器的原理和工作方式。
1. 光电二极管（PD）单光子探测器光电二极管单光子探测器是利用光电效应将光子转化为电子的装置。
光电二极管由P型和N型半导体材料组成，两个不同的材料之间形成P-N结，其内部形成耗尽层。
当光子照射到耗尽层时，光子的能量被电子吸收，并激发一部分电子从价带跃迁到传导带，形成光电流。
光电流经过增强电路放大后，即可被检测到。
光电二极管单光子探测器的主要特点是高时间分辨率和低成本。
它的工作原理简单，适用于波长范围广，包括可见光和红外光等。
另外，光电二极管还可以采用一些增强技术，如冷却和增益放大器，以提高探测效率和灵敏度。
2. 光电倍增管（PMT）单光子探测器光电倍增管单光子探测器是一种将光子转化为电子，并经过倍增放大后检测的装置。
光电倍增管由光阴极、电子倍增结构和阳极等组成。
光子照射到光阴极时，光子的能量被光阴极吸收，并激发出电子，形成初级电子。
初级电子被电子倍增结构中的一系列二次发射表面所吸收和发射，从而进行倍增，最终形成大量次级电子。
最后，次级电子被阳极吸收，并经过放大电路放大后即可被检测到。
光电倍增管单光子探测器的主要特点是高增益和低噪声。
光电倍增管具有高放大倍数和较低的附加噪声，因此能够检测到非常弱的光信号。
光电倍增管适用于宽范围的光谱，包括可见光、紫外光和一部分红外光等。
为了提高单光子探测器的性能，研究人员一直进行着一系列的改进工作。
例如，引入低温冷却技术可以降低器件的热噪声，并提高探测器的灵敏度。
此外，采用新型的材料和结构设计也可以进一步改善探测器的性能。
光模块pd的作用
光模块pd的作用
光模块中的PD（Photodetector，光电探测器）是光通信系统中的一个重要组件，它的作用是将光信号转换为电信号。
PD是光电转换器件，用于接收传输的光信号，并将其转换为相应的电信号，以便在光通信系统中进行信号传输和处理。
PD的作用包括以下几个方面：
1.光信号接收：PD能够接收来自光纤或其他光源的光信号。
当光信号到达PD的光敏区域时，光子能量会被转换为电子能量，产生电子-空穴对。
2.光电转换：PD将接收到的光信号转换为相应的电信号。
当光子撞击PD中的光敏区域时，光电效应使得电子被激发并脱离原子，从而形成电流。
3.电信号放大：由于PD产生的电流较小，因此通常需要通过放大器来增强电信号的强度，以便进一步传输和处理。
4.数据传输：光模块中的PD是光通信系统中的一个重要组成部分，它接收光信号并将其转换为电信号后，可以用于传输数据。
这些数据可能是音频、视频、图像或其他形式的信息。
总的来说，PD在光通信系统中起到了将光信号转换为电信号的关键作用。
它是实现光纤通信和其他光通信技术的重要部件，能够将高速、大容量的光信号转化为电信号，实现光与电之间的相互转换，从而实现高效、可靠的数据传输和通信。
1/ 1。
《光电探测器》PPT课件
t 响应速度受三个因素的限制：载流子的扩散时间
t ，耗尽层中漂移时间 diff
dr
和耗尽层电容C与负载电阻R之乘积所决定的RC时间常数。
2021/4/24
28
8.3光敏二极管
6、光敏二极管的一般特性 c、噪声特性 噪声源：热噪声、散粒噪声 热噪声-主要负载； 散粒噪声-信号光电流，背景光电流，反向饱和电流
2021/4/24
8
8.2光敏电阻
1 、 光敏电阻简介
特点：
•光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）； •偏置电压低，工作电流大； •动态范围宽，既可测强光，也可测弱光； •光电导增益大，灵敏度高； •无极性，使用方便； •在强光照射下，光电线性度较差 •光电驰豫时间较长，频率特性较差。
2021/4/24
本征半导体的光电导效应。当光子能量E光大于或等于禁带宽度Eg时，光 子把价带中的电子激发到导带，出现自由电子和自由空穴时，从而使材料的
电阻率降低。电导率增加。
E光 =
hc
1240
Eg
1240
Eg
引入长波限λ0，若波长长于λ0， 即无本征吸收
2021/4/24
11
8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理
2021/4/24
16
8.2光敏电阻
4、光敏电阻的参数与特性 b.响应灵敏度 能够产生光致导电的光主要是波长接近光谱响应峰值的光，这种
光能把电子直接由价带激发导导带。但是，实际上，光把光电导体
中的杂质和晶格缺陷所形成的能级中的电子激发到导带的情况是很
多的，而这些能级与导带间的宽度比禁带宽度要窄的多。这就意味
着，光电导体对波长长于峰值波长的光也具有响应灵敏度，而且，
光电探测器简介演示
contents
目录
• 引言 • 光电探测器的基本原理 • 光电探测器的种类与特点 • 光电探测器的性能指标 • 光电探测器的应用案例 • 总结与展望
01
CATALOGUE
引言
什么是光电探测器
• 光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的装置，它利用 了光的能量和物质的相互作用来产生电信号。光电探测器在许 多领域都有广泛的应用，如光学通信、光谱分析、环境监测、 安全监控等。
安全监控
光电探测器可以用于安全监控，例如在机场、银行等场所 的监控系统中，光电探测器可以检测到人员的活动和物体 的移动。
02
CATALOGUE
光电探测器的基本原理
光-电转换原理
光-电转换是光电探测器的基本工作原理，即通过接收光子，将光信号转换为电 信号。
光电探测器中的光敏元件（如光电二极管、雪崩光电二极管等）能够将入射光子 转化为电子-空穴对，这些载流子在外加电场的作用下定向移动，形成电信号输 出。
光电探测器的应用场景
光学通信
光电探测器可以将光信号转换为电信号，从而实现信息的 传输和处理。在光纤通信中，光电探测器是必不可少的器 件之一。
环境监测
光电探测器可以用于监测环境中的光辐射水平，从而对环 境进行评估和管理。例如，它可以用于监测大气污染和海 洋环境中的光辐射水平。
光谱分析
光电探测器可以用于检测物质的光谱特征，从而对物质进 行分析和鉴别。在环境监测和化学分析中，光电探测器也 有广泛的应用。
光电探测器在医疗诊断中的应用
内窥镜
内窥镜结合光电探测器可以实时检测人体内部病变，提高医疗诊断的准确性和 效率。
医学影像
光电探测器在医学影像技术中也有广泛应用，如X光、CT等设备的图像采集和 处理系统中都离不开光电探测器的支持。
基于钙钛矿材料的光电探测器研究综述
基于钙钛矿材料的光电探测器研究综述钙钛矿是一类具有独特的光学和电子特性的无机分子材料，可以作为光电探测器（PDs）的材料。
这篇文章综述了基于钙钛矿材料的光电探测器的研究。
它内容涵盖了其研究背景和进展，通过分析近几年的相关研究进展，探讨了钙钛矿LD PDs的基本原理、结构、性能特性及应用。
钙钛矿是一种无机盐（A2BX 6），其中A和B分别是半金属元素，X是非金属原子。
钙钛矿材料的性能受到半金属元素组成的影响以及其中可能存在的掺杂，从而具有优良的半导体特性，可以作为光电探测器或其他电子器件的材料。
近几年来，全世界都在研究基于钙钛矿材料的PDs。
基于钙钛矿材料的PDs主要有三种结构：基带接受探测器，高频激励探测器和复合结构探测器。
基带接受探测器的核心结构是典型的单结构，并可以直接检测透射光信号并产生相应的电压变化。
复合结构探测器由两个或多个PD元件构成，具有拥有更高信噪比（SNR）和更快的响应特性等优势，而高频激励探测器利用探测元件和激励元件组成，可以检测更小的光信号。
当前，基于钙钛矿材料的PDs已经应用于实时分析、传感器和光测量等，其具有独特的特性。
但是，由于钙钛矿材料的结构和电子性质较为复杂，需要进一步研究才能实现其性能的优化。
除此之外，当前钙钛矿材料的PDs依然存在一些问题，比如均匀性差，过渡区阻抗不均匀，可编程性弱等，必须解决这些问题才能使其在工业实际应用中发挥最大作用。
总而言之，钙钛矿材料由于具有独特的物理、化学和电子性质，已经得到了越来越多的应用，如传感器、电池、照明等。
此外，钙钛矿材料还可用于制造光电探测器，近几年的研究结果表明它们可以提供优良的性能。
然而，由于其结构复杂性，钙钛矿PDs的研究仍处于初级阶段，仍有许多问题等待解决。
结型光电探测器分解81页PPT
39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
结型光电Байду номын сангаас测器分解
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
- 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)。
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-performancephotodetector, is not only the needs for development of opticalcommunication technology, but also realize the needs for silicon-basedoptoelectronic integrated,has the very high research value.This paperreviews the development of different characteristics and results of photodetectorfor the past decade, and discusses the photodetector development direction in thenext few years,the study of high performance photoelectric detector, thestructure, and related technology, manufacturing, has very importantpractical significance.:Key Word: photodetector, Si ,CMOS一、光电探测器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。
（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。
）、分类根据器件对辐射响应的方式不同或者说器件工作的机理不同，光电探测器可分为两大类[1]：一类是光子探测器；另一类是热探测器。
根据形态也可分为两大类：一是真空光电器件；另一类是固体光电器件。
固体光电器件又包括光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管等。
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，图1-1 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[2]。
图 1 -1半导体材料光吸收系数与波长的关系%光电探测器的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：%100-⨯=入射光子数空穴对个数生成的电子η ○1￥)1(as e ωαη--= ○2（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：)1()1(as s w d f e e R ααη---⋅⋅-= ○3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：2222)1()1(κκ+++-=sc sc f n n R ○4 *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 ：r p P I R =或 r p P V R = ○5p I 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：hv P q I r p //=η ○6 】进而可得响应度的公式为：hv q R ⋅=η ○7 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、响应速度与本征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， d V 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：d V W t = ○8⑵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：c diffD d t 22= ○9 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 211/102mm A -⨯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211/10mm A -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。
4、噪声等效功率NEP ：单位信噪比时的入射光功率。
n s V V P NEP /= ○105、探测度D ：NEP D 1= ○11 —6、线性度:12max I I -∆=δ ○12光电探测器的选择与主要应用光电探测器的应用选择光电探测器件的应用选择，实际上是应用时的一些事项或要点。
在很多要求不太严格的应用中，可采用任何一种光电探测器件。
不过在某些情况下，选用某种器件会更合适些。
例如，当需要比较大的光敏面积时，可选用真空光电管，因其光谱响应范围比较宽[3]，故真空光电管普遍应用于分光光度计中。
当被测辐射信号微弱、要求响应速度较高时，采用光电倍增管最合适，因为其放大倍数可达100以上，这样高的增益可使其信号超过输出和放大线路内的噪声分量[4]，使得对探测器的限制只剩下光阴极电流中的统计变化。
因此，在天文学、光谱学、激光测距和闪烁计数等方面，光电倍增管得到广泛应用。
；目前，固体光电探测器用途非常广。
CdS光敏电阻因其成本低而在光亮面积的器件，它除用做探测器件外，还可作太阳能变换器；硅光电二极管体积小、响应快、可靠性高，而且在可见光与近红外波段内有较高的量子效率，困而在各种工业控制中获得应用。