光電探測器原理（什么是光電探測器）

一、什么是光電探測器

光電探測器在光通信系統中實現將光轉變成電的作用，這主要是基于半導體材料的光生伏te效應，所謂的光生伏te效應是指光照使不均勻半導體或半導體與金屬結合的不同部位之間產生電位差的現象。(光電導效應是指在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態過度到自由狀態，而引起材料電導率的變化的象。

即當光照射到光電導體上時，若這個光電導體為本征半導體材料，且光輻射能量又足夠強，光電材料價帶上的電子將被激發到導帶上去，使光導體的電導率變大是指由輻射引起被照射材料電導率改變的一種物理現象，光子作用于光電導材料，形成本征吸收或雜質吸收，產生附加的光生載流子，從而使半導體的電導率發生變化，產生光電導效應。)

二、工作原理

光電探測器的基本工作機理包括三個過程：(1)光生載流子在光照下產生;(2)載流子擴散或漂移形成電流;(3)光電流在放大電路中放大并轉換為電壓信號。當探測器表面有光照射時，如果材料禁帶寬度小于入射光光子的能量即Eg

當光在半導體中傳輸時，光波的能量隨著傳播會逐漸衰減，其原因是光子在半導體中產生了吸收。半導體對光子的吸收zui主要的吸收為本征吸收，本征吸收分為直接躍遷和間接躍遷。通過測試半導體的本征吸收光譜除了可以得到半導體的禁帶寬度等信息外，還可以用來分辨直接帶隙半導體和間接帶隙半導體。本征吸收導致材料的吸收系數通常比較高，由于半導體的能帶結構所以半導體具有連續的吸收譜。從吸收譜可以看出，當本征吸收開始時，半導體的吸收譜有一明顯的吸收邊。但是對于硅材料，由于其是間接帶隙材料，與三五族材料相比躍遷幾率較低，因而只有非常小的吸收系數，同時導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。直接帶隙材料的吸收邊比間接帶隙材料陡峭很多，如圖 畫出了幾種常用半導體材料(如 GaAs、InP、InAs、Si、Ge、GaP 等材料)的入射光波長和光吸收系數、滲透深度的關系。



三、性能指標

光電探測器的性能指標主要由量子效率、響應度、響應速度和本征帶寬、光電流，暗電流和噪聲等指標組成：

1、量子效率：



(wa 表示吸收層的厚度，αs表示光吸收系數，入射波長 λ、材料消光系數 k 決定吸收系數 αs=4πk/λ。)考慮實際情況，入射光在探測器表面會被反射。同時探測器表面存在一定寬度的接觸摻雜區域，其中也會產生光子的消耗，考慮以上兩種因素的量子效率的表達式：






其中 d 表示接觸層厚度，Rf表示光電探測器表面的反射率。反射率與界面的折射率 nsc和吸收層的消光系數 κ 有關，Rf可以表示成下式：



2、響應度

定義為光電探測器產生光電流與入射光功率比，單位通常為 A/W。響應度與量子效率的大小有關，為量子效率的外在體現。 響應度 R ：



IP表示光電探測器產生的光電流，Pr代表入射光功率。則量子效率可變為下式表示：



進而可獲得響應度反應式為：



可知響應度與量子效率成正比，由于硅材料本身為間接帶隙，所以材料的量子效率較低，硅基光電探測器的響應度也較小。

3、響應速度和反應帶寬：

響應速度可以用光生載流子的渡越時間表示，載流子的渡越時間外在的頻率響應的表現就是探測器的帶寬。光生載流子的渡越時間在光生電流變化中表現為兩部分：上升時間和下降時間。通常取上升時間和下降時間中的較大者衡量探測器的響應速度。決定探測器響應速度的因素主要有：

⑴耗盡區載流子渡越時間：載流子的渡越時間是影響探測器響應速度的最重要因素，當耗盡區電場強度達到最大時， Wd 表示載流子的最大漂移速度，W表示耗盡區寬度，那么載流子的渡越時間為：

t=W/Vd

⑵耗盡區外載流子擴散時間：載流子擴散的速度較慢，同時大多數產生于耗盡區之外的載流子的壽命非常短，復合發生速度快。所以擴散運動只對距離耗盡區范圍較近的載流子才能通過擴散運動達到耗盡區中，并在電場中漂移產生光電流。Dc表示載流子的擴散系數，d 表示擴散距離，則擴散時間如下式：



⑶光電二極管耗盡區電容：越大，響應速度就越慢。

為了達到zui 優的探測器的響應速度，需要在探測器的吸收層厚度和光電探測器的面積中折衷。如增大探測器材料的吸收層厚度可以有效減小耗盡區平板電容，同時可增大吸收層厚度可以提高探測器的量子效率。但是吸收層厚度的增加導致耗盡區寬度的變大，是光生載流子渡越時間變長而有可能降低探測器的響應速度。

⑷暗電流和噪聲

光電流指在入射光照射下光電探測器所產生的光生電流，暗電流可以定義為沒有光入射的情況下探測器存在的漏電流。其大小影響著光接收機的靈敏度大小，是探測器的主要指標之一。暗電流主要包括以下幾種：①耗盡區中邊界的少子擴散電流;②載流子的產生-復合電流，通過在加工中消除硅材料的晶格缺陷，可以有效減小載流子的產生-復合電流，通常對于高純度的單晶硅產生-復合電流可以降低到2*1011A/nm2 以下;③表面泄漏電流，在制造工藝結束時，對芯片表面進行鈍化處理，可以將表面漏電流降低到 1011A/nm2量級。當然，暗電流也受探測器工作溫度和偏置電壓的影響。探測器的暗電流與噪聲是分不開的，通常光電探測器的噪聲主要分為暗電流噪聲、散粒噪聲和熱噪聲：a暗電流噪聲：對于一個光電探測器來講，可接收的最小光功率是由探測器的暗電流決定的，所以減小探測器的暗電流能提高光接收機的靈敏度;b散粒噪聲：當探測器接收入射光時，散粒噪聲就產生于光子的產生-復合過程中。由于光生載流子的數量變化規律服從泊松統計分部，所以光生載流子的產生過程存在散粒噪聲;c熱噪聲：由于導體中電子的隨機運動會產生導體兩端電壓的波動，因此就會產生熱噪聲。光電探測器的電路模型中包含的電阻為其熱噪聲的主要來源。

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