半导体光电检测器的类型及应用

4.4.3.1 光电导体

光电导体通过改变检测器材料的阻抗/电导率来响应入射光。本征光电导体是实现固态光电检测器最简单的途径,其只是在半导体两端添加了电阻性的接触件（见图4.3a）。在正常温度下,相对来说,极少的电子占据着半导体的导带,造成物质的电导率低。撞击光子产生的电荷载流子提高了电导率。电流用来响应外部电压,穿过器件的电流大小取决于入射光的功率。可检测到的最小光子能量由检测器材料的带隙能量决定。本征光电导体检测器具有良好的均匀性,量子效率通常为60%。光电导体的主要缺点是强噪声和低响应速度。光电导体在图像传感器中并未广泛使用。

4.4.3.2 光敏二极管

光敏二极管（见图4.3b）是CMOS图像传感器中使用最广泛的检测器,可用于检测可见光、近红外线和紫外线的相邻波段。光敏二极管是基于p型和n型半导体结或p型-绝缘层-n型结构（PIN二极管）的。靠近接触区域的自由电荷载流子会相互作用形成一个电场,该电场把光产生的电子—空穴对分开,从而形成耗尽层。高速操作需要快速转变时间,所以耗尽区域应做得狭窄些,但为了量子效率最大化,耗尽层应尽可能地厚,使得大部分入射光子能被吸收。因此设计时要在速度和量子效率之间做出权衡。

光敏二极管可以在三种偏置模式下工作：光敏（高级）模式,光敏导体（二极管）模式和雪崩模式（见图4.4）。作为一个图像检测器,通常工作在反向偏置二极管模式下。通过光敏二极管的电流是扩散（暗）电流I_dark和光电流I_ph的总和。光电流和入射光强度呈线性关系。在近红外（NIR）附近0.8～0.9μm之间的波段,具有抗反射涂层的硅光敏二极管的量子效率接近100%^[517]。

图4.3 半导体器件的横截面

a）光电导体 b）光敏二极管 c）（垂直p-n-p）光敏晶体管 d）光电门

在光敏模式下,二极管没有外部电压供电。在光敏二极管的p-n结里面或附近,大于带隙能量的光子被吸收,p-n结的接触电势形成的电场就会拉动电子—空穴。电子被电场从p型区拉到n型区,空穴则从n型区拉到p型区。由于器件的电荷载流子在空间上被分离,从而产生了一个电压。如果在n型和p型区域之间是电气意义上的连接,那么两区域之间就会形成电流,从而产生了所谓的光电效应。(www.xing528.com)

在雪崩模式下,光敏二极管在雪崩击穿条件下展示了碰撞电离所导致的电流增益效应。也就是说,每个被吸收的光子都会激活大量的电荷载流子。例如,雪崩二极管作为离子检测器应用于高能物理实验或图像处理技术中,比如正电子成像技术（PET）。

4.4.3.3 光敏晶体管

光敏晶体管通常是纵向或横向的n-p-n或p-n-p双极性晶体管结构,其基级—集电极结用来接收光线（见图4.3c）。它被视为内置放大器的光敏二极管,而且电流增益＞1。因为光敏晶体管的高频特性较差,所以很少应用于固态成像系统中。

4.4.3.4 光电门

光电门相当于MOS电容,它可以将冲击光子转换成储存电荷,而不是光电流或电压信号（见图4.3d）。在相应偏置下,电容在门下的耗尽层中积累光生载流子,与光照强度成比例的进行充电。和其他大多数光电检测器不一样,其在曝光期间没有外部光电流流过。光电门是CCD图像传感器中的基本元件,接下来的部分将对其进行介绍。

图4.4 光敏二极管I-V特性曲线