半导体光电探测器：技术原理与应用

1.半导体光电探测器的基本原理

光电探测器是利用光与物质相互作用的物理效应将光辐射信号转换为电信号,再通过电信号的测量,实现对光辐射信号探测的器件。

光电探测器的物理效应主要分为三类:光电效应、光热效应和波相互作用效应。其中,光电效应是入射光子与物质中电子直接作用,改变电子运动状态,从而产生载流子的效应;光热效应是入射光子能量被固体晶格振动吸收,引起固体温度的改变,最终导致固体电学性质改变的效应;波相互作用效应是光与某些敏感材料相互作用产生的一些参量效应,如非线性光学效应和超导量子效应。本书中涉及的半导体光电探测器利用的是光电效应,而且是内光电效应,即发生在半导体内部的光电转化现象,主要包括光电导效应和光伏效应。

半导体光电探测器根据器件工作的物理过程主要可分为光电导型探测器和光伏型探测器。光电导型探测器的原理是在均匀半导体材料吸收入射光子后,材料中产生附加的自由电子和空穴(光生载流子),使半导体的电导率发生变化,如图3.3.1所示。在均匀半导体薄膜的两端淀积欧姆接触电极,便构成了最简单的光电导型探测器。当两个电极间施加适当偏置电压后,电极间收集的电流便随着光照强度的变化而改变。光电导探测器的优点是具有内部增益、微弱信号探测能力强,但暗电流较大、响应速度慢和易受温度等因素影响。

图3.3.1　光电导型光电探测器原理图

光伏型探测器是基于半导体结(包括pn结、肖特基结)结构将光能转换为电能的一种探测器。当入射光照射到半导体pn结(或肖特基结)的耗尽区产生本征吸收时,导带中产生的光生电子和价带中的光生空穴在内建电场的作用下被分离,分别被两个电极收集(图3.3.2所示的是以pn结光伏型探测器为例说明其工作原理的示意)。若电极间开路,则形成光生伏特电压;若电极间短路,则形成光生电流。光伏性探测器一般具有暗电流小、噪声低、响应速度快、线性好、受温度影响小等优点,但弱光探测能力和光谱响应范围比不上光电导型探测器。

2.半导体光电探测器的主要性能参数

(1)光电响应度。光电响应度定义为单位入射光功率下探测器的输出响应信号。若输出信号为电流,则响应度R I可表示为

式中,P in是入射光功率;I s表示信号电流,I s=I ph-I dark,其中,I ph为光照下的电流,I dark为暗室条件下的电流。

图3.3.2　pn结光伏性探测器工作原理图

若输出信号是电压,则响应度可表示为

式中,V s表示信号电压,V s=V ph-V dark,其中,V ph为光照下的电压,V dark为暗室条件下的电压。

(2)光谱响应特性。光电探测器一般都具有一定的光谱响应范围,对于大部分依靠本征吸收的半导体光电探测器,只有光子能量大于半导体禁带宽度的入射光才能激发出电子-空穴对,从而产生电信号。因此,探测器通常存在能够响应的最长的波长极限,此极限称为长波极限,可由式(3.3.3)计算:

式中,h是普朗克常数,c是光速,E g是半导体禁带宽度。(www.xing528.com)

一般用探测器响应度随入射光波长的变化曲线来表征其光谱响应特性。

(3)量子效率。光电探测器的量子效率也可分为外量子效率和内量子效率。外量子效率表示入射到探测器的单个光子所能产生的光电子数目,可表示为

式中,e为电子电荷量,hν是光子能量。

入射到光电探测器的光子不一定能够被全部吸收,内量子效率定义为被探测器吸收的单个光子所能产生的光电子数目,若用P ab表示被探测器吸收的光功率,则内量子效率可以表示为

(4)暗电流。在暗室条件下,在一定偏置工作电压下,探测器件电流被称为暗电流。一般来说,暗电流小的器件稳定性好、噪声小、信号检测能力更强。

(5)探测度和比探测率。探测度是衡量光电探测器弱光信号探测能力的一个重要指标,通常用等效噪声功率NEP的倒数来定义探测度D,即

式中,NEP表示探测器输出信号与噪声相等时所对应的入射光功率,可表示为

或

在式(3.3.7)和式(3.3.8)中,I n、V n分别为电流噪声和电压噪声的均方根值。

由于I n、V n除了与探测器材料、结构、偏置条件等因素有关以外,还和探测器的光敏面积和测量带宽有关。理论和实验表明,噪声与光敏面面积A的平方根成正比,也与测量带宽Δf的平方根成正比。因此,为了消除光敏面面积和测量带宽对探测度的影响,可以将噪声对面积和带宽进行归一化,得到归一化的探测度D*为

D*又称为比探测率,是常用的衡量探测器弱光探测能力的指标。

(6)响应时间。响应时间表征的是光电探测器对入射光信号的反应速度。当入射光功率突然发生变化时(如开始或停止照射),探测器的输出不能及时地跟随输入信号的变化,总有一定的延迟,常用时间常数τ来表示。