吴光宇论文读书笔记新

用计算机模拟光电探测器性能参数的研究

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

早在19世纪末就已经开始研究半导体中的光电现象，后来砷光得池得到应用，这几乎比晶体管的发明早80年，但当时人们对于半导体还缺乏了解，进展缓慢。30年代开始的对半导体基本物理特性（如能带结构、电子跃迁过程）的研究，特别是对半导体光学性质的研究为半导体光电子器件的发展奠定了物理基础。1962年。R.N.霍尔和M.I.内森研制成功注入型半导体激光器，解决了高效率的光信息载波源，扩展了光电子学的应用范围，光电子器件因而得到迅速发展。

目前，光电子器件的发展影响到社会诸多方面，这些光电器件在工业自动控制、家用电器、少年科技模型和儿童玩具、现代通讯技术、报警以及医学和农业等诸方面均有极其广泛的应用。下一代光通讯系统的主要特征将是智能化、集成化、低成本和高可靠性。自半导体光电子器件研制成功后，由于其具有输入阻抗高，噪声系数小，功耗低，稳定性好等优点，得到了迅猛发展，主导了集成电路和微芯片的命运，成为支撑IT技术进步的驱动力，并朝着更智能、更优化的方向发展。

为了能充分发挥半导体光电子器件的优势和潜力，对器件的结构优化及影响电学特性的因素进行充分和深入的研究，无论在理论上还是在实践上都是有重要意义的。

一、         研究的基本内容，拟解决的主要问题

半导体光电子器件大致分为两类：一类是将电能转变为光能的发光器件;一类是把光能转变为电能的光敏元器件。光电子器件应用具体可以分为三大类：1,、发光二极管和激光器：将电能转换成光辐射的电致发光器件。发光管的发散角大，光谱范围宽，寿命长，可靠性高，调制电路简单，成本低，广泛用于速率不太高、传输距离不太远的通讯系统，以及显示屏和自动控制等。激光器的光谱较窄、发散角小、方向性强、色散小，于1962年研制成功后，得到迅速发展，广泛用于大容量、长距离的光纤通信系统以及光电集成电路。缺点是温度性能差，寿命比LED短。2、光电探测器或光电接收器：通过电子过程探测光信号的器件。即将射到它表面的光信号转换成电信号，如PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）等，目前广泛应用于光纤通信系统。3、太阳电池。将光辐射能转换成电能的器件。1954年应用硅PN结首先研制成太阳电池。它能把阳光以高效率直接转化成电能，以低运行成本提供永久性的电力，并且没有污染，为最清洁的能源。根据其结构不同，其效率可达5%~20%。

随着技术的增长，半导体光电子器件在材料生长、器件工艺、设计制造等方面都有很大的发展。在器件开发中，一是优化和设计半导体的生产工艺，二是设计新的器件，研究器件性能的因素。利用SILVACO公司的工艺模拟模块和器件仿真模块，模拟半导体光电子器件的工艺过程，以得到不同工艺参数下器件的电学性能。通过对结果与理论模型的比较，从工程设计上去研究光电子器件工艺和性能的关系，使其对工艺实践起到一定的参考作用。

三、课题国内外现状

光电子技术是继微电子技术之后近30年来迅猛发展的综合性高新技术。1962年半导体激光器的诞生是近代科学技术史上一个重大事件。经历十多年的初期探索，从70年代后期起，随着半导体光电子器件和硅基光导纤维两大基础元件在原理和制造工艺上的突破，光子技术与电子技术开始结合并形成了具有强大生命力的信息光电子技术和产业。
    光电子技术是一个比较庞大的体系，它包括信息传输，如光纤通信、空间和海底光通信等；信息处理，如计算机光互连、光计算、光交换等；信息获取，如光学传感和遥感、光纤传感等；信息存储，如光盘、全息存储技术等；信息显示，如大屏幕平板显示、激光打印和印刷等。其中信息光电子技术是光电子学领域中最为活跃的分支。在信息技术发展过程中，电子作为信息的载体作出了巨大的贡献。但它也在速率、容量和空间相容性等方面受到严峻的挑战。采用光子作为信息的载体，其响应速度可达到飞秒量级、比电子快三个数量级以上，加之光子的高度并行处理能力，不存在电磁串扰和路径延迟等缺点，使其具有超出电子的信息容量与处理速度的潜力。充分地综合利用电子和光子两大微观信息载体各自的优点，必将大大改善电子通信设备、电子计算机和电子仪器的性能。

半导体激光器特别是室温连续波工作的双异质结激光器出现后,进入了光电子器件范畴,其应用领域也从被动式应用时期进入主动式应用阶段。光通信是光电子学取得的第一个重大成就。光通信具有损耗低、容量大、保密性强和抗电磁干扰的优点，因此它将成为社会生活不可缺少的重要部分。计算机中的相干光存储和激光读出技术是光电子器件另一重要应用。相干光全息存储技术可以提高计算机存储系统的容量。激光读出则可提高信息取出速度。双稳态光学器件的研究引起人们对光计算机的关注。人们有可能在计算机中首先采用信息的光传输技术来提高运算速度，全光计算机也是人们探索的一个方向。

四、研究主要成果

利用半导体光-电子（或电-光子）转换效应制成的各种功能器件。它不同于半导体光器件（如光波导开关、光调制器、光偏转器等）。光器件的设计原理是依据外场对导波光传播方式的改变，它也有别于早期人们袭用的光电器件。后者只是着眼于光能量的接收和转换（如光敏电阻、光电池等）。早期的光电器件只限于被动式的应用，60年代作为相干光载波源的半导体激光器的问世，则使它进入主动式应用阶段，光电子器件组合应用的功能在某些方面（如光通信、光信息处理等）正在扩展电子学难以执行的功能。

由于光电子器件是信息光电子技术应用系统的核心和关键，所以863计划中将光电子器件及其集成技术选为信息领域的四个主题之一，即863－307主题。

经过863计划的支持，光电子主题取得了重大的进展。主要是：关键技术量子阱材料和量子阱器件研制已取得决定性的突破；大功率半导体激光器及其泵浦的固体激光器、掺铒光纤放大器和量子阱、dfb激光器及高速光收发模块等一批重大、重点课题取得重要成果，迈进了成果转化的新阶段；gan基蓝光led和ld、dfb－ld＋ea光子集成组件、gesi／si材料和量子点器件，面发射激光器等致力于技术创新的课题取得显著进展，有些项目，如四方相gan材料及有关电致发光二极管达到国际领先水平，dfb－ld＋ea光子集成器件等达到国际先进水平。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         五、发展趋势

在过去的30年里，世界见证了以III—V族化合物半导体为基础的光电子器件的快速发展。以前工作的重点主要放在搞懂这些器件的理论基础，以及它们在电信网络、光盘（CD）、数据储存器等领域的技术开发上。随着光电子器件在发光、显示、光纤传感器、光纤陀螺仪的研究，光电子器件的发展影响到社会诸多方面，从简单的家用电器、多媒体系统到通讯、计算机和医院设备等。下一代光通讯系统的主要特征将是智能化、集成化、低成本和高可靠性。自半导体光电子器件研制成功后，由于其具有输入阻抗高，噪声系数小，功耗低，稳定性好等优点，得到了迅猛发展，主导了集成电路和微芯片的命运，成为支撑IT技术进步的驱动力，并朝着更智能、更优化的方向发展。

六、存在问题

    光电子器件的可靠性取决于产品的设计与制造工艺，但是由于鉴定光电子器件的可靠性和各个工艺参数下电学性能的稳定性是最近的工作，其背景还比较微弱。为了能充分发挥半导体光电子器件的优势和潜力，对器件的结构优化及影响电学特性的因素进行充分和深入的研究，无论在理论上还是在实践上都是有重要意义的。

    随着技术的增长，半导体光电子器件在材料生长、器件工艺、设计制造等方面都有很大的发展。在器件开发中，两个方面的优化非常重要，一是优化和设计半导体的生产工艺，二是设计新的器件，研究器件性能的因素。通过对实际结果与理论模型的比较，需要从工程设计上去研究光电子器件工艺和性能的关系，使其对工艺实践起到一定的参考作用。

   本文讨论的是受光的照射的平面金属表面上电子的光电场的放大。在隧道系数提高的一个电子吸收了光子及由此增加的电子发射电流进行了评价。对结果的讨论以及可能的应用总结性描述。特别指出, 这种现象可能是一种在光电电流增加模拟晶粒颗粒大小负电位观察增加的解释。

    这个现象和相关的发射电子从金属表面最近吸引了新的兴趣是由于相关的的等离子体和碳纳米管的设备。

本文提出一种新的机制,分析电子发射的金属表面,这似乎并没有已经被提到了或是讨论过。这一机制的基本物理学基础如下:当平面金属表面充电,以高负电位对周围的环境中,电场发射发生的问题在掘进电子通过势能屏障外表面,这种现象是当然称为电场发射。考虑光的频率的发生率低于光电门槛频率/h在平面固体表面,这里是功函数和h是普朗克常数。显然,它不会引起任何光电发射。然而,在相似的方法(如光电发射),摄入的电子撞击表面应该得到他们的正常的能量,通过吸收一个光子的能量而增加。这样的光就会有更高的几率电子隧穿通过带负电荷的表面。因此电场发射应该得到增强光的发生率,甚至当频率低于光电阈值的频率。没有直接的实验证据为假定电子击中表面有一个有限的概率有其正常的能量增强时吸收光子辐射的频率低于阈值。然而,没有理论预测,这个概率是零,虽然它应该是一个函数的频率和减小可能降低频率。以上为频率的辐射吸收门槛,电子产生的光子,但是仍然没有足够的能量去上面的潜在能量障壁确实有一个增强的概率,从而导致额外的隧道中的表面的电子场发射。本文分析这一现象，潜在的能量屏障对应于一个平面的电子带负电荷的金属表面可以表现为

V（x） = 0 for x<0 (inside the metal)

V(x)= V0 ? eFx for 0 < x <a

V(x)= 0 for x a                      ③-1

在V(x)是潜在的能量的电子,证明是高度的能量障壁表面电位电子量，-F是

表面电场，a= V₀ /eF。Ｘ轴沿对表面的法线被选择。由于众所周知，场发射并没有显着依赖于温度，它已被计算为0K。

   按照Fowler的假设，一个引人注目的一小部分电子每单位面积单位时间内的照明表面有其正常的能量（由于以线性动量分量，垂直于表面）由于光子吸收而增强。因此，因此，电子单位时间内从地面发射的电场发射数量占单位面积分别由两部分组成。这并没有吸附在电子，其正常的能量被吸收，由于光子的吸收能量增强。

因此，按照通常的分析，

      n_f0 = [1 ? (4mV₀² ?h³) (g, )        ③-2

其中，

      (g, ) =                  ③-3

 ，，p是电子动量和T（g, ）是隧道系数，已列，EF是材料的费米能量，m是电子质量，而且

                   .                      ③-4

   

图1 依赖于光生隧道的正常能量的电子概率，g= 3，。相应的曲线是：（a），（b），（c），（d），（e），（f）和（g）

该参数可以估算的排放单位面积在单位时间内温度T从一个不带电的平面

上，从数量关系光电子观察

其中  是光电效率， 是材料的功函数，而且

        .                      ③-5

到第一个近似已假定在这里，依赖于。

     该函数表是基于对薛定谔方程的精确解。结果是由F??owler和诺德海姆给出的明显的不同。

从一个普通的电子能量的变化从到+ 对频率为.的光子吸收。这种结果是在薛定谔方程中线性替代V₀。这样可以定义两个新的参数和，

            ③-6

             

和

               ③-7

其中 =1?h/V0. 而且,

          ③-8

这样，在0K是计算出的光电流的大小包括电场发射电流密度

             ③-9

其中，

               ③-10

 是的上限;当 时, , 而且当 时.

图 2 依赖光生电子场发射电流密度， 依于  （  ，.）

对于条件一定时，在0 K表对应的正常能量（吸收一个光子后）电子大于是光电发射

  ③-11

此外，对于条件一定时，没有光致场发射，因为所有的电子，吸收一个光子获得正常的光电子发射。

使用Eqs。 ③-9和③-11的光电诱导场发射电子流，在条件为时，是光电流动比率

             ③-12

图1说明了光生隧道正常能量的量纲电子概率依赖。可以看出，作为减少对正常的能量（吸收光子后）的增加隧道的可能性增加，相关的屏障宽度的减少。图2表明，场发射电流密度的增加而减少。这是一个概率的隧道行为的后果，正如图1所示。图3说明了一个事实，对所选择的参数，在光电领域的光电发射电流的流动比率为20:1的顺序。这是由于比（高能量）中的光电发射的参与对许多更以相对低能量的电子场发射部分。图4和图5说明了光电场发射电流的依赖。

图 3依赖的场发射电子光生比例，随变化的光电电子电流（g=3 ，=0.5）

图 4 光诱导的依赖性量纲场发射电子电流密度，依赖于g （=0.4，=0.5）

阿巴斯等人最近的实验。月球尘埃颗粒模拟得出结论，随着负表面电位光电增产幅度。本文建议的机制可能是部分的意见解释或说明。

提高上有一些报道在文学场发射后，接触到光电流。例如，Sharma等。最近观察到沉积CdTe的场发射钨增强对光线入射的一角。然而，它已被归因于在数量上的电子密度的增加。

图 5 依赖的光生电子场发射电流，光电电子比对依赖于g（=0.4 ，=0.5）

这项调查还关系到在太空尘埃等离子体。场发射在限制尘埃等离子体中粒子的负电位上的重要性已指出斯皮策，斯皮策和Savedoff，门迪斯和迪斯等。对于高密度和电子/尘埃等离子体中的离子和水平低的温度，光照，粒子可能有一个负电荷的场发射的光致足够重要，是重大的，这可能是在土星环的武器的话。光的使用，以提高电子场发射讨论此处可能找到设备的应用。目前的理论并不适用于球形或圆柱面，这已经被 Sodha和他的同事指出了。

光电探测器是一种把光辐射信号转变为电信号的器件，其工作原理是基于光辐射与物质的相互作用所产生的光电效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。半导体光电探测器由于体积小，重量轻，响应速度快，灵敏度高，易于与其它半导体器件集成，是光源的最理想探测器，可广泛用于光通信、信号处理、传感系统和测量系统。最近几年，由于超高速光通信、信号处理、测量和传感系统的需要，需要提高灵敏度的半导体光电探测器。

本论文主要是应用计算机模拟对半导体光电探测器的器件结构和性能参数进行了系统的分析。其中,我们着重分析和研究探测器的性能参数与光谱条件及半导体材料参数之间的关系。标定探测器性能优劣的最重要参数是探测度,而响应度和量子效率是影响探测度的重要参数,我们将通过对材料参数的分析,尽可能提高量子效率。以此给我们的实验工作者一个很好的参考,大大减少实验的次数,提高实验的工作效率。

 光电探测器有广泛的应用，其中包括用作光隔离器中的红外传感器和光纤通讯探测器。对于这些应用，光电探测器在工作的波长范围内必须具有高灵敏度、高的响应速度及低噪声。此外光电探测器应该小型坚实，偏置电压、偏置电流低，在所要求的工作条件下使用可靠。

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，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10⁸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，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。光敏电阻因其成本低而在光亮度控制（如照相自动曝光）中得到采用；光电池是固体光电器件中具有最大光敏面积的器件，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，因而在各种工业控制中获得应用。硅雪崩管由于增益高、响应快、噪声小，因而在激光测距与光纤通信中普遍采用。

　　为了提高传输效率并且无畸变地变换光电信号，光电探测器不仅要和被测信号、光学系统相匹配，而且要和后续的电子线路在特性和工作参数上相匹配，使每个相互连接的器件都处于最佳的工作状态。现将光电探测器件的应用选择要点归纳如下：

　　①光电探测器必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上相匹配。如果测量波长是紫外波段，则选用光电倍增管或专门的紫外光电半导体器件；如果信号是可见光，则可选用光电倍增管、光敏电阻和Si光电器件；如果是红外信号，则选用光敏电阻，近红外选用Si光电器件或光电倍增管。

　　②光电探测器的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。其中首先要注意器件的感光面要和照射光匹配好，因光源必须照到器件的有效位置，如光照位置发生变化，则光电灵敏度将发生变化。如光敏电阻是一个可变电阻，有光照的部分电阻就降低，必须使光线照在两电极间的全部电阻体上，以便有效地利用全部感光面。光电二极管、光电三极管的感光面只是结附近的一个极小的面积，故一般把透镜作为光的入射窗，要把透镜的焦点与感光的灵敏点对准。一般要使入射通量的变化中心处于检测器件光电特性的线性范围内，以确保获得良好的线性输出。对微弱的光信号，器件必须有合适的灵敏度，以确保一定的信噪比和输出足够强的电信号。

　　③光电探测器必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以保证得到没有频率失真的输出波形和良好的时间响应。这种情况主要是选择响应时间短或上限频率高的器件，但在电路上也要注意匹配好动态参数。

　　④光电探测器必须和输入电路在电特性上良好地匹配，以保证有足够大的转换系数、线性范围、信噪比及快速的动态响应等。

⑤为使器件能长期稳定可靠地工作，必须注意选择好器件的规格和使用的环境条件，并且要使器件在额定条件下使用。

2.2 光电探测器的工作原理

    半导体材料能够制成探测器的依据是：它能够吸收光能并把光变为电。半导体材料对光的吸收可分为如下五种机理：本征吸收、激子吸收、晶格振动吸收、杂质吸收和自由载流子吸收^[2]。无论是直接带隙半导体还是间接带隙半导体，都能制成光电探测器。光子能量较大（hv＞Eg）时，将发生本征吸收，而能量大于能带同杂质能级之差（hv＞Ec-E_A或E_D-E_V）时，可观察到杂质吸收、自由载流子吸收。本征吸收、杂质吸收等是半导体吸收光的主要机制，从而构成光电探测器工作的基础。

功率为P_io的光入射到半导体材料内，传输一段距离之后，由于上述吸收过程使得光功率下降，它遵从下述指数规律：

                       (2-1)

式中，P_i(x)为光传输一段距离后在体内x位置处的光功率。式（2-1）表明，入射到半导体材料内的光的功率会随着传输距离的增大而呈指数地衰减，其指数项中的系数α为吸收系数。x=d=1/α处吸收使光功率衰减为原来的e分之一，我们定义此时的d为光的穿透深度。

图2-1示出了Si、Ge、GaAs、In_0.70Ga_0.30As_0.64P_0.36、In_0.53Ga_0.47As等五种材料的光吸收系数α和穿透深度d同波长λ的关系。可以看出，对于每种材料来说，在其本征吸收波长λ_g处，有一陡峭的吸收边：

                       (2-2)

                             (2-3)

也就是说，入射波长比λ_g短时，会发生强烈地吸收，而波长比λ_g长时，材料不吸收其光子，直接带隙材料的吸收系数α比间接带隙材料的α陡峭的多，这是由于直接带隙中有更高的跃迁速度，因此在同样的光子能量下，吸收系数更大，亦即光的穿透深度更小。

    上述分析表明，只要入射光的光子能量E大于半导体材料的禁带宽度Eg，就会发生光学吸收，因此，无论是直接带隙半导体材料（GaAs、InGaAs等）还是间接带隙半导体材料（Si、Ge、SiGe等），都能用来制备半导体光电探测器。半导体光电探测器所探测的波长范围比其禁带宽度对应的波长λ_g长。

正如图2-2（a）所示，光电二极管（PD：Photodiode）由一个pn结组成。在入射光作用下，吸收区中价带中的电子吸收入射光子的能量并跃迁至导带中，产生电子-空穴对，形成自由载流子。pn结在外加反向偏置电压的作用下有一耗尽层，具有一定的电场。自由载流子电子和空穴在电场的作用下会运动，因此它们会在耗尽层中漂移，分别向两端运动，而在扩散区中它们则作扩散运动，最终分别到达光电二极管的两个极，并在外回路上形成光电流，在负载上产生一定压降，从而探测出光信号。这就是光电二极管能够探测光学信号的工作原理。

然而，由于扩散区中载流子的速度较慢，因而光电二极管pn结对光信号的响应速度相当慢，不能适应响应速度快的应用。在此基础上便设计出了PIN结构。所谓PIN结构，就是在p⁺和n⁺之间加进一低掺杂的I区。由于不掺杂或掺杂浓度很低，材料接近本征，外加反向偏置电压时，整个I区都为耗尽层。在耗尽层中的电场作用下，光生载流子（电子和空穴）会很块地扫过耗尽层，并分别到达p⁺区或n⁺区。在外电路上形成光电流，其响应速度也就大大地提高了。

普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。2.3 光电探测器的结构

半导体光电探测器有PD、PIN、APD和MSM等不同结构，及普通的光电二极管、PIN光电二极管、雪崩光电二极管和金属-半导体-金属光电探测器等不同结构。其中PD和MSM光电探测器最容易制造，而且MSM的结构特别适合于那些难于制造pn结的材料，也的确获得了较好的器件特性。然而暗电流较大和量子效率较低的缺点限制了他们的发展和应用^[4]。

    PIN光电二极管的器件结构复杂一些，但它具有很好的器件特性，响应快、暗电流小、频带宽、应用广，是目前用的最多的光电探测器件。PIN光电二极管不具备内部增益，只有探测作用，没有放大作用，现在常常和场效应晶体管（FET）、异质结双极晶体管（HBT）一起构成混合集成光电子电路来共同完成光电探测和信号放大的作用，在光纤通信等实际系统中获得了最广泛的应用。它们也是半导体光电子探测器中品种最多、产值最高的一类。

雪崩光电二极管的最大特点便是它同时兼有探测光学信号和放大电学信号的优点，可以看作是PIN光电二极管和场效应晶体管（FET）的集成，探测灵敏度和效率都足够高，在一些实际系统中获得了一些应用。但是它的制造工艺复杂、噪声比较大，又在某些方面限制了它的应用和发展。

2.3.1 PIN光电二极管结构

PIN光电二极管是一个由p型层、i型层和n型层构成的半导体二极管，具有台面和平面两种器件结构^[5]。它们的主要特点为相对后面谈到的雪崩光电二极管而言，PIN光电二极管的结构简单，制作容易，外加-20V的反向电压就能稳定地工作，并且具有相当好的光电响应、低噪声、宽频带等特性。它在工作时没有增益，因而没有放大的作用。即使如此，它至今依然是光纤通信等应用系统中占有主要地位的器件，常常同FET或HBT一起组合构成混合式的光电集成接收模块。

图2-4示出一个台面InGaAs光电二极管的各层结构和剖面图^[6]。可以看出，它的核心部分为n-InP、吸收层i-InGaAs和p-InP。最下面的半绝缘Si-InP为衬底，支撑整个器件，而最上面的p-In-GaAs为电极层，便于制作p型的欧姆接触电极。

当光波从背面即衬底入射到PIN光电二极管上时，如果InP衬底的带隙Eg大于入射光子能量，入射光就会透过InP衬底进入高纯未掺杂的i-In_0.53Ga_0.47As层，该层的组分x=0.53是经过精心设计和实验验证的，其带隙Eg小于入射光（1.0~1.6μm波段）的光子能量，因而价带电子吸收光子能量跃迁至导带，产生电子-空穴对。该器件工作时加有反向电压，因而在i区产生很强的电场，吸收光子产生的电子和空穴就在该电场的作用下分别扫向n边的电极和p边的电极。若外接回路上接有负载电阻R_L，则光生载流子在外回路上流动形成光电流I_p，流经负载电阻R_L的电压降构成电信号V_p=I_pR_L，从而完成光到电的转换。

预提高响应度，必须尽量改善器件结构，以便提高光电流I_p。从式（2-5）可以看出，人为可变的参数为反射系数R_f、吸收系数α和吸收区厚度w。在半导体表面制作多层介质增透膜，使反射率R_s降至1%以下，相应地，透射率1-R_s增大至于9%以上，因此由于反射所引起的光学损耗大为减少。

第二个可变的量是吸收系数α，它是由材料本身的性质所决定的。提高吸收系数α的首选方法就是针对所用光波波长选择合适的材料，例如在1.3μm、1.55μm波段用In_0.53Ga_0.47As，其吸收系数α高达10⁴cm^-1以上，同时又同InP衬底晶格匹配，因此在光纤通信波段，In_0.53Ga_0.47As/InP是很好的异质结构，非常适合于制造高性能上网光电探测器。吸收区还应该是高纯度和具有完整的晶体结构，以便减少杂质或缺陷引起的损耗。

第三个人工可变的量便是吸收区的厚度w。图2-4所示结构的吸收层i-InGaAs仅为190nm，其两边的缓变带隙层（GBL：graded band gap layer）也仅为6.6nm，是很薄的。由于吸收层很薄，入射光很容易穿过这一层吸收，有一部分光未被吸收就透过了，白白的浪费掉了，这不利于提高电光转换效率。于是人们研制出了端面耦合型光电二极管和谐振腔型光电二极管，前者尽量增大吸收层的长度，后者尽量增加光波在吸收层中来回传输的次数，从而增大光吸收。可以这么说，半导体激光器的一些概念（谐振腔、端面等）被应用到半导体探测器中了。

2.3.2 雪崩光电二极管

雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode）简称为APD，是一种具有内部增益、能将探测到的光电流进行放大的有源器件，这种放大作用可以增加接收机的灵敏度^[7]。

这如图2-3所示，APD同PIN光电二极管不同的是：在PIN的吸收区i层和n⁺层之间，插入了薄薄的p型层，变为n⁺pip的结构。这一新加入的p型层是一雪崩区。图2-3中示出的APD是一个带有保护环的雪崩光电二极管的剖面结构图。可以看出，在这一结构中有一高电场区（i层和n⁺层之间的p型层）。当入射光进入器件内产生光电载流子之后，光生电子或空穴在高电场区中会被电场加速，从而获得足够高的能量，并同价带中的束缚电子相互碰撞，使它们电离，产生新的载流子。这些新的载流子同样受到高电场的作用，获得高的能量，并进一步参与新的电离。载流子的这种倍增机理称之为碰撞电离，由此引起的载流子的倍增现象称之为雪崩效应。正是这种雪崩效应将光生自由载流子的数量放大了，起到了增益的作用^[8]。

图2-4 台面缓变双异质结In_0.53Ga_0.47As/InP PI光电二极管的各层结构和横截面示意图

在图2-3中还有一个n区，它们是通过选择扩散或离子注入的方法制成的保护区，从顶上往下看，是一个圆形的保护环，它将表面漏电流短路掉，不会参与最终的电信号，起到了很好的保护作用。

图2-5示出了几种不同的雪崩光电二极管的原理结构。

图2-5 几种雪崩光电二极管原理结构

2.3.3 MSM光电二极管

MSM是金属-半导体-金属光电探测器的英文缩写（MSM：Metal-Semiconductor-Metal），其结构如图2-6所示^[9]。在半导体上蒸发或电镀上金属电极，构成金属-半导体-金属的结构。当入射光通过电极之间的部分进入半导体内，产生光生载流子，这些自由载流子电子或空穴会分别流向梳状的金属电极，形成光生电流。

图2-6所示的MSM光电探测器是一种平面结构，在其表面上有两组互相错开的电极，它们是在半导体上淀积金属电极而成，构成了背靠背的肖特基二极管。在这些电极之间的半导体表面附近发生光吸收过程。MSM光电探测器的主要优点为^[10]：①器件结构简单，便于制作；②同FET（场效应晶体管）和HEMT（高电子迁移率晶体管）等电学器件的制作工艺相容，便于制作OEIC光电集成电路；③单位面积的电容低，因而器件的面积可以做得相当大，这样能提高器件通光纤的耦合效率，如果没有光电导增益，当电极间的间距足够小时，MSM光电探测器的工作带宽可以非常高。

然而，MSM光电探测器也有一些不足：暗电流较大，量子效率不高，因而限制了MSM光电探测器的广泛应用。由于半导体表面或异质结界面对横向电流的流动有很大的影响，因此MSM光电探测器中常常难于获得很低的暗电流，长波长的MSM光电探测器更是如此。采用异质结结构有助于降低暗电流和提高量子效率。MSM结构中，电极会构成阴影部分，只有那些没有电极遮盖的部分才能接受光照，因而电极会降低量子效率。采用电子束曝光的方法，使电极宽度降至亚微米大小，可以降低阴影所占的比例，提高量子效率。

 

图2-6 MSM光电探测器结构图

下述三个因素决定了MSM光电探测器的响应度：①内量子效率不高；②表面复合会使量子效率降低；③电极的阴影比例决定了外量子效率的最大值。MSM光电探测器的电容小，因而可以在很高频率下工作。

2.4探测器的性能

半导体光电探测器的主要性能为响应度、量子效率、暗电流、噪声、信噪比和频率带宽等。响应度表征探测器将入射光转换为光电流信号的好坏程度；噪声则表征其他因素引起的噪声信号的大小，它会限制整个探测系统达到某一特定误码率时所能允许的最小信号强度；频率带宽表征探测系统能够工作的频率范围，它必须足以容纳应用系统传输信号的速度，通常光电探测器的带宽为系统的传输比特率的1.5倍以上^[11]。

（1）量子效率和响应度  在半导体内部，一个入射光子产生电子-空穴对的概率称之为光电二极管的量子效率，其定义为：

              (2-7)                                        

式中，I_p为光电流；P_oi为入射光在半导体内表面处的光功率；hv为入射光子的能量。实际的光电二极管中，常常用响应度R来表征单位入射光功率所产生的光电流，它等于入射光所产生的光电流除 以入射光的光功率：

                            (2-8)

量子效率η和响应度R是光电探测器的两个重要特性^[12]。图2-7示出了不同材料制成的PIN光电二极管的响应度R同波长的关系。

从该图可以看出：①材料不同的光电二极管具有不同的响应度，在短波段，Si的响应度较高，而在长波段，InGaAs的响应度较高，因此，对不同的探测波段，应该选择合适的材料来制造探测器；②当波长一定时，响应度R为一固定值，它表明量子效率η同入射光功率无关，因而光电流的大小与入射光的功率无关，因而光电流的大小与入射光的光功率P_o成正比，

 

入射光的光功率P_o变化时，探测到的光电流也相应地变化，可以利用这一关系来探测变化多端的光信号；③响应度R同量子效率η成对应的关系，它们是波长λ的函数；④在一定的波长范围内，响应度R同波长λ呈线性关系^[13]。

实际半导体光电二极管中，η在30%~95%之间。为了获得高的量子效率，耗尽层必须足够厚，以便能够吸收大部分的入射光线。然而耗尽层越厚，光生载流子电子和空穴漂移到pn结两端所需的时间越长，载流子的漂移时间决定了光电探测器的响应速率，因此必须在响应效率之间进行折衷选择。

（2）雪崩倍增因子M对于雪崩光电二极管来说，由于雪崩倍增效应的作用，获得了M倍的放大，因而雪崩光电二极管的响应度为：

                            (2-9)

式中，R_o是倍增因子M为1时的响应度。

图2-8示出了Si雪崩光电二极管的倍增因子M同反向偏压V的关系。可以看出，在整个范围内倍增因子M随着反向偏压V的增加而增加；同时，在反向击穿电压V_B附近，倍增因子M急剧增加。对于不同波长来说，波长越短，穿透深度越深，响应地倍增因子M也越大。

（3）暗电流和信噪比  光电二极管中，没有光照时，在半导体内部，由于热电子发射等原因也会产生自由载流子电子和空穴，它们在电场的作用下也会产生电流，这种无光照时在电路上流动的电流称之为暗电流。暗电流是一种噪声信号，我们希望它越小越好。

 光电二极管中，暗电流由本体暗电流i_DB和表面漏电流i_DF两部分组成。前者是光电二极管的pn结中因为热生成的电子和空穴所引起的，后者同表面缺陷、清洁度、偏置电压、表面面积等因素有关^[14]。雪崩光电二极管中，因热释放出来的载流子同样受到pn结出高电场的加速，因而也有倍增作用。雪崩倍增是一种体效应，因此表面漏电流不受雪崩增益的影响。减少表面暗电流的一个有效方法：采用保护环结构，使表面漏电流通过保护环分流，不会流向负载电阻。

光电探测器探测光信号产生光电流的同时，总不可避免地因各种原因产生噪声信号。噪声信号有许多种，对于PIN探测器来说，其主要噪声：①体材料中的暗电流噪声，半导体体内受温度的影响造成的暗电流；②量子噪声（或称散粒噪声），半导体体内因为量子效应引起的量子噪声，是由于光信号入射到光电探测器上时产生和收集电子过程中的统计性质而引起的，它遵从泊松方程；③表面漏电流噪声，探测器的受光面上因为器件结构的问题引起的表面漏电流。