实验二 半导体光电检测器参数测量 一、实验目的：
了解半导体光电检测器件的物理基础；
了解PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)的工作原理和有关特性； 把握半导体光电检测器件特性参数的测量方法；
二、实验原理：
光检测器的作用是把接收到的光信号转换成相应的电信号。由于从光纤中传过来的光信号一样是专门柔弱的，因此对光检测器提出了专门高的要求：第一，在系统的工作波长上要有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，光检测器能输出尽可能大的光电流；第二，响应速度快，频带宽；第三，噪声小；第四，线性好，保真度高；第五，体积小，使用寿命长。 满足上述要求、适合于光纤通信系统使用的光检测器要紧有半导体PIN光电二极管、雪崩光电二极管、光电晶体管等。
1. 半导体PN结的光电效应
半导体光检测器的核心是PN结的光电效应，PN结光电二极管是最简单的半导体光检测器。
图1：PN结光电二极管
(a) PN结 (b) 能带图 (c) PN结外电路构成回路
图1(a)所示是一个未加电压的PN结，它是一个由不可移动的带正、负电荷的离子组成的耗尽层，或称作势垒区。当以适当波长的光照耀PN结时，P型和N型半导体材料将吸取光能。如果光子能量hf≥Ke时，则光子将被吸取，使价带中的电子受激跃迁到导带中，而在价带中留下空穴，如图1(b)所示。这一过程称为光吸取。因光照耀而在导带和价带中产生的电子和空穴称为光生载流子。
产生在耗尽层的光生载流子在内建场的作用下作漂移运动：空穴向P区方向运动；电子向N区方向运动，它们在PN结的边缘被收集。另外，耗尽层外的光生少数载流子会发生扩散运动：P区中的光生电子向N区扩散；N区中的光生空穴向P区扩散。在扩散的同时，一部分光生少数载流子将被多数载流子复合掉。由于这些区域的电场专门小，甚至能够称为无场区，光生少数载流子在这些区域扩散速率较慢，只有小部分能扩散到耗尽层，继而在内建场的作用下分不快速漂移到对方区域。如此，在P区就显现了过剩空穴的积存，N区显现了过剩电子的积存，因此在耗尽层的两侧就产生了一个极性如图1(c)所示的光生电动势。这一现象称为光生伏特效应。产生于耗尽层的电子和空穴也要产生光生伏特效应。基于这一效应，如果将PN结的外电路构成回路，则外电路中会显现信号电流。这种由光照耀激发的电流称为光电流。
照耀到半导体材料上的光，由于材料的吸取等缘故使光随着深入材料的深度的增加而逐步减弱。半导体内部距入射表面d处的光功率为
P(d)=P(0)exp(-αd)
式中：P(0)为照耀到材料表面的平均光功率；α为半导体材料的光吸取系数，α决定了入射光深入材料内部的深度，如果α专门大，则光子只能进入半导体表面的薄层中。吸取入射光子并产生光生载流子的区域称为光吸取区；耗尽层及其两侧宽度为载流子扩散长度的区域称为作用区。在吸取区产生的光生少数载流子只有一部分进入作用区，这一部分光生载流子以较慢的速度扩散至耗尽层，进入耗尽层后在内建电场作用下作快速漂移运动，从而产生光生伏特效应。由于在作用区内，光生少数载流子的扩散速度较慢，从而阻碍了产生光生伏特效应的速度，导致PN结对光信号响应速度减慢。如果输入的光信号为光脉冲；则输出的光电脉冲会产生较长的拖尾。
由上述分析可见，光在耗尽层外被吸取使得光电转换效率降低、光电响应速度变慢。为此，必须设法加宽耗尽层，使照耀光子尽可能被耗尽层吸取。给PN结加负偏压有助于加宽耗尽层。负偏压在势垒区产生的电场与内建场方向一致，使势垒区电场增强，加大了漂移运动，而且N区的电子
向正电极运动并被中和，P区的空穴向负电极运动并被中和，如此耗尽层被加宽。
除了加负偏压的方法外，还能够通过减小P区和N区的厚度来减小载流子的扩散时刻、减少在P区和N区被吸取的光能以及降低半导体的掺杂浓度来加宽耗尽层的方法来提升器件的响应速度。这种结构确实是常用的PIN光电二极管。
PIN光电二极管
图2：PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布
图2是PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布。在高掺杂P型和N型半导体之间生长一层本征半导体材料或低掺杂半导体材料，称为I层。在半导体PN结中，掺杂浓度和耗尽层宽度有如下关系：
LP/LN=DN/DP
其中：DP和DN 分不为P区和N区的掺杂浓度；LP和LN分不为P区和N区的耗尽层的宽度。在PIN中，如关于P层和I层(低掺杂N型半导体)形成的PN结，由于I层近于本征半导体，有
DN< 即在I层中形成专门宽的耗尽层。由于I层有较高的电阻，因此电压差不多上降落在该区，使得耗尽层宽度W能够得到加宽，同时能够通过操纵I层的厚度来改变。关于高掺杂的N型薄层，产生于其中的光生载流子将专门快被复合掉，因此这一层仅是为了减少接触电阻而加的附加层。 要使入射光功率有效地转换成光电流，第一必须使入射光能在耗尽层内被吸取，这要求耗尽层宽度W足够宽。然而随着W的增大，在耗尽层的载流子渡越时刻τcr也会增大，τcr与W的关系为 τcr=W/v 式中：v为载流子的平均漂移速度。由于τcr 增大，PIN的响应速度将会下降。因此耗尽层宽度W需在响应速度和量子效率之间进行优化。 如采纳类似于半导体激光器中的双异质结构，则PIN的性能能够大为改善。在这种设计中，P区、N区和I区的带隙能量的选择，使得光吸取只发生在I区，完全排除了扩散电流的阻碍。在光纤通信系统的应用中，常采纳InGaAs材料制成I区和InP材料制成P区及N区的PIN光电二极管，图3为它的结构。InP材料的带隙为1.35eV，大于InGaAs的带隙，关于波长在1.3～1.6um范畴的光是透亮的，而InGaAs的I区对1.3～1.6um的光表现为较强的吸取，几微米的宽度就能够获得较高响应度。在器件的受光面一样要镀增透膜以减弱光在端面上的反射。InGaAs的光探测器一样用于1.3um和1.55um的光纤通信系统中。 图3：InGaAs PIN光电二极管的结构 PIN光电二极管的要紧特性包括波长响应范畴、响应度、量子效率、响应速度、线性饱和、击穿电压和暗电流等。 从光电二极管的工作原理能够明白，只有当光子能量hf大于半导体材料的禁带宽度Eg才能产生光电效应，即 hf>Eg 因此关于不同的半导体材料，均存在着相应的下限频率fc或上限波长λc，λc亦称为光电二极管的截止波长。只有入射光的波长小于λc时，光电二极管才能产生光电效应。Si-PIN的截止波长为1.06um，故可用于0.85um的短波长光检测；Ge-PIN和InGaAs-PIN的截止波长为1.7um，因此它们可用于1.3um、1.55um的长波长光检测。 当入射光波长远远小于截止波长时，光电转换效率会大大下降。因此，PIN光电二极管是对一定波长范畴内的入射光进行光电转换，这一波长范畴确实是PIN光电二极管的波长响应范畴。 响应度和量子效率表征了二极管的光电转换效率。响应度R定义为 R=IP/Pin 其中：Pin 为入射到光电二极管上的光功率；IP 为在该入射功率下光电二极管产生的光电流。R的单位为A／W。 量子效率η定义为 η=光电转换产生的有效电子-空穴对数/入射光子数 =(IP/q)/(Pin/hf) = R(hf/q) 响应速度是光电二极管的一个重要参数。响应速度通常用响应时刻来表示。响应时刻为光电二极管对矩形光脉冲的响应——电脉冲的上升或下降时刻。响应速度要紧受光生载流子的扩散时刻、光生载流子通过耗尽层的渡越时刻及其结电容的阻碍。 光电二极管的线性饱和指的是它有一定的功率检测范畴，当入射功率太强时，光电流和光功率将不成正比，从而产生非线性失真。PIN光电二极管有专门宽的线性工作区，当入射光功率低于mW量级时，器件可不能发生饱和。 无光照时，PIN作为一种PN结器件，在反向偏压下也有反向电流流过，这一电流称为PIN光电二极管的暗电流。它要紧由PN结内热效应产生的电子一空穴对形成。当偏置电压增大时，暗电流增大。当反偏压增大到一定值时，暗电流激增，发生了反向击穿(即为非破坏性的雪崩击穿，如果现在不能尽快散热，就会变为破坏性的齐纳击穿)。发生反向击穿的电压值称为反向击穿电压。Si-PIN的典型击穿电压值为100多伏。PIN工作时的反向偏置都远离击穿电压，一样为10～30V。 3. 雪崩光电二极管
光纤通信与光电子技术实验指导书
