半导体探测器第八章的光子由价带跃迁至导带，产生电子-空穴对.激子吸收：处于亚稳状态的电子-空穴组成的激子，吸收入射光子能量而产生电子-空穴对.8.1光电探测器的材料无论是直接带半导体还是间接带半导体，都能制成光电探测器。半导体材料对光辐射的吸收遵从下述指数规律：为入射到半导体上的光功率，()为吸收系数,它是波长的函数。P(x)为体内x位置处的光功率。(1-1/e)，此时的定义d为光子的穿透深度。对于每种材料来说，在其本征吸收边处，有一陡峭的吸收边：直接带材料的吸收系数比间接带材料陡峭得多，这是由于直接带隙中有更高的跃迁速率，因此在同样的光子能量下，吸收系数更大、亦即光穿透深度更小。hc24半导体材料中，如果施加一定的偏置电压，所产生电子-空穴对的多少既与材料本身有关，也与所加电场大小有关。电离率：某种载流子，电子或空穴行进单位长度时所产生的电子和空穴对数目。电子和空穴的电离率分别为和,比值/是对光电探测器的性能的一种度量.如果/很大或者很小，则利用这种材料制成的雪崩二极管的噪声很小，从而使得增益-带宽乘积是大的。
硅中电子和空穴的电离率有明显的差别。8.2探测器结构和工作原理光电探测器的分类依材料分类无论是直接带隙半导体材料还是间接带隙半导体材料，都能够用来制备半导体光电探测器件。Si,Ge,-x/Si0.53Ga0.47Ga1-x0.53Ga0.47As/Al0.52In0.48Ga1-xAs/-xN/GaN10器件结构分类光电二极管PIN光电二极管雪崩光电二极管MSM光电探测器11依内部增益分类有内部增益和无内部增益两大类没有内部增益光电二极管PIN光电二极管MSM光电探测器有内部增益雪崩光电二极管12PD的结构和工作原理13PD由一pn结组成，在入射光作用下，吸收区中产生电子-空穴对。pn结在外加反向偏置电压的作用有一耗尽层，电子和空穴在该区中以漂移速度分别向两端运动，在扩散区中它们则作扩散运动。在外回路上形成光电流，在负载R上产生一定的压降，从而探测出光信号。光电二极管，PD的工作原理的结构和工作原理15由于掺杂浓度低，材料接近本征，在外加反偏置电场作用下，整个i区都为耗尽层。光生载流子在电场作用，会很快地扫过耗尽层而分别到达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得到了提高。
PIN光电二极管的工作原理1617如果耗尽层区的宽度为w，则在距离中吸收的总功率为：进一步考虑光电二极管入射面的反射率，那么入射进半导体的实际功率为p吸收入射光所产生的光电流I则为：式中e为电子电荷，h为光子能量。PIN光电二极管的工作原理PINPD：pi层：区宽得多，通常为5-50μm，具体数据取决于具体的应用。为了简单起见，i-Si区就实际上是本征的。PIN光电二极管的工作原理19边扩散进i区中，在那里复合并消失了，这样就会在p边也有一层很薄的电离层，其施主杂质电离了、带正电，这两个带电的薄层被i层隔开，其厚度为W。。pn结PD的耗尽层中的电场是不均匀的，而PIN结构中耗尽层的电场是均匀的。维持平衡，它阻止i区两边的多数载流子向i层中扩散。PIN光电二极管的工作原理20PIN结构中，两个带电的薄层被一个宽度为W的i层所隔开，构成平板电容器。PIN二极管的结电容，称之为耗尽层结电容为：A为截面面积，为介电常数。W为i层厚度。PINPD的结电容不依赖于外加电压的大小，而由pn结构成的PD的结电容则是有依赖外加电压。PINPD的电容通常在10-12法拉的量级，因此负载电阻为50Ω时，时间常数约为50ps。
PIN光电二极管的工作原理PINPD上加反向偏压时，压降几乎全降在i层上，而在n层中的耗尽层厚度同W相比可忽略不计，反向偏压使其内部压降增至V，其电场还是均匀的。光生电子-空穴对被电场E分隔开，电子和空穴分别向n当光生载流子漂移通过了i层并在外电路中形成光电流，通过负载电阻R就可以检测出电信号。层厚度W可以容许更多的光子被吸收，从而增加量子效率，但会降低响应速度，因为载流子穿过层需要更长的渡越时间。PIN光电二极管的工作原理22穿过i层的渡越时间为：是漂移速度，为了降低渡越时间就需要加大漂移速度，因此需要增大电场E。在高电场下并不是遵循的规律，时，饱和了，其值为10m/s量级。只在低电场下才观测到，高电场下漂移速度饱和了，其10m，载流子以饱和速度漂移时，漂移时间为0.1ns，这比通常的常数还大，因此，PINPD的速率主要是受光生载流子穿越i层所需的时间来限制。PIN光电二极管的工作原理的结构的结构雪崩电离效应p结附近，有一高电场。光生电子和空穴在该区中被加速，获得很高的能如果耗尽层内的场强等于或大于碰撞电离所需最小场强，Si中10V/cm，则光生载流子会去碰撞价带中的束缚电子使它们电离。
新生载流子也会加速，并进一步产生电离载流子。这种现象称为雪崩电离效应。在二极管的击穿电压以下，产生的载流子总数是一定的。在击穿电压以上，产生的载流子的数量则大得多。27APD探测器结构和工作原理APD探测器的结构和电场分布图工作原理拉通型APD“拉通”:反偏压增大到雪崩击穿电压的90-95%时，耗尽层刚好“拉通”到几乎是本征的区。在工作条件下，虽然区比p区宽得多，其电场也比高场区弱得多，但足以使载流子保持一定的漂移速度，在较宽的区内只需短暂的渡越时间。这种将吸收区与倍增区溶为一体、而倍增区与漂移区分开的结构特点，使APD既得到内部增益，又可以得到高的量子效率和响应速度。31拉通型APD的工作原理拉通型雪崩光电二极管是以完全耗尽的方式工作的。光经n+区进入器件，被吸收后产生电子-空穴对，达到pn结处，需要电场的加速，通过倍增机理而发生倍增。在区中，电场使产生的电子-空穴对分开。最终在外面的电路上产生光电流，并在负载电阻上产生电压降。为无倍增时的光电流。的结构–Metal(MSM)–:––ning Yu, , 74, 16, 19 APRIL 1999, pp 2381-2383 Metal–Metal (MSM) 35 MSM光电探测器的结构 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。
MSM光电探测器的主要优点 1，器件结构简单，便于制作。 2，同FET和HEMT等电学器件的制作工艺相容，便 于光电集成。 3，单位面积的电容低。 4，器件的面积相当大，同光纤的耦合效率。 5，如果电极间的间距足够小，带宽可以非常高。 36 MSM光电探测器的不足 暗电流较大 量子效率不高 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。 采用电子束曝光的方法，使电极宽度降至亚微米大小，降低阴影所占的比例，提高量子效率。 37 Top- SiGe/Si RCE 2. , . SiGe/SiMQW two so . 4. . 38 SiGe/Si RCE 99%.2.Back face
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