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半导体光检测器
湖北大学物理学与电子科学学院
半导体光电探测
• 为了探测一个光信号，我们必须将光信号中的光
子转换为电子，形成一个电流或者电压信号，然
后通过电子设备对电信号放大，最后得到接收信
号。
• 当光吸收是电子直接跃迁导致时，往往会有很强
烈的吸收效应 ,直接带隙半导体的吸收系数比间接
带隙吸收系数大两个数量级。
• Si, Ge是间接带隙半导体，但这并不意味着它们不
能应用在探测器中。
为了探测到光信号，光必须被吸收，既然探测器
材料的吸收系数不是无穷大，那么样品要具备一
定的厚度来比较完全的吸收光。如果样品厚度为𝐿
那么被吸收的入射光为1 − 𝑒𝑥𝑝 −𝛼𝐿
对于强吸收，必须有𝐿 >
1
𝛼
如果用Si去吸收GaAs激光发射的光（1.45eV），
Si的厚度需要10-20微米
如果用Ge探测器，则其厚度只需要1微米。
在知道半导体的吸收系数之后，还需要知道电子空穴对的
产生率。如果入射光强为𝑃𝑜𝑝 (0)
光强单位W/cm2，在位置𝑥处的光强为
𝑃𝑜𝑝 𝑥 = 𝑃𝑜𝑝 0 exp(−𝛼𝑥)
那么每秒每单位面积在厚度𝑑𝑥处吸收的能量
𝑃𝑜𝑝 𝑥 − 𝑃𝑜𝑝 𝑥 + 𝑑𝑥 = 𝑃𝑜𝑝 0 exp −𝛼𝑥 − exp −𝛼 𝑥 + 𝑑𝑥
= 𝑃𝑜𝑝 0 exp −𝛼𝑥 𝛼𝑑𝑥
= 𝑃𝑜𝑝 (𝑥)𝛼𝑑𝑥
那么每单位体积吸收的能量
𝑃𝑜𝑝 (𝑥)𝛼𝑑𝑥
= 𝑃𝑜𝑝 (𝑥)𝛼
𝑑𝑥
如果吸收能量ℏ𝜔产生一对电子空穴对
𝛼𝑃𝑜𝑝 (𝑥)
𝐺𝐿 =
= 𝛼𝐽𝑝ℎ (𝑥)
ℏ𝜔
这里 𝐽𝑝ℎ 是位置𝑥处的光子流密度，单位（cm-2s-1）。
由于吸收产生的电子空穴对也会再次复合，从而对电流的
贡献率为0，因此，要定义一个响应率
𝑅𝑝ℎ =
𝐼𝐿 /𝐴
𝐽𝐿
=
𝑃𝑜𝑝
𝑃𝑜𝑝
光强单位W/cm2，
这里𝐼𝐿 是光生电流，𝐴是器件的面积， 𝐽𝐿 是光电
流密度。
/𝑒
ℏ𝜔
探测器的量子效率： 𝑛𝑄 = 𝑃 𝐽𝐿/ℏ𝜔
= 𝑅𝑝ℎ
𝑒
𝑜𝑝
提高量子效率是设计探测器最重要的问题。
探测器的响应率是入射光波长的函数，
如果入射光波长大于截止波长，光子就不会被
吸收，也不会有光电流产生。
当波长小于截止波长，光子能量将比带隙能量
值大，多余的能量将会转化为声子的能量，因
此随着波长的减小，响应率将开始下降。
【例题】入射到GaAs探测器上的光强为10W/cm2，
波长为0.75um， GaAs吸收系数为7 ∙ 103 𝑐𝑚−1 , 计
算温度为300K时，电子空穴的产生率。如果电子
空穴的复合时间为10-9s，计算非平衡载流子的密度。
光探测器的材料
• 半导体的光电探测取决于半导体材料对光
子的吸收并产生有效的非平衡载流子。
• 几乎所有的半导体，包括间接带隙半导体
都可以对一定波长范围的光产生响应。
• 半导体探测器材料的选择要受到衬底材料
与适用范围两个主要因素的制约
衬底材料
• 半导体工艺中，能够做衬底材料的半导体比较少
• Si, Ge, GaAs, InP
• 可以用来做光探测的材料非常受限，因为他们必
须与衬底材料具有可比拟的晶格常数。
• 晶格失配的外延层也可以生产出来，位错也仅仅
只在外延层和衬底界面间存在，但这种工艺生长
的材料的可靠性较差。
• 三元，四元化合物半导体可以通过改变各元材料
的百分比来调节其带隙，然而又保持晶格在一个
较小的范围内变化，因此得到广泛的应用，典型
的化合物包括AlGaAs, InGaP等。
应用（一）：远程通信
远程通信光网络工作的波长为1.55微米和1.3微米，这个主
要是由光纤的传输特性所决定。显然GaAs是不能用在远程
通信上的，他的截止波长为0.8微米。
合金半导体例如: InGaAs, InGaAsP,等可以工作在这个波段
，既然他们的带隙小于这个波段光子的能量。最广泛应用
的远程通信光探测器为In0.53Ga0.47As，其生长在InP的衬底
材料上。
除了合金半导体，Ge也广泛应用在远程通信网络中，它主
要是用来实现雪崩光电探测管来获得增益放大。
应用（二）接入网与高速探测器
接入网一般传输距离只有数公里，工作在0.8微米波段，
GaAs可以为这个波段提供光源，同时也可以作为光探测器
材料。但一般而言，Si探测器是这个波段最通用的。
在高速探测器往往要求载流子的复合时间极短，从而可以
及时响应入射光信号的变化。
GaAs载流子的寿命为1纳秒，原则上，其最高的工作频率
为1GHz，目前通过各种工艺，已经可以将其载流子寿命降
低到1皮秒，从而实现工作频率到1THz。这种工艺采用低
温外延生产技术，由于衬底的温度低，形成的薄膜会有较
多的缺陷。这些缺陷将导致非辐射复合，从而降低了总体
载流子的寿命。
半导体其它光吸收机制
当半导体材料受到光照射时，除了光子能量大于Eg
的光被本征吸收并产生电子-空穴对。半导体对光
的吸收机理还有：
• 激子吸收；
• 自由载流子吸收；
• 杂质吸收；
• 晶格振动吸收。
• 半导体光检测器的工作原理通常包括3个物
理过程：
– 吸收入射光子能量，产生载流子（电子-空穴对）
– 载流子穿过吸收区或渡越区，实现光生载流子
的输运，这一过程可以产生增益或不产生增益；
– 光生载流子被收集而形成光电流并通过外电路。
• 半导体光检测器可以分成4类：
– 光电导型、pn结型、pin型和APD。