Transcript 下載/瀏覽
光檢測器之發展現況 組員:林嘉偉 494L0006 吳鎮琪 494L0044 Outline 1.何謂光檢測器!? 2.常用的光檢測器之半導體元件介紹: (a)光導體(photoconductor) (b)p-n感光二極體(p-n photodiode) (c)p-i-n感光二極體(p-i-n photodiode) (d)累崩式光二極體(avalanche photodiode) (e)異質接面光二極體(Heterojunctionphotodiode) 3.參考資料 1.何謂光檢測器!? 光檢測器為一種能將光的信號轉換為電信 號的半導體元件。 光信號 光檢測器 電信號 光子 (Ep) 能隙(Eg) 電子 (ip) 光檢測器重要參數 截止波長: 波長越長的光子，光 能量越小，若小於能 隙，光子不為偵測器 所吸收，而此波長稱 為截止波長。 本質半導體的截止波 1.24 長為 c Eg 量子效率: 入射光子所產生之電 子電洞對與入射光子 數的比值。 Ne 量子效率 Np Ne----電子電洞數 Np----入射光子數 2.常用的光檢測器之半導體元件介紹 a.光導體(photoconductor) 光導體包含一個簡單的半導體 塊材，塊材兩端具有歐姆接 觸，當入射光照到半導體表 面時，會產生電子電洞對 (EHP)，導致傳導係數的增加， 光電流Iph隨之增加。 本質型光導體之傳導係數為 σ=q(nμn+pμp) 圖1.光導體結構示意圖 圖2.光導體檢測器 元件圖 一個吸收的光子會產生一個EHP，由於電子的漂 移比電洞快，所以很快就離開了半導體，為了 維持半導體電中性，就必須有另一個電子進入 半導體，並且不斷進行著，直到電洞到達負極 與進入半導體的電子復合才會停止。 光導體之缺點 光導體利用材料在照光時導電係數 變化之特性，當光的強度很小的時 候，導電係數變化很小，效果不好， 而且對光子的定量分析也不是很準 確。 元件的響應速度受限於載子的復合 時間τ。 b.p-n感光二極體(photodiode) 當光子照射到二極體空乏區， 所產生之電子電洞對受到的 電力相反，致使電子電洞分 開，因而形成光電流，外界 再接一個電流放大器即可準 確量測光電流，電流大小和 吸收的光子數目成正比。 光二極體偵測器的靈敏度遠 較光導體高。 光二極體材料的選擇須使光 子大於能隙Eg。 圖3.光二極體偵測器原理示意圖 圖4.光二極體檢測 器元件圖 p-n感光二極體之缺點 接面或空乏層電容不小，受RC時間常數 的限制，使其無法在高調變頻率做光檢 測。 空乏區寬度很薄，在長波長時，穿透深 度大於空乏區寬度，大部份的光子在空 乏區之外被吸收，沒有電場來分離電子 電洞對。 c.p-i-n感光二極體(p-n photodiode) 為了擴大空乏區寬度，在p型 與n型區間加入一層很寬的本 質層，其中沒有載子，所以 電阻很高，因此外加負電壓 幾乎跨於此層兩端，產生很 大的內部電場。 當光照射時，光子落在i層的 機率較高，i層吸收光子產生 電子電洞對，並藉由內部電 場分離輸出，因此量子效率 比p-n感光二極體高，反應速 度也較快(內部電場高)。 圖5.p-i-n感光二極 體結構圖 p-i-n感光二極體之缺點 由於空乏區加寬，且供應之負偏壓不能 太大，光子漂移時間增長，影響了響應 速度。 產生之光電流微弱，使用上還必須利用 電路對其進行多次放大，不可避免的就 是引進了放大器雜訊。 d.累崩式光二極體(avalanche photodiode) APD光二極體是在結構中的P-N接面 上加入很高的反向偏壓，在n+p接面 形成很大電場。 光子吸收和產生主要發生在寬的π 層，這裡接近均勻的電場會把電子 電洞對分離，並已接近飽和速度將 電子和電洞分別往n+和p-漂移。 當漂移電子到達p層時會有較大的電 場作用，得到足夠的動能去撞擊一 電離某些共價鍵而釋放電子電洞對。 在這個區域也會被加速到足夠的動 能，進而產生撞擊一電離而釋放更 多的電子電洞對，導致撞擊電離過 程的累崩。 圖6.累崩式光二極體結構圖 π 圖7.外加逆向偏壓載子移動示意圖 e.異質接面光二極體(Heterojunction photodiode) 主要設計在1.3~1.55µm的通信上， 可分為累崩區和吸收區 ，其中 InP比InGaAs有較寬能隙，大部 分空乏層存在於N-InP層，此層 將產生載子累增放大的作用。 圖8.異質接面光二極體結構圖 為 了 產 生 電 子 電 洞 對 在 InP 和 InGaAs層能帶結構之反應機制， 藉由異質結構所產生之傳導帶能 量差Ec，使電子沿著傳導帶到右 側n+區域形成光電流，電洞卻因 價帶能量差Ev而較難移動至p+區 域。 圖9.操作逆偏之電子電洞 移動機制示意圖 改善方法 使用漸變型InGaAs層成長在InP基板上，如此可克服 電洞因Ev差比較難到達左側p+區域 光子 電極 漸變 電極 圖10.漸變型異質接面 累崩式光二極體結構圖 累崩層 緩衝磊晶層 吸收層 圖11.使用InGaAsP漸變層 來改善電洞移動路徑 3.參考資料 光電子學-原理、元件與應用，林螢光編著，金華圖書股份有限公司印行 光電子學，陳光鑫、林振華編著，金華圖書股份有限公司印行 光電元件導論，劉博文編著，金威圖書有限公司印行 光偵測器Photodetector，明新科大電子工程系呂明峰副教授(PPT) http://www.cqinc.com.tw/grandsoft/cm/110/axt.htm