文档介绍：第3章光接收器件及集成技术 光电探测器理论基础光电探测器是指将入射光能量转化为电信号的一类光电子器件。为了探测入射光,人们需要先将光信号转化为与入射光强度成比例的电信号以方便测量。例如,在光纤通信系统中,人们将需要传输的语音图像等数据信息调制成激光信号,激光信号经过光纤传输到达接收端后便由光电探测器将光信号探测出来转化为电信号。电信号再经过接收器电路放大、整形、处理之后就还原到我们需要的语音、图像等数据信息。光电探测器的诞生可追溯到 1873 年,英国的 发现硒( Se )具有光电导效应,即硒的电阻值随入射光强度的增大而减小。同年, Simons 将铂金绕在硒棒上制成了第一个光电池。然而由于人们对光电效应本质缺乏了解致使该领域进展缓慢,直到 1905 年爱因斯坦( Einstein )解释了金属光电效应及普朗克( Planck )引进量子假设解决了黑体辐射问题之后,这一领域才得到飞跃发展。光照射到物体上,或使物体发射电子,或电导率发生变化,或产生电动势,这些都称为光电效应。光电效应有内外之分, 外光电效应发生在表面,光激发的电子离开表面(与电子亲和能、功函数相关)。内光电效应发生在内部,光激发的载流子仍在材料内。半导体中的光吸收主要包括本征吸收、激子吸收、晶格振动吸收、杂质吸收及自由载流子吸收[1]。当入射光能量大于半导体材料禁带宽度时,价带中电子便会被入射光激发,越过禁带跃迁至导带而在价带中留下空穴形成电子-空穴对。这种由于电子在价带和导带的跃迁所形成的吸收过程称为本征吸收。大量实验证明这种价带电子跃迁的本征吸收是半导体中最重要的吸收,也是光电探测器工作的理论基础。爱因斯坦和普朗克的理论使人们认识到光不仅具有波动性也具有粒子性,即波粒二象性。光由光子组成,一束光就是—系列的光子流。光子的引入很好地描述了紫外和红外波段的电磁辐射特性。媒质中光子的速度为 ?(3-1) 式中, 0c 是光在真空中速度, n 是介质折射率。光子可以由它的频率和波长来描述: c???(3-2) 光子的频率在真空和介质中都是一样的,而速度会随介质折射率而变化,因此光在不同介质中的波长是不同的。而光子在真空中的波长是恒定的,所以我们通常用真空中波长来描述激光或者发光二极管光谱特性。内光电效应探测器光电导型光伏型体电导元件 pn 结光电二极管( pn 结) p-i-n 光电二极管( p-i-n ) APD 雪崩光电二极管(APD) 肖特基势垒光电二极管( MSM 叉指) p-n-p, n-p-n 光敏三极管光电管,光电倍增管硅光电池单晶 p-n 结太阳能电池非晶半导体太阳能电池光子也可以用它的能量来描述。即 00hc hc E h ?? ?? ??(3-3) 式中, h是普朗克常数,该式决定了特定禁带宽度的半导体材料所能吸收的光谱极限,例如硅的禁带宽度是 eV ,则由式( 3-3 )计算得 001110 m E ?? ?(3-4) 也就是说硅的光谱吸收极限是 1110nm ,只有波长小于该极限的光才能被硅所吸收。将普朗克常数值及光在真空中速度代入式( J-J )可以得到光吸收极限简单的表达式: 001240 g g hc E E ?? ?(3-5 )※※式中, Eg 为半导体材料禁带宽度,若 Eg 的单位为 e