间接耦合光电探测器.pdf

19 90年斗月第4期荃砰辑阎A申间 接 祸合 光 电探测器何民才陈炳若黄启俊刘国友(武汉大学物理系,武汉430 0 7 2)摘要本文提 出了间接祸合光电探测的新概念,找到并分析了两种工作模式的结型间接锅合光电探测器.实验结果表明,这是一类性能优异的光电探测器件.最后讨论了结型间接祸合光电探测器的实际意义和研究前景.关镇词;光电探测器,间接辊合己l生,J二二J任何一种光电探测器都具有光电转换和光电信号输出(或放大后输出)两 种功 能.这 些功能是由探测器中的不同部位完成的.我们把两个不同部位分别叫做光电转换区(简称转换区)和光电信号输出区(简称输出区).两个区域之间的关系可以逻辑地分为如图1所示的直接藕合与间接藕合两大类.图1(a)所示 的直接 藕合是指 转换区 和输出区 彼此并接在一起,转换区提供 的信号电流全部流进输出区 然后被输出.比如通常的光电二极管中,接受人 射光 的大面积PN结(以下简称 受光 结)是转换区,输出区 则由N区和尸区的两个欧姆接触点代表.再如普通光 电三极管,集 电结的大部分面积起转换区作用,发射 结及 与之相对 的那部分集电结一起则代表输出区.目前所有的转转转转转抽抽换换换换出出区区区区区区区转转转转转辆辆辆辆输输换换换换合合合出出区区区区区区区区区区区图1直接藕合(二)和间接藕合(b)光电探测的方 块示意图光电探测器皆属 于直接 藕合这一类.所 谓间接 藕合光电探测则要求在转换区 与输出区之间插人一个如 图1(b)所示 的祸合区,一方面 把转换区和输出区分开,另一方面又要把转换区提供的信号电流藕合到输出区.显然,藕合区不可 能把转换区 的 电信号全部藕合到输出区,因此需要定义藕合系数这个重要参数.设转换区提供 的信号电流为I,通过 藕合区后流进输出区 的电流为I。,藕合系数则 定义 为(1)l,8,年1 0月4日收到修改稿。中国科学(A辑)19 90年间接藕合光电探测器 的 藕合系数 是小 于1的.当然,直接 藕合光电探测 器 也可 以看成韧合系数等于1的特殊间接 祸合光电探测器.于是可 以写 出所有光 电探测器 光谱灵敏度 的统一形式S,若夕,(2)口是I t一乙一I,一矶一一石一W,一一w,是单 色人射功率,I,是探测 器实 际输出的光电信 号电流,S:为 转换区 的光谱灵敏度,输 出区 的放大系数。间接藕合光电探测 虽在实 际的藕合过程中使转换区 获得的光电信号电流 不 能全部输 出,但增 加了探测器 自身的 选择 性和可控性,从而提 高了探测器 的性能.选择性最突 出的结 果 是提高 了光电探测 器的信噪比.间接 藕 合光电三 极管与普 通光电三极管(共用同一个受 光结)的对比 实验表 明,前者的光一暗 电流比 约为后者的一百倍,意味着前者的信噪比要大大优于 后者山.这个结果很容易理解:输出区能够收 集受光 结的部分 光 电信号 电流进行充分放大后输出,但因输出结面积 比受光结 小很 多而 大大降低 了暗电流,从 而提高了光电探测 器 的信噪比.藕合区 的 出现为光电探测 器 自身可控创造 了条件.后面将要论述的 内调制光电探测器便是最好的例 子.通过对 藕合区藕合系数 的交 变调 制,能 将入 射到探 测器 上的恒 定(或缓慢变化)的光直接 转化 为交流输出电流,从而 大大提高 了探测 器的信噪比 和便于 后级 处理.这种探侧 器可 以替代斩波器 和普通光电探侧 器 组成 的测量系统,因而 极大地简化 了测试条件,扩 大了探测微光的应 用范 围,使之能够进 人 环境检测、医疗检查 等许多新的 应用领域.二、两种工作模式的结型间接祸合光电探测器描述pN结光 电特性的基 本公式 是位移近似LZ JI,:I,。一I。(e“KT一1).(3),:是PN结输出的光 电信号电 流,I:。为 短路电流,即上节中转换区提供的信号电流I:.1。是受光 结的反向饱和电流,v为跨接在尸滓结上 的 电压(外加或 光生 的电压),q,K和T有 如通常含义.如上节所述,若在PN结的尸区和N区 分别欧姆接出外引线,便是直接藕合的光 电二 极管。这种器件常工作于反向偏压,即Vo,于是有11:一了,。+I。.(4)可以看出,这种探测器 能把受光结提供的信号 电流I,。全部输出,但输出的信号中也含有反向饱和 电流I。(暗电流).为 了接收足够的光通量,受光结 的面积 不宜过小.要想 获得较好的量子效率,常采用 电阻率较高的 衬底材料.两者都会导致受光结 暗电流的增加,致 使探测 器的信噪比 降低。1.少数载流子注人 的结型间接祸合光电探测器让(3)式中 的I:0,即受光结 处于开路,于是有I,c一I。(。qv。“T一1)一0,(5)。V o:为受光结的 开路电压,1 0(。即o c/盯一l)代表流过 结的注 人 电流.由 于它是在开路电压作用下产生的注人 电流,所以它实质上是光生少 数载流子的电流,其大小与短路电流相 等但方向弟4期何民才等:间接藕合光电探测器相 反.若抽取这种部分注人 电流作为 输 出的光电信号,则 在受 光结 和输 出区之间便 插进了一个少数载流 子的扩 散区,从而 实现了间接藕合的 光电探测.用这种模式做成 的光 电探测器 叫做少数载流子注人结 型间接 藕合光 电探测器,简称 注人 光 电探测器或注人 光敏器件图2所示结 构是这种探测 器的基本形 式之一,称为少数载流子 纵向注 人间接祸合光电探气测器(简称 纵向注 人光 电探测器).靠近表 面的大面积PN结是受 光结,直角 曲尺形 小 面积pN结 构成 输出区,简称 输 出结.两个PN结之间有一宽度为甲,的藕合区.受光结处 于开路状态,输出结在反向偏压下 工作.暗 条件下,受光 结处于热平 衡状态.输出结面积 很十图2纵向注入光电探测器小,因而只有很小 的反 向饱和 电流.光照下,受光 结上 的开路电压 使大 量的空 穴从P:区注 人N区并 向深处扩 散.当部 分空 穴扩 散到输出结势垒区 的附近 时,将被扫 进PZ区形成输出的光电信号电流.对于图2所示 结构,受光 结的少数载流子注 人电流分成 了两部分:一部分是可供输出结抽取的注 人电流 形,流过 的面积 为A;另一部 分则 是流过面积(A一A)的 注人 电流I,A是受 光结的面积.那 么(5)式应改写成I:一I一I;一I,。一(A一A)J。(eq夕二“K T一l)一才J一。,(6)J。是(A一A)面内受 光结 的反 向饱和电流密度,J 是流 过A 面的 注人电流密度.V二是受光 结 的开路电压,右上角加“产表示 与(5)式中的开路电压有所不 同.电流了:稠合到输出区 的过程类似于尸Np晶体管共基 极的放大.受光 结是这个晶体管的 发射结,藕合区 是基区,输出结为集电结.假 定A 比 W孟大很多,则 可用一维模 型计算.P:区 的杂质浓度通 常比衬底高很 多,因而可以忽略注人电流中的电子电流分量.假定祸合区空穴的 扩散长度又比 W。大得多,那么I;和 石 分别可 以近似写成 3、矛于、.产曰了n凡U/砚、了、二(A一A尸令笋(“二“了一,二A 四三矍Wb(。q V二“K T一l),D,和L,分别是藕合区空 穴的 扩散 系数和扩散长度,p言是它的 平衡 浓度.于是可 以算出祸合系数-儿_石101,。刃ia i,(9)其中_石._乙刀奋一万-一二,丁一书I“I十If中国抖学A辑)t9 9 0(A一A)W-(10)1十乙pA,乙p叫做注人分配比,表示 可供抽取的注人 电流在 总 注人电流中所 占的比例。实际中常有A A,上式还 可简 化甲一A L一A+,占刃亩一(1 1(11)式 的物理 意义十分明显.在开 路电压砚二的作用下,受光结 面上处 处都有注人电流,所以注人 电流的大小是 和流过 的面积成 正 比的.只有 流过A 面 的注 人电 流才可以被抽取,因此A/A 比 值强烈地影响藕合系数,反映 了分配注人 电流的竞争局面.w,/L,则表现出另一种竞争过程.空穴的注人 电流 密度 与它在N区的 浓度梯度成正比.A 面面对 祸合区,空穴浓度梯度 与W,成反比一而A面 对应N区的 空穴浓度梯度则与乙,成 反比。由于L尸W;,所以通过 A 的空 穴电流密度比 流过A面 的大很多.究竟流 过那个面的空穴电流大,取决于上述两个竞争过 程的 综合结果.(,式中的另一因子a;一分是尸“尸晶 体管共 基 极放 大系数,代表实际抽出的 电流在 可供抽取注人电流中所占的比 例.在忽略电子注 入电流 和 详,L,的条件下,有.。,二;一土(世,、2Lp/(1 2)所以注 人光 电探测器 的藕合系数为11,1/W。g一!1一一飞万,A伴。LZLp几月(13)、,J.,、.户了A乙于是找到 了这种 光电探测器 稠合系数与 器件参数之间关系,为器件设计提供了理论 根据.2.多数载流子扩散的结型间接祸合 光电探测器除 了少数载流 子注 人工作模式 的间接 祸合光电探测 器外,还可以采用多数载流 子扩 散的图3Mos扩散光电探测器模式设 计 另外一种间接藕合光电 探测器.图3示 出了一个典型结 构.在P型硅单晶(或外延片)的衬底 上,通过 扩散 或离子注 人形成两个相 邻的PN结.左边大面积PN结 是受光 结,右边小 面积PN结则是输出结,它也是工作在 反向偏压下.两个结之间做一个MOs结构.若在 金属栅上加一个相对于 衬底的正电压,使硅 表面出现弱反型,于是这个MOs结 构便成 了藕合区.va nover stra eten等 人,指出,在 弱 反型条件下,沟道中多数 载流 子主要靠扩 散运动,因 此这个器件也就叫做MOS场效应 多数载流 子扩散间接藕合光电探测器(简称MOS扩 散光 电探测器).这里需要特别强调,反 型层只能是微弱 的.否则,两个尸N结将被强 反型 的沟道所短路,藕合区的作羽消失,器件将变成直接藕合光 电探测 器.由于受 光结的N区未与衬底欧 姆短路相连,外第4期何民才等:间接祸合光电探测器加偏 压的 方式 及载 流子运 动机制也都不 同于普 通Mo s晶体管,于是我们叫这 个弱反 型层为通道,以便与MOS晶体 管正常工作状 态下 的 沟道相区别。为了正确理解MOs扩散光 电探测 器工作的物理过程,首先作出了它的能带图如图4所示.暗条件下(图4(a),受光结基本上 处于热平衡状态,Ferm i能级(图中虚 线)将水平地 通过受光 结与通道 的连接处 继续 向右延 伸.从通道 的右端起,在输出结反 向偏压的 影响下,电 子准费米能 级将与衬底Fermi能级分开并迅速下 降,最后 与输出结N区中的 电子准F。:mi能级重合在一起.由于输 出结面 积很小,只有很小 的反向饱和电流(暗电流).光 照下,受光 结收集光生 载流子产生开路电压,从而使这 里N区中电子 的准Fe rmi能 级(图4(b)中虚 线)将比衬底Ferm i能级(点线)高 出宁V忿。,V忿,是受 光结的开路电压.升高后的 电 子准Fe rmi能级水平地通过受 光结 与通道连 接处,然 后向右平滑地下 降.到了通道 的右端,它的走向与暗条件下的情况图4MoS扩散光电探测器能带 图(a)暗条件,(b)光照T)基本相同.电子准Fe rm i能级 的变化 趋势,反映 了通道中电子的流动状况.忽略通道内的空 穴电流 和垂直于它 的电子电流,则流 经它的电子 电流密度(以电流 实际流动方向为正)可 以写为L6)J.q产.nE,+q D。甲n一qD,?心,(13)J,是通道内的 电子电流 密度.产.和D。分别代表通 道 中电 子的迁移 率和扩散系数,。是电子浓度,E,是 通道内沿y方 向的 电场强度,亡为以衬底Fe rm i能级为零点的归一化 的 电子准F er mi能势.于是流过通 道的总电流是,一,。,李沙二,JO口y(1 4)B为通 道宽度,x;为,一,的x值,;是电子 的本征浓度.积分限仅取至x,因为超过。的 电子 浓度可 以略去不计.从y一。至L积分(14)式d y月勺1d火一如气nd川dy产dXn d一黔兰:l:列竿!:箭一夕D。BL宁 V d/K T一,“急产KT(1 5)L是通道的长度,V为加在输出结上 的偏压.通常都认 为准结 的势垒区,因此推 导中假 定a歹/即与x无关是合理 的.Fermi能 级水 平地通 过场 感应为 了进一步算出(15)式,需要找到n与二的关系式.类似于文献7 的计算,可 以得到中国科学(A辑)1 99 0年D.BC才KTe“,qL亡2“r(。“F怂c,:一夕V d/KT、-C少一I。(。,“:“Kr一。一,“K r),:,和脚分别是 以禁带中心为零点 的归一化 的表面势和衬底的Fe rmi势电容,其表示 式为(16)C为表面耗尽层Csto亡“l/2ZL(“,一1),其中八J且、,J/6,oKT2宁Zn i为本征半导体德拜长度,8:和。分别代表半导体的 相对电容率和真空电容率.V常有数伏特,(1 6)式还可简化I一I。“毖“K7.(17)从(17)式 可 以看出,输出结的光 电流 除了与人射到受光 结上的 光照强度(通过开路电压V已表示)有关外,还强烈地受到 栅电压(通 过表 面势“,表 示)的影响.实 验完全 证实 了这点.实验样品 与图4所示结 构稍有 不 同.第一,我 们是在N型硅衬 底上 分别做的受光结和输出结,所以电压极性及电流方向正 好与 图4所示的 相反;第二,为 了获得较 大光电流,输出区是.有放大系数近百倍的N尸N三极管.图,r妇0006 8,通,二4 02 0 0 08 06 0V。一l。工xg004,山-?.0一6.0一5.0一4.0一3Q示 出 了辐照度为lxlo一,w/mZ。8 70 nm),输 出三极管偏压为6V下的光电流一栅压 特性.可 以看 出,当栅 压 大于一4.,v时,光电流为一小的饱 和值,这个电流是与栅压无关的输出三 极管本身 的光电流。栅压小于一6V伏后,也出现一个与栅压无关的大 的饱 和光电流,这是 通道强反 型的 结果。这时,受光 结的p区 与输出三极管 的基区被强反型层连通而变成普通光 电三极管。在一定光强下,受光结收集的光 电流已全部流人三极管放大,因此 出现与栅 压无关的饱和。但当栅 压在一4.5v和一6 v之间变化时,栅压对输出光 电流 的影 响十分显著,变化幅度 达到近场(玛十倍。在一5.5V附近的 变化率最大.这图,MO s扩散光电三极管光电流一栅压特性个区间对 应于我们所说的 弱反型情况,受光结收集的 光电流 只有部分流经通道而被输出三极管放大.(17)式中的I相当于(9)式中的儿.由于忽略了通道 内电子 电流的损失,I也相当于.通常又有。q V乱 l,于 是可 以得出类似于(0)式的方程第4期何民才等:间接祸合光电探测器竺I;。v悠产一(I孟+I。)e+IJ。eqV:“K。V巴洲KT式是受光结在 通道 未形成时的 反向饱和电流.合系数于是很容易写 出MOS(18)扩 散光 电探侧 器 的藕I,1七J一一下-一一_,:_,I,:l一I。/I。(1 9)这里同样也反映了可供输出电流 与受光 结正向无用电流之间的 竞争.综上所述,可 以得出结型间接藕合光电探测器 的下 列共同点:(l)作为转换区 的受光 结处于 开路 状态,暗条 件下 它基 本上 处于热平衡;(2)光照下 受光 结收集光生 少数载流 子生成一个正向开路电压;(3)开路 电压提供 了输出的电流石,石既可 以是少数载流 子的注 人电流,也可以是多数载流 子的 扩散电流;(4)受光 结中 同时也存在着无用的正向电流乙;(5)可供输出 电流经 过藕合区时一般 都有损失,所以实 际输出 的光 电信号流此通常比鱿小.根据 这些 共 同点,可 以作出结型间 藕接合光电探测器 的一般模 型如图6所示.它的光谱灵敏度相应改为辆辆辆辆辆辆洲洲卜卜卜卜输输口口口口出出区区区区区区区二二二二二月一.邪.邪一I,.I,cw eW,一一.玛一W,一一S55矛夸s夕才,其中拥合系数(20);,一且一五I,I,叫正向电流分配比.图6结型间接祸合光电探测器模型一,a,(2 1)(2 2)(23)一 I,c.儿一一一一一叫 传输系数.(2 4)月一.儿一一肠仍叫放大系数.各符号 的右下角或右 上角加与”是为 了标明它们属于结型间接藕合光电探测器 的符号。I,几和形仍然满 足位移近似I:I i+石.(25)三、讨论鉴于注 人光 敏器件结构 能显著提高光电探测器 的信噪比,因而已研制出灵敏度很高,可以探 测微弱光 的硅光敏器件r a l.在光照度为0.ILx时,能够输出数毫安至数十 毫安的光 电流,达到部分代替光 电倍增管,而暗电流仍然很小.此外,这种结构还可以大幅度提高光电探侧器的生 产成品率,从而降低了生产成本.们8中国科学(A辑)1 9,0年多数载流 子扩散间接藕合光电探测器除了保持信 噪比高的优点外,如引言中所述,还 可 以用来制 造内调 制 光电探测 器.从图5的光电流一栅压特性 明显看出,只要在一5.5 v直 流栅压 上叠加 幅值小于Iv的交流 电压,则在输出的光电信号中必然有一形状类似交流电压 的交流成分.下面将从 分析的角度,导出交流光电信号电流的表示式.(19)式可 以改写成下 列形式:了。z互(绮)I,(26)上 式突出了藕合系数是表面势的函数这点.表面势是可 以通过栅 压调制的.设栅压为v:+甲h i功,几是直流栅压,攀:是调制栅压振幅,口是调制角频率,为时间.只要“:足够 小,在t,处 展开成Taylor级数,仅取一次项,藕合系数变为夸=杏。+夸奋,51。t,氛。为栅压V,下 的藕合系数,易 是V:处藕合系数对栅压的导数.是得 到交变的光 电信号 电流(2 7)把(27)式代人(2 6)式,于i。一i一I,万几,:sinot.(2 8)图,内调制光电探测器输出信号波形(28)式指出,只要 固定V:和。,f。的幅值与乙。呈 正比 变化,即是说,这是可 以用来测量光的强度的.我们把这种探测器就叫做内调制光电探测 器.图7示出 了这样一只样管输出的波形.实验中,v一5.4v,:一7 0mv,频率为50 0Hz.样管的负载电 阻 为20 k口,照片纵坐标刻度是1 0m V/格.对 应于两个不同幅度的 照度分别为ZLx和SLx.图7表明,调 制电压为正弦波时,这种探测器输出的光 电信号 是很好的正弦波.间接藕合光电探测是个意义十分广泛的概念,包含极其丰富的内容.例如光 电转换区不仅限于pN结,亦可以是异质结和肖特 基结.再如藕合的模 式,除 了上面详细 讨论过的 两种外,热电子发射很可能 又是一种.输出区 也有二极管、三极管、达林顿管或集成电路 等多种形式.此外,一种工作模 式的 结构也多 种多样.比如PN结能实现少数载流 子的 注入,异质结、Ml s和MS亦能注 人少数载流子.除 了MOs场效应 结构外,结 型场效 应和静电感 应结构都能实现多数载流子的扩散.因此,间接藕合光 电探测的模式和结构具有多样性和灵活性.使它不仅适合于元素半导体,亦可用于化合物半导体材料.这样,除了能做成从紫外到红外的各具特色的光 电探测器外,也 可能在集成光学领域发挥其作用.萝第吨期何民才等:间接藕合光电探测器43,参考文献何民才等,红外研究,7A(19 8 8),1 4 5.Panko v e,J.,OPtie alPr o e 君s s e s三丹S脚io.d“cr口r s,Pr entio e一Hall,Middlebrook,R,D.,A招I移,r od“c布10 月,oJ“ncrio oTr a n,i,:o r丁h君or夕,York,1957,1 34.宋南辛、徐义刚,晶体管原 理,国防工业出版社,l,83,1 01.Vanovertraeten,R.J.,Deele r ck,G.&Br oux,G.L.,I EE ETr口”s,1150Pao,H.C.&Sah,C.T.,SolidSrar,E I口ctrooie,9(196 6),927.亢宝位,场效应晶体管理论基础,科学出版社,1,8 5,2 51,何民才、黄启俊、陈炳若,半导体学报,(198 8),5斗0.Ine.,9 71,304.JohnWiley趾Sons,Ine.,NewIJIJ.IJ.,曰月jr.r.0 移E I口;r“移D,ic“,ED一z 0(19 73),.J1.J1.J户0118一.r 省r忍