硅光电二极管光谱响应度的分析.pdf

第2 4 卷第2 期2 0 1 1 年4 月大学物理实验P H Y S I C A LE X P E R I d E N T()FC O L I，E G EV。L2 4N o 2A p r 2 0 1 l文章编号：1 0 0 7 2 9 3 4(2 0 1 i)0 2-0 0 2 5-0 3硅光电二极管光谱响应度的分析张学骜，吴昊，张海良，王飞，贾红辉(国防科学技术大学，湖南长沙4 1 0 0 7 3)摘要：从光电二极管的工作原理出发，对硅光电二极管的光谱响应度进行了论述。分析表明，入射光子的能量、材料的禁带宽度和吸收系数是光谱响应曲线具有波长选择性的主要原因。关键词：硅光电二极管；光谱响应；波长选择性中图分类号：0 4 3 2 1 1文献标志码：A光电二极管是一种典型的光电效应探测器，具有量子噪声低、响应快、使用方便等优点，广泛应用于多种光电器件 1 。光电二极管的基本特性包括灵敏度、光谱响应度、响应时间、噪声等。其中光谱响应度，又称光谱响应率，表征的是光电二极管对不同波长入射辐射的响应，在一定程度上决定了光电二极管的光谱使用范围。根据所采用的物理量不一样，光谱响应度可以分为电压光谱响应度R y(A)和电流光谱响应度R，Q)2。3 。电压光谱响应度R v(又)定义为在波长为A 的单位人射辐射功率P G l)的照射下，光电二极管输出的信号电压y(A)，用公式表示，则为R v(A)一器，同理可得到电流光谱响应度R，(又)的表达式R l=器。由于光电二极管结构、组成的不同，其光谱响应度各不相同，响应范围和峰值波长都有所差异，从而应用的范围也不尽相同。因此，在基础物理实验阶段让学生了解光电二极管结构及原理、熟悉光电二极管的光谱响应度等基本性能很有必要。目前，国内许多高校的大学物理实验和近代物理实验课程都设计和安排了光电二极管的光谱响应度的测量。实验中一般采用热探测器作为基准探测器，利用比较法来测量硅光电二极管的光谱响应度。笔者在讲述该实验的时候发收稿日期：2 0 1 0-1 1-0 6现，学生根据实验步骤很容易得出硅光电二极管的光谱响应曲线，但对于光谱响应曲线的理解存在一定疑问。在和有关老师讨论的时候，在一些问题的认识上也存在分歧。鉴于此，本文将从原理上对硅光电二极管的光谱响应度加以分析，减少对这一问题认识的混淆。光电二极管工作原理光电二极管是基于半导体光伏效应而工作的 3 。在半导体材料中，使导电类型不同的两种材料相接触，形成P N 结。无光照时，反向偏置的P N结只有很小的反向漏电流(暗电流)，形成内建电场。当光照射光电二极管，且光子能量大于P N 结半导体材料的禁带宽度，P N 结各区域中的价电子吸收光能后将挣脱价键的束缚而成为自由电子，与此同时也产生个自由空穴，这些由光照产生的自由电子一空穴对统称为光生载流子。由于内建电场的作用，P 区的光生空穴和N 区的光生电子被P N 结阻挡，不能进入结区。只有P 区的光生电子可扩散到N 区一侧的结边界，N 区的光生空穴可扩散到P 区一侧的结边界。同时结区产生的光生电子一空穴对受结电场的作用而分开，电子移向N区，空穴移向P 区。上述过程使得光生电子和空穴在P N 结势垒区被分开，P 区和N 区各自获得光生正电荷和负电荷，P N 结的势垒高度降低，形成光生电动势，人射的光能就变成了电能。万方数据硅光电二极管光谱响应度的分析2光谱响应曲线的分析课程设计中，一般采用硅光电二极管为实验对象。硅光电二极管是最简单、也最具代表性的光生伏特器件。其他光生伏特器件是在它的基础上为提高某方面的特性而发展起来的。因此，学习硅光电二极管的原理与特性可为学习其他光生伏特器件打下基础。图1 给出了典型的硅光电二极管光谱响应曲线。从图中可以看出，硅光电二极管的光谱特性呈现出明显的波长选择性，与热释电探测器等热探测器的光谱响应特征不同，后者没有波长选择性，其光谱响应曲线是一条平行于z 轴的直线。表明硅光电二极管只对某一波段的光具有响应，有峰值波长和截止波长。典型的硅光电二极管光谱响应长波限约为11 0 0n m，短波限接近于4 0 0n m，峰值波长约为9 0 0n n 2。对此现象，王庆有等 4 解释为硅光电二极管光谱响应长波限受硅材料的禁带宽度的限制，短波限受材料P N 结厚度对光吸收的影响，并认为减薄P N 结的厚度可提高短波限的光谱响应。江文杰等 5 也基于材料对于光的吸收进行了分析，其出发点是光电材料对各波长光辐射的吸收系数不同，入射波长越长，材料的吸收系数越小。在波长较长时，吸收系数小，一部分辐射容易穿透材料，量子效率较低，光谱响应度并不能在长波截止波长处达到理想的最大值；随着波长减小，吸收系数增大，光辐射几乎全部被材料吸收，量子效率将达到峰值，此时光谱响应曲线出现最大值；当波长在减小时，吸收系数进一步增加，靠近材料表面附近光生载流子比较密集，致使电子一空穴对复合增加，内增益减小，从而短波长方向的光谱响应显著下降，甚至无响应。图1 典型的硅光电二极管光谱响应曲线上述解释虽然能够较好地解释硅光电二极管等光子探测器光谱相应曲线的特性，但是还不够全面，尤其没有结合硅光电二极管的工作原理去分析。对于硅光电二极管光谱响应曲线的长波限，多数教材认为是由半导体禁带宽度决定的。课程讲述的时候，简单回顾一下爱因斯坦提出的光电效应和光电效应产生的条件，再结合实验本身进行分析，学生很容易理解。当入射的光波长较小，光子的能量大于半导体的禁带宽度时，才能产生电子一空穴对；相反。光波长较大时，光子的能量小于半导体的禁带宽度，半导体对于光几乎是透明的，因此半导体的光谱响应基本截止在：l G 一1 2 4 E 6 处。对于硅，在3 0 0K 下E 0=1 1 2e V，在波长大于11 0 0n m 时响应趋于最小，这和实验结果比较吻合。根据光电效应产生的条件，在人射光波长小的时候，光子的能量大，直观上此时光子更容易激发产生电子一空穴对，硅光电二极管的光谱响应度应该增加，但是实际的结果却是：达到峰值波长后再减小入射光波长，硅光电二极管的光谱响应反而降低。这让学生有点费解。前面谈到王庆有、江文杰等都将此光谱响应降低归结于材料对不同波长光的吸收系数不同。实际上，这只是一个原因。笔者与有关老师进行了讨论，并查阅了大量文献材料，认为在短波长范围光谱响应降低的原因主要有两个。第一个原因，在进行硅光电二极管光谱响应曲线实验测定过程中，光源的光功率保持不变。由于光子的能量随着波长的降低而增加，所以照在硅光电二极管上的光通量随波长的减少而相应地下降，以保证光功率不变。通俗地讲，入射光的能量一定，但是单个光子的能量增加了，所以能够激发产生电子一空穴对的有效光子数减少了。因此在更短波长处，响应下降可以简单地归结为单位时间吸收的光子数减少。第二个原因与前面提到的材料的光吸收系数有关。P i e r r e t 等 6 在讨论光生载流子产生一复合过程的时候，指出入射光的强度从半导体的表面开始随距离呈指数衰减。对应于光吸收系数倒数的衰减常数，它表示光穿透材料的平均深度。当入射波长减小时，光吸收系数迅速增加，光穿透材料的平均深度降低，表明此时光的吸收越来越接近半导体表面，导致产生的大部分广生载流子位于靠近表面的结的一边。正是由于大量的载流子聚集于表面，在靠近表面处载流子复合速率也相应增大，。，茁篮万方数据硅光电二极管光谱响应度的分析很多光生载流子在扩散到耗尽区之前就复合掉了。总的结果就是随着波长的降低响应不断地下降。3结论从光电二极管的工作原理出发，对硅光电二极管的光谱响应曲线进行了分析，讨论了其具有波长选择性的原因。这种解释同样也可用于其他光子器件光谱响应曲线的分析。从该实验也可以看出，一个看似简单的教学实验实际包含了许多物理原理。虽然实验课程主要是培养学生的动手能力和对物理现象的直观了解，但绝对不是仅仅记录几组数据，更为重要的是让学生通过实验加深对理论课上原理的理解，提高分析问题和解决问题的能力，事半功倍，这样才能达到实验课程的教学目标。参考文献：I-1-1 朱世国，周积骏半导体光电二极管伏安特性的实验测定U-1 物理实验，1 9 9 9，2 0(2)：1 2 1 4 E 2 崔亦飞，王洪涛，张雷硅光电二极管光谱响应率的测量 J 大学物理实验，2 0 0 5，1 8(3)：6 1 6 3 3 王永仲现代军用光学技术 M 北京：科学出版社，2 0 0 3 4 王庆有光电技术 M 北京；电子工业出版社，2 0 0 5 5 江文杰，曾学文，施建华光电技术 M 北京：科学出版社，2 0 0 9 6 美 R o b e r tF P i e r r e t 著半导体器件基础 M 黄如，王漪，王金延，等译北京：电子工业出版社，2 0 0 4 A n a l y s i so nS p e c t r u mR e s p o n s eo fS i l i c o nP h o t o e l e c t r i cD i o d eZ H A N GX u e-a o，W UH a o，Z H A N GH a i l i a n g，W A N GF e i，J I AH o n g-h u i(N a t i o n a lU n i v e r s i t yo fD e f e n s eT e c h n o l o g y，C h a n g s h a4 1 0 0 7 3)A b s t r a c t：B a s e do nt h ep r i n c i p l eo fw o r k，t h es p e c t r u mr e s p o n s eo fs i l i c o np h o t o e l e c t r i cd i o d ew a sd i s c u s s e d,A n a l y s e ss h o wt h a tt h ei n c i d e n tp h o t o ne n e r g y，f o r b i d d e nb a n da n da b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to fm a t e r i a l sa r et h em a j o rr e a s o n st ot h ew a v e l e n g t hs e l e c t i v i t yo ft h es p e c t r u mr e s p o n s e K e yw o r d s：s i l i c o np h o t o e l e c t r i cd i o d e；s p e c t r u mr e s p o n s e；w a v e l e n g t hs e l e c t i v i t y万方数据硅光电二极管光谱响应度的分析硅光电二极管光谱响应度的分析作者：张学骜，吴昊，张海良，王飞，贾红辉，ZHANG Xue-ao，WU Hao，ZHANG Hai-liang，WANG Fei，JIA Hong-hui作者单位：国防科学技术大学,湖南长沙,410073刊名：大学物理实验英文刊名：PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGE年，卷(期)：2011,24(2)参考文献(6条)参考文献(6条)1.朱世国;周积骏 半导体光电二极管伏安特性的实验测定 1999(02)2.崔亦飞;王洪涛;张雷 硅光电二极管光谱响应率的测量期刊论文-大学物理实验 2005(03)3.王永仲 现代军用光学技术 20034.王庆有 光电技术 20055.江文杰;曾学文;施建华 光电技术 20096.Robert F.Pierret;黄如;王漪;王金延 半导体器件基础 2004 本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.宋云 聚焦离子束辐照对MOS晶体管性能影响的研究学位论文20072.研制出新型中红外激光二极管期刊论文-光机电信息2010,27(3)3.刘杰.于常青 PIN管在激光诱导荧光探测中的应用研究会议论文-20044.姚育娟.张正选.姜景和.何宝平.罗尹虹 MOS晶体管中辐照引起的陷阱正电荷的强压退火期刊论文-半导体学报2000,21(4)5.牛宏亮.张云娟.NIU Hong-liang.ZHANG Yun-juan MOS晶体管技术期刊论文-国外电子元器件2008,16(7)6.赵梦恋 高温MOS器件的特性研究与模拟学位论文20017.吕亮.林延东 硅光电二极管角度特性的测量会议论文-20098.申爽.唐祯安.李彤.SHEN Shuang.TANG Zhen-an.LI Tong 基于自适应噪声抵消的光电二极管阵列检测器期刊论文-光电子激光2006,17(5)9.樊洁.颜昌翔.FAN Jie.YAN Chang-xiang 便携式分光测色仪电路设计期刊论文-仪表技术与传感器2011(5)10.叶险峰.汤伟中.YE Xian-feng.TANG Wei-zhong 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