硅基光电子技术与应用暑期学校

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1、硅基光电子技术与应用暑期学校OpticaldetectionOpticaldetectioninsiliconphotonics王兴军Beijing2012.6.25http://spm.pku.edu.cn/1OliOutlineò光电探测器的基本原理ò光电探测器对光信号的吸收ò光电探测器的基本原理ò光电探测器的特性和结构ò光电探测器的性能参数òPIN光电探测器ò雪崩光电探测器òMSM光电探测器ò硅光电探测器ò锗硅光电探测器òGe/Si材料的基本物理特性òGe材料制备方法ò锗硅波导光电探测器http://spm.pku.edu.cn/2光发射是发光二极管、激光器的基础光吸收是光电探测器的基

2、础本征光吸收、晶格振动吸收、自由载流子光吸收、杂质光吸收、激子光吸收、声子光吸收、双光子吸收、拉曼散射òhv>E本征光吸收g直接跃迁和间接跃迁晶格振动吸收：光频率和晶格振动模式频率相等，光吸收最大。http://spm.pku.edu.cn/3òHv

3、二极管。-Vb耗尽层pnhv自建电场RL电子能量空穴hv导带能量hv价带电子扩散区漂移区空穴扩散区ò光电探测器的基本工作机理包括3个过程：①材料在入射光照射下产生光生载流子；②载流子输运或在电流增益机制下的倍增；③光电流与外围电路之间的相互作用并输出电信号。http://spm.pku.edu.cn/6OliOutlineò光电探测器的基本原理ò光电探测器对光信号的吸收ò光电探测器的基本原理ò光电探测器的特性和结构ò光电探测器的性能参数òPIN光电探测器ò雪崩光电探测器òMSM光电探测器ò硅光电探测器ò锗硅光电探测器òGe/Si材料的基本物理特性òGe材料制备方法ò锗硅波导光电探测器http

4、://spm.pku.edu.cn/7光电探测器的特性和结构ò光电探测器的性能参数ò量子效率：ò响应度：ò灵敏度：ò响应速度：ò响应时间：暗电流：噪声：ò影响光电探测器响应时间的因素主要有：ò①耗尽区外载流子扩散时间t。diffò②耗尽区内载流子的渡越时间t。driftò③光电二极管的RC时间常数t。t=(R+R)CRCRCLsphttp://spm.pku.edu.cn/82.半导体光检测器的特性响应度、量子效率、暗电流、信噪比、带宽ò响应度：表征探测器将入射光转换为光电流信号的好坏程度。ò噪声：表征其他因素引起的噪声信号的大小，它会限制整个探测系统达到某一个特性误码率时所能允许的最小信号

5、强度。ò频率带宽：表征探测系统能够工作的频率范围，必须足以容纳应用系统传输信号的速率，通常光电探测器的带宽为系统的传输比特率的1.5倍以上。http://spm.pku.edu.cn/92.半导体光检测器的特性2.1量子效率和响应度(灵敏度)在半导体内部，一个入射光子产生电子-空穴对的概率：I为光电流；P为入射光在半导体内表面处的光功率poi通常用响应度R表征单位入射光功率产生的光电流1、材料不同——响应度不同2、波长一定——R为为固定值一固定值3、响应度同量子效率呈对应关系，是λ的函数4、在一定波长下，响应度和波长线性关系http://spm.pku.edu.cn/102.半导体光检测器的

6、特性实际η在30%-95%为了获得高量子效率，耗尽层尽量厚，吸收大量的入射光线。但光生载流子电子和空穴漂移到pn结两端所需时间长，响应速率小。http://spm.pku.edu.cn/112.半导体光检测器的特性2.2响应时间（响应速度）(带宽)由入射光转变为光电流所需时间为响应时间。因素：耗尽层中光生载流子的渡越时间耗尽层外的载流子扩散时间RC时间常数，负载电阻和分布电容引起的信号延迟所需需时的时间。频带宽度：http://spm.pku.edu.cn/122.半导体光检测器的特性2.3噪声一个光探测系统噪声包括：与信号光检测过程有关的噪声和与电路有关的电路噪声。ò量子噪声(散粒噪声)：

7、反映单位时间到达光探测器上光子的随机性。光子噪声和光电子噪声：光子的到来是随机的——通常用泊松分布描述；光电子噪声：由于光检测器中的量子效率η小于1，因此单个光子产生光致电子-空穴对的几率为η，不产生的几率为1-η。所以吸收光子产生电子-空穴对的过程是随机的。ò暗电流噪声：没有光照时，由于热电子发射等原因也会产生自由载流子电子和空穴，在电场作用下会产生电流。本体暗电流和表面暗电流。ò增益噪声：APD放大过程的