1990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430072)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.目前所有的转抽换出区区转辆输换合出区区区图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10月4日收到修改稿。中国科学(A辑)1990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It一‘乙一I,,’一矶一石一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LZJI,:~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V《o,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)。Vo:为受光结的开路电压,10(。即oc/盯一l)代表流过结的注人电流.由于它是在开路电压作...
