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第3章 光接收器件及集成技术 3.1 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W.Smith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，是光在真空中速度，是介质折射率。光子可以由它的频率和波长来描述： (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。 光子也可以用它的能量来描述。即 (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1.12 eV，则由式（3-3）计算得 (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： (3-5) ※※ 式中，Eg为半导体材料禁带宽度，若Eg的单位为eV（电子伏），则相应的波长单位为nm。 如式（3－5）所示光电探测器的工作过程为：当入射光波长小于气即对应入射光子能量大于半导体材料禁带宽度时，光子被吸收而产生的电子－空穴对在外电场作用下向正负两极运动，这样就在外电路上形成光电流，光电流流过负载电阻产生压降，从而探测出光信号。为了表征不同半导体材料对不同波长光吸收的强弱，我们引入吸收系数a： (3-6) 为入射光强度，P（x）为体内x处光强度，当x＝d=时，，定义d为光子穿透深度。（光强在半导体中呈指数衰减）。吸收系数a=a（λ）是波长的函数，它强烈依赖于波长，当入射光波长小于时，吸收系数随波长的减小而迅速增大。 图1 不同半导体材料的光吸收系数与波长的关系曲线 图1所示出了不同半导体材料的光吸收系数与波长的关系曲线图。由图可见对于GaAs和InP等直接带隙半导体材料，其吸收系数曲线具有陡峭的吸收边，在可见光区域吸收系数很大（对应的穿透深度只有400～700 nm），适合作为高速、高响应度光电探测器。对于Si这样的间接带隙材料，其吸收边较平缓，吸收峰值波长为1.1 μm，与式（3-4）计算的结果相吻合，适合工作在可见光和近红外波段。由于硅的吸收系数较小，在可见光波段吸收系数要比GaAs和InP小一到两个数量级，因此需要很宽的耗尽区来吸收光生载流子。虽然硅的光吸收特性不是最好，但它是极为重要、经济并且已经广泛使用的半导体材料，因此研究硅光电子器件及硅基光电集成电路是有重要意义的。对于窄带隙的Ge（0.67 eV），它具有很宽的波长吸收范围，覆盖了光通信中1.3μm低色散和1.55μm低损耗两个窗口波长，因此适合作为光通信探测器。人们通常往Si中掺锗形成SiGe/Si异质结以拓展Si的