跳到正文
半导体开放世界

光电导体

Photoconductor也称 光电导探测器、Photoconductive detector

借光生产生改变半导体电导，并在偏置下读出电流的探测器。

进阶出处 2 本教材
报告问题

速览

约 1 分钟

借光生产生改变半导体电导，并在偏置下读出电流的探测器。

系统理解

约 2 分钟

入射光增加载流子浓度，寿命决定它们能维持多久，电极间渡越时间决定寿命内可以完成多少电荷输运。光电导增益由接触和偏置维持的输运产生，不是APD的碰撞电离。长寿命有利于低频增益，却会造成响应拖尾与带宽下降。

在普通光电二极管与载流子输运之后，比较不同内部增益机制及其速度、噪声代价。

关键参数

关键参数
参数单位含义
有效寿命τs过剩载流子复合的时间尺度
电极间距Lm偏置输运的主要漂移距离
光电导增益g—输出光电流相对初级光生电流的倍数

常见误区

  • 高增益不等于高带宽
  • 杂质光激发不受整个带隙阈值的同一限制
  • 光电导增益不是雪崩倍增

工程深入

12 条结论 · 1 道例题

结构与光激发

定义

光电导体通过光生载流子改变有偏置的导电通道

光电导探测器通常把欧姆接触接在半导体两端，照光增加可参与输运的载流子数量，外加电场把电导变化变为电流信号；其基本信号机制不要求先形成PN结。12

成立条件 讨论欧姆接触、加偏置读出的光电导器件；不把所有带肖特基接触或光伏输出的两端器件都归为同一模型

定义

本征与杂质光激发对应不同跃迁能量

本征光电导主要由带间激发产生载流子；杂质光电导可利用禁带内能级与能带之间的跃迁，因此不必把探测阈值一律等同于材料整个带隙。12

成立条件 区分跃迁的初态和终态；杂质态占据和热激发会影响可用响应

产生复合与稳态

公式

恒定照明下过剩载流子由产生率和寿命共同决定

在均匀照明、单一有效寿命的稳态模型中，产生与复合平衡，使过剩载流子浓度等于单位体积产生率乘以寿命。这里的浓度是光生过剩部分，不能直接替换任意掺杂浓度。12

Δn=Gτ\Delta n=G\tau
Δn = Gτ
Δn
过剩载流子浓度，单位 m⁻³
G
有效单位体积光生产生率，单位 m⁻³·s⁻¹
τ
有效复合寿命，单位 s

成立条件 稳态、均匀有效产生与体积平均模型；单一有效复合寿命；忽略空间不均匀和高注入非线性

边界

体积平均产生率需要明确光吸收假设

把入射光子率乘以有效量子产额后再除以敏感体积，可以估计体积平均产生率；这一步已把反射、未吸收光和有效产生比例合入产额，不能同时又把所有入射光当作完全吸收重复计算。12

成立条件 均匀有效体积平均模型；η在此表示每个入射光子产生的有效载流子对数，与结型探测器外收集效率应按上下文区分

增益从哪里来

机制

光电导增益来自寿命内的外电路载流子补给

当光生载流子存活时间长于电极间渡越时间时，偏置电源与欧姆接触可在该寿命内维持多次电荷输运，因此收集电荷可大于一次光生产生的电荷。它不是雪崩碰撞电离倍增。12

成立条件 欧姆接触能够补给载流子；增益模型需要相应复合寿命和输运条件，不能脱离偏置电源谈能量放大

公式

电子主导模型的增益是寿命与渡越时间之比

在电子迁移率远高于空穴、均匀电场和线性漂移的近似下，光电导增益等于有效寿命与电子渡越时间之比，也可写成迁移率、寿命、电场与电极间距的组合。12

g≈τtr=μnτELg\approx\frac{\tau}{t_r}=\frac{\mu_n\tau E}{L}
g ≈ τ/tr = μnτE/L
g
光电导电流增益
τ
有效复合寿命，单位 s
tr
电子渡越时间，单位 s
μn
电子迁移率，单位 m²/(V·s)
E
均匀外加电场大小，单位 V/m
L
电极间距，单位 m

成立条件 μn远大于μp，电子贡献主导；均匀场，vd = μnE；低场迁移率近似；不计空间电荷、接触限制及寿命随注入变化

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学假设：电子主导光电导体，电极间距10 μm、迁移率0.10 m²/(V·s)、场强1.0×10⁴ V/m、有效寿命1.0 μs，估计增益与寿命限制带宽。

已知

  1. L = 10 μm；μn = 0.10 m²/(V·s)
  2. E = 1.0×10⁴ V/m；τ = 1.0 μs
  3. 均匀低场线性漂移、单寿命；数值为教学假设

步骤

  1. vd = μnE = 0.10×1.0×10⁴ = 1.0×10³ m/s，用线性漂移近似计算电子漂移速度。
  2. tr = L/vd = (10×10⁻⁶)/(1.0×10³) = 1.0×10⁻⁸ s = 10 ns，电极间距除以漂移速度得到电子渡越时间。
  3. g ≈ τ/tr = (1.0×10⁻⁶)/(1.0×10⁻⁸) = 1.0×10²，有效寿命比电子渡越时间长约100倍。
  4. f₃dB = 1/(2πτ) ≈ 1.6×10⁵ Hz，由单寿命的一阶幅频响应得到寿命限制3 dB频率。
结果 理想光电导增益约1.0×10²，寿命限制带宽约1.6×10⁵ Hz。

寿命较长有利于增益，却把可跟踪的调制频率降下来。

不能外推到 不含RC、接触、陷阱分布和高场非线性；不代表任意材料或型号的性能。

边界

缩短电极间距提高增益的趋势有条件

在电子主导的固定场模型中，缩短电极间距可缩短渡越时间并提高寿命/渡越时间比；但继续增大电场或减小间距会遇到高场、击穿、接触和空间电荷限制，不能把低场公式无限外推。1

成立条件 比较时明确固定场还是固定电压；该趋势只在原迁移率和寿命假设仍适用时成立

动态响应与代价

公式

单寿命模型的关光衰减不是瞬时归零

关掉照明后，单一线性复合寿命模型中的过剩载流子按指数衰减；对应光电流也会留下同一时间尺度的拖尾。复杂陷阱系统不一定只有一个指数。1

Δn(t)=Δn(0)exp⁡(−t/τ)\Delta n(t)=\Delta n(0)\exp(-t/\tau)
Δn(t) = Δn(0) exp(−t/τ)
Δn(t)
关光后时刻t的过剩载流子浓度，单位 m⁻³
Δn(0)
关光瞬间过剩载流子浓度，单位 m⁻³
t
关光后时间，单位 s
τ
有效复合寿命，单位 s

成立条件 关光后无持续产生；单一、恒定有效寿命；线性复合近似

公式

寿命使小信号响应呈一阶低通

在单寿命线性模型中，调制光电流相对于低频值的幅度按一阶低通衰减；因此增加寿命以提高低频增益，也会降低寿命限制的带宽。12

∣H(ω)∣=11+ω2τ2,f3dB=12πτ|H(\omega)|=\frac{1}{\sqrt{1+\omega^2\tau^2}},\qquad f_{3\mathrm{dB}}=\frac{1}{2\pi\tau}
|H(ω)| = 1/√(1 + ω²τ²)，f₃dB = 1/(2πτ)
H(ω)
相对低频值的归一化幅度
ω
角调制频率，单位 rad/s
τ
有效复合寿命，单位 s
f₃dB
寿命限制3 dB频率，单位 Hz

成立条件 小信号正弦调制、单一恒定寿命；不计RC和其他输运瓶颈；H为归一化幅度

边界

电子和空穴都快速扫出时简单高增益图像会失效

电子先扫出而空穴保留较久时，接触补给电子可维持明显光电导增益；如果场强高到两种载流子都在复合前快速扫出，空间电荷及产生—输运平衡会改变，不能继续按固定寿命低场公式预测无限增益。1

成立条件 针对教材讨论的双载流子扫出限制；不是断言任意光电导器件在同一场强下都有相同转折点

噪声与工程评价

机制

产生复合涨落使电导与增益本身带噪声

光子到达、载流子产生和复合都有统计起伏，因此光电导体除了电阻热噪声，还存在产生—复合相关的电流波动。提高平均电流增益不等同于按相同比例提高信噪比。12

成立条件 噪声比较必须指定测量带宽、调制频率与工作偏置；不把光电导产生复合噪声直接套成普通PN二极管的单一散粒噪声

边界

比较探测率要同时报告频率与光谱条件

用噪声等效功率、敏感面积和带宽归一化得到的比探测率，是在规定条件下比较探测器的指标；调制频率、波长或黑体谱温度不同，数值不能直接当作同条件排名。12

D∗=ABNEPD^*=\frac{\sqrt{AB}}{\mathrm{NEP}}
D* = √(AB)/NEP
D*
比探测率，单位 cm·Hz¹ᐟ²/W
A
敏感面积，单位 cm²
B
积分噪声带宽，单位 Hz
NEP
在该带宽内使信噪比为1的入射光功率，单位 W

成立条件 采用相同NEP和带宽定义；面积单位一致；注明单色波长或黑体温度与调制频率

出处

2 本教材 · 21 处引用
  1. 1

    Physics of Semiconductor Devices

    S. M. Sze, Yiming Li, Kwok K. Ng · 第4版 · 2021

    查看这个来源 →
  2. 2

    The Physics of Semiconductors

    Marius Grundmann

    查看这个来源 →