1.2 国内外研究现状和发展趋势

 1.3 本文的主要内容

(1)主要介绍了PSD作为一种位置探测器,因其高速度、高分辨率、信号处理

     简单等优点,在各个领域具有广泛的应用。

(2)从理论方面深入分析了PSD的原理以及一些产品参数。

(3)陈述了PSD的信号处理电路,并研究了消除背景和暗电流的方法。

(4)根据PSD广泛的应用,举例说明了它在各个领域的重要性。

第二章  位置敏感探测器理论依据及参数

位置敏感探测器(PSD)与一般的光电二极管类似,但是区别在于它的工作原理是基于p-n结或肖特基结的横向光电效应,而一般光电二极管是基于p-n结的纵向光电效应。一般光电二极管入射光的大小强弱是通过光电流来体现的,通常用作控制器件或光电转换器件,但是PSD不单单可以实现光电转换,还可以实现光电流的分配,这也是它的主要用途,依据电极和分流层的参数,可以确立入射光斑的位置。简单的讲,PSD比一般的光电二极管更复杂,工作更加具体化,从而理论也更加深入化。当中,最重要的是Lucovusky方程,这个方程是依据电荷守恒定律,从pn结载流子的扩散原理引出来的,方程的解即是PSD的理论基础。论文网

2.1 半导体的两种光电效应和光吸收

2.1.1 光吸收

半导体在经过光照射后,会产生多种吸收,主要有回旋共振吸收、等离子吸收、激子吸收、点阵吸收、自由载流子吸收、杂质吸收、本征吸收等,原因在于半导体中电子、激子、杂质等的相互作用,这当中,最主要的3种吸收是本征吸收、杂质吸收和自由载流子吸收。

半导体吸收能量后可以产生光生载流子,即电子或空穴得到能量后形成的自由电子或自由空穴。电子从价带跃迁到导带成为自由电子,会引起吸收,这种吸收称为本征吸收,而留下的部分形成电子空穴对,只有能量大于半导体禁带宽度的光子才可以跃迁,故而本征波长λ0=hc/Eg=1.24/Eg。另外,在跃迁的过程中还存在间接跃迁,因为跃迁要满足动量守恒和能量守恒,电子吸收光子之后,会与晶格互换能量,致使波矢量k发生变化,即间接跃迁。波矢量不变的跃迁称为直接跃迁,但在实际操作中,间接跃迁因其几率很小,远远小于直接跃迁。图2.1.1是硅光波长与本征吸收系数之间的图像关系,通过计算可知λ0=1.1μm时,是本征吸收的临界点,伴随光子能量的不断增加,光波长越来越小,之后图像显示,到达一段平滑的位置后又开始迅速增加,前者代表间接吸收,后者代表直接吸收。

  Si的波长与吸收系数之间的关系

电子除了正常跃迁外,还可以跃迁到杂质能级,或者从杂质能级跃迁到导带,同样也可以产生光吸收,对比本征吸收,同样也存在一个λ0=hc/E。除此之外,还有红外吸收,它是自由载流子在同一能带跃迁而产生的,即自由载流子吸收。文献综述

2.1.2 p-n结中的纵向光电效应以及光电转换

在p-n结的形成过程中,由于空穴浓度p区高于n区,电子浓度n区高于p区,在界面附近形成了电子和空穴的浓度梯度,导致空穴从p区向n区、电子从n区向p区的扩散运动,结果,在结与p区界面处出现了一个由电离受主构成的负电荷区,在结与n区界面处出现了一个由电离施主构成的正电荷区,即空间电荷区,在空间电荷区中形成由n区指向p区的内建电场,载流子在内建电场的作用下作漂移运动。随着扩散运动的进行,空间电荷逐渐增多,空间电荷区逐渐扩展,同时内建电场逐渐增强.载流子的漂移运动也逐渐加强。在无外加电压的情况下,载子的扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡,p-n结处于平衡状态,此时p-n结的费米能级处处相等,能带图如图2.1.3(a).平衡p-n结的空间电荷区两端间的电势差VD为接触电势差,相应的电子电势能之差即能带的弯曲量qVD为p-n结的势垒高度。

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