基于光电二极管和光电晶体管探测器的仿真研究

摘要

本文深入研究了化合物半导体光电探测器的性能及其结构优化。利用半导体器件仿真工具Silvaco，参考实际器件对PIN型光电二极管、pnp型InGaAs/InP异质结光电晶体管（HPT）以及npn型InGaN/GaN HPT进行了建模与仿真。
　　首先通过调整器件材料参数、模型参数将仿真所得的I-V曲线、光谱响应曲线与实验结果进行拟合，以助于更好的了解器件的工作原理，并保证了之后器件性能优化的可靠性。
　　接着对器件结构进行优化仿真。通过优化PIN型光电二极管红外探测器、pnp型InGaAs/InP HPT红外探测器以及npn型InGaN/GaN HPT紫外探测器不同层的厚度、掺杂浓度、材料等结构参数，以提高器件的光响应度、降低器件暗电流为目的，通过对比不同结构下的信噪比、响应度，以及不同结构下的能带图、电场图，得出器件的最佳输出特性及最优结构。
　　最后由仿真及理论分析得出：1）适当增加PIN型光电二极管吸收层的掺杂浓度可以降低探测器的暗电流，且几乎不影响其响应度；使用厚的吸收层可以起到增加光的吸收的作用，且其暗电流几乎不增加；通过提高反偏电压能减小探测器的响应时间，提高响应速度。2）增大pnp型InGaAs/InP HPT中亚集电区的掺杂浓度能增大集电区内的电场，有助于空穴的收集和光生电子-空穴对的分离；降低基区掺杂能降低空穴从发射区到基区的注入势垒高度，减少基区厚度可以减少空穴在基区的复合率，空穴更容易到达集电区；本征层有降低器件暗电流的作用，它降低了空穴注入势垒，增大了电子杂质扩散到发射区的势垒高度；基区In组分采用渐变的结构，不但能降低空穴注入势垒，还能改变基区内价带的结构，更有利于空穴扩散到集电区。3）当npn型InGaN/GaN HPT集电区材料为GaN或集电区掺杂浓度升高时，会导致晶体管基区电子势垒高度变小，集电结电场变高，雪崩击穿电压降低；当基区与集电区之间渐变层掺杂浓度降低时，器件在低压下的性能将会改善。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.1.1 红外探测器的研究进展

1.1.2 紫外探测器的研究进展

1.2半导体光电探测器的结构

1.2.1 PIN光电二极管

1.2.2 雪崩光电二极管（APD）

1.2.3 MSM光电二极管

1.2.4 光电晶体管

1.3 半导体仿真的物理模型分析

1.4本文的主要工作及内容安排

第二章 基于光电二极管的探测器的研究

2.1 引言

2.2基本原理和主要参数

2.2.1 基本原理

2.2.2 主要参数

2.3 In0.53Ga0.47As/InP PIN型红外探测器

2.3.1 模型和参数的选取

2.3.2 仿真及优化

2.4 本章小结

第三章 基于光电晶体管的探测器的研究

3.1 引言

3.2 基本原理和主要参数

3.2.1 基本原理

3.2.2 主要参数

3.3 In0.53Ga0.47As/InP HPT型红外探测器

3.3.1 模型和参数的选取

3.3.2 仿真及优化

3.4 In0.03Ga0.97N/GaN HPT型紫外探测器

3.4.1 模型和参数的选取

3.4.2 仿真及优化

3.5 本章小结

第四章 结论及未来工作

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢