PIN光電二極管

1、PIN 光電二極管1.工作原理在上述的光電二極管的 PN 結(jié)中間摻入一層濃度很低的 N 型半導(dǎo)體，就可以增大耗盡區(qū)的寬度，達(dá)到減小擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的影響，提高響應(yīng)速度的目的。由于這一摻入層的摻雜濃度低，近乎本征（Intrinsic）半導(dǎo)體，故稱 I 層，因此這種結(jié)構(gòu)成為 PIN 光電二極管。I 層較厚，幾乎占據(jù)了整個(gè)耗盡區(qū)。絕大部分的入射光在 I 層內(nèi)被吸收并產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)。在 I層兩側(cè)是摻雜濃度很高的 P 型和 N 型半導(dǎo)體，P 層和 N 層很薄，吸收入射光的比例很小。因而光產(chǎn)生電流中漂移分量占了主導(dǎo)地位，這就大大加快了響應(yīng)速度。通過插入 I 層，增大耗盡區(qū)寬度達(dá)到了減小擴(kuò)散分量的目的，但是

2、過大的耗盡區(qū)寬度將延長光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)的漂移時(shí)間，反而導(dǎo)致響應(yīng)變慢，因此耗盡區(qū)寬度要合理選擇。通過控制耗盡區(qū)的寬度可以改變 PIN 觀點(diǎn)二極管的響應(yīng)速度。2.PIN 光電二極管的主要特性（1）截止波長和吸收系數(shù)只有入射光子的能量PIN 型光電二極管也也稱 PIN 結(jié)二極管、PIN 二極管，在兩種半導(dǎo)體之間的PN 結(jié)，或者半導(dǎo)體與金屬之間的結(jié)的鄰近區(qū)域，在 P 區(qū)與 N 區(qū)之間生成 I 型層，吸收光輻射而產(chǎn)生光電流的一種光檢測器。具有結(jié)電容小、渡越時(shí)間短、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。目錄PIN 型光電二極管的結(jié)構(gòu)PIN 結(jié)的導(dǎo)電特性PIN 型光電二極管的主要參數(shù)PIN 型光電二極管的典型應(yīng)用PIN 型光

3、電二極管的結(jié)構(gòu)pin 結(jié)二極管的基本結(jié)構(gòu)有兩種， 即平面的結(jié)構(gòu)和臺(tái)面的結(jié)構(gòu)， 如圖 1所示。 對(duì)于 Si-pin133結(jié)二極管，其中 i 型層的載流子濃度很低（約為 10cm 數(shù)量級(jí)）電阻啕率很高、（約為 k-cm 數(shù)量級(jí)），厚度 W 一般較厚（在 10200m 之間）；i 型層兩邊的 p 型和 n 型半導(dǎo)體的摻雜濃度通常很高（即為重?fù)诫s）。平面結(jié)構(gòu)和臺(tái)面結(jié)構(gòu)的 i 型層都可以采用外延技術(shù)來制作，高摻雜的 p+層可以采用熱擴(kuò)散或者離子注入技術(shù)來獲得。平面結(jié)構(gòu)二極管可以方便地采用常規(guī)的平面工藝來制作。而臺(tái)面結(jié)構(gòu)二極管還需要進(jìn)行臺(tái)面制作（通過腐蝕或者挖槽來實(shí)現(xiàn)）。臺(tái)面結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：去掉了平面結(jié)的彎

4、曲部分，改善了表面擊穿電壓；減小了邊緣電容和電感，有利于提高工作頻率。PIN 結(jié)的導(dǎo)電特性pin 結(jié)就是在 pin 結(jié)的空間電荷區(qū)分別在 i 型層兩邊的界面處，而整個(gè)的 i型層中沒有空間電荷，但是存在由兩邊的空間電荷所產(chǎn)生出來的電場一一內(nèi)建電場，所以pin 結(jié)的勢(shì)壘區(qū)就是整個(gè)的 i 型層?；靖拍睿罕娝苤?，一般 p-n 結(jié)的導(dǎo)電（較大的正向電流以及很小的反向電流）主要是由于少數(shù)載流子在勢(shì)壘區(qū)以外的兩邊擴(kuò)散區(qū)中進(jìn)行擴(kuò)散所造成的；擴(kuò)散區(qū)是不存在電場的電中性區(qū)。在此實(shí)際上也就暗示著載流子渡越勢(shì)壘區(qū)的速度很快，即忽略了存在強(qiáng)電場的勢(shì)壘區(qū)的阻擋作用；當(dāng)然，這種處理也只有在勢(shì)壘區(qū)較薄（小于載流子的平均自

5、由程）時(shí)才是允許的。而對(duì)于勢(shì)壘區(qū)厚度較大（載流子平均自由程）的 p-n 結(jié)，則就需要考慮載流子在渡越勢(shì)壘區(qū)的過程中所造成的影響，這種影響主要就是將增加一定的產(chǎn)生-復(fù)合電流。但是，對(duì)于 pin 結(jié)，雖然它的空間電荷區(qū)是在 i 型層兩頭的很薄的區(qū)域，然而其勢(shì)壘區(qū)（存在內(nèi)建電場的區(qū)域）卻是整個(gè)的 i 型層，則其勢(shì)壘區(qū)厚度必將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于載流子的平均自由程，因此這時(shí)載流子渡越勢(shì)壘區(qū)過程中的產(chǎn)生-復(fù)合作用就再也不能忽略了。實(shí)際上，pin1 結(jié)的單向?qū)щ娦砸舱怯捎谳d流子渡越 i 型層的特殊過程（復(fù)合與產(chǎn)生的過程）所造成的；相反，i 型層兩邊的擴(kuò)散區(qū)卻對(duì)于 pin 結(jié)導(dǎo)電性能的影響較小?？傊?，pin 結(jié)的導(dǎo)電

6、性能與 i 型層中載流子的復(fù)合作用有很大的關(guān)系。pin 結(jié)中載流子的輸運(yùn)一一導(dǎo)電機(jī)理：當(dāng) pin 結(jié)處于正偏時(shí)，勢(shì)壘高度降低，則電子和空穴分別從兩邊大量注入到本征的 i型層，當(dāng)然這必定是大注入”；這時(shí)就不能區(qū)分多數(shù)載流子和少數(shù)載流子了，即可以認(rèn)為 i型層中的電子濃度等于空穴濃度（n=p）,并且均勻分布。在 i 型層中，由于這種注入，即使得 npni2,于是注入的這些電子和空穴將在 i 型層中發(fā)生復(fù)合，并從而形成較大的通過 pin 結(jié)的電流?？梢?，pin 結(jié)的正向電流從性質(zhì)上來說，它是非平衡載流子在 i 型層中的復(fù)合電流，載流子的復(fù)合越快，電流就越大。當(dāng) pin 結(jié)反偏時(shí)，勢(shì)壘中的電場增強(qiáng)，勢(shì)壘

7、高度增大，則 i 型層中的載流子將進(jìn)一步減少，即使得npEe-he人的產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長，稱為截止波長。以Si為材料的光電二極管，入c=1.06p,貝以Ge為材料的光電二極管，入c=1.60p,ai利用光電效應(yīng)可以制造出簡單的PN結(jié)光電二極管。但這種光電二極管結(jié)構(gòu)簡單，無法降低暗電流和提高響應(yīng)度，器件的穩(wěn)定度也比較差，實(shí)際上不適合做光纖通信的檢測器。(2)PIN光電二極管1)PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)PIN光電二極管是在摻雜濃度很高的P型、N型半導(dǎo)體之間，生成一層摻雜極低的本征材料，稱為I層。在外加反向偏置電壓作用下，I層中形成很寬的耗盡層。結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于I層吸收系數(shù)很小，入射光

8、可以很容易地進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量的電子一空穴對(duì)，因此大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。另外，I層兩側(cè)的P層、N層很薄，光生載流子的漂移時(shí)間很短，大大提高了器件的響應(yīng)速度。圖 1FIK 光電二極管結(jié)構(gòu)檢測某波長的光時(shí)要選擇合適材料作成的光檢測器。首先，材料的帶隙決定了截止波長要大于被檢測的光波波長，否則材料對(duì)光透明，不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。其次，材料的吸收系數(shù)不能太大，以免降低光電轉(zhuǎn)換效率。SiPIN光電二極管的波長響應(yīng)范圍為0.5-1gmoGe-PIN和InGaAsPIN光電二極管的波長響應(yīng)范圍約為11.711mo2）響應(yīng)度響應(yīng)度是描述光檢測器能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)參量。它定義為：n。*械我.=不工

9、AIW）F。hv1.24其中，P0為入射到光電二極管上的光功率；Ip為所產(chǎn)生的光電流。它的單位為A/Wo3）量子效率量子效率表示入射光子轉(zhuǎn)換為光電子的效率。它定義為單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，即:7哪電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的有效電子-空穴對(duì)數(shù)）/入射光子數(shù)其中，e為電子電荷，其值為1.60-19Co所以有:hf1.24式中，入單位取gmo可見，光電檢測器的響應(yīng)度隨波長的增大而增大。圖2為PIN光電二極管的響應(yīng)度、量子效率與波長的關(guān)系?？梢钥闯?，響應(yīng)度、量子效率隨著波長的變化而變化。為提高量子效率，必須減少入射表面的反射率，使入射光子盡可能多地進(jìn)入PN結(jié)；同時(shí)減少光子在表面層被吸收的可能性，增

10、加耗盡區(qū)的寬度，使光子在耗盡區(qū)內(nèi)被充分吸收。圖 2 光電二極背晌發(fā)度,量子效率與波長的關(guān)系4）響應(yīng)速度響應(yīng)速度是光電檢測器的另一個(gè)重要參數(shù)，通常用響應(yīng)時(shí)間（上升時(shí)間和下降時(shí)間），如圖圖3光檢測器的脈沖響應(yīng)圖3光檢測器的脈沖響應(yīng)3來表不展改 J光電二極管在接收機(jī)中使用時(shí)通常由偏置電路與放大器相連,圖4為檢測器電路及其等效電路，其中CPN為檢測器的結(jié)電容；Rb為偏置電阻；Ra、Ca分別為放大器的輸入電阻和輸入電容；Rs為檢測器的串聯(lián)電阻，通常只有幾歐，可以忽略。影響響應(yīng)速度的主要因素有：檢測器及其有關(guān)電路的RC時(shí)間常數(shù)，設(shè)它造成的脈沖前沿上升時(shí)間為：iRC要提高響應(yīng)速度，就要降低整個(gè)電路的時(shí)間常數(shù)

11、。從檢測器本身來看，就要盡可能降低結(jié)電容。圖4光檢測器電路及等效電路圖4光檢測器電路及等效電路式中，為材料的介電常數(shù)，A為結(jié)面積，W為耗盡區(qū)厚度。載流子漂移通過耗盡區(qū)的渡越時(shí)間，設(shè)上升時(shí)間為：idr光電二極管的響應(yīng)速度主要受到耗盡區(qū)內(nèi)的載流子在電場作用下的漂移通過所需時(shí)間（即渡越時(shí)間）的限制。渡越時(shí)間：式中，vd為光身載流子的漂移速度。漂移運(yùn)動(dòng)的速度與電場強(qiáng)度有關(guān)，電場強(qiáng)度較低時(shí)，漂移速度正比于電場強(qiáng)度，當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到某一值后,漂移速度不再變化。耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散引起的延遲，設(shè)上升時(shí)間為：idi耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子一部分復(fù)合，一部分?jǐn)U散到耗盡區(qū)，被電路吸收。由于擴(kuò)散速度比漂移速度慢得多，因此，這部分載流子會(huì)帶來附加時(shí)延，會(huì)使輸出電信號(hào)脈沖拖尾加長。總的上升時(shí)間為:這樣檢測器的響應(yīng)特性必然與外電路相關(guān)O光檢測器的功能光檢測器的主要功能是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光檢測器是光接收模塊的重要部件。目前光纖通信系統(tǒng)中使用的光檢測器主要是移相開關(guān)二極管，即PIN二極管。PIN二極管對(duì)低頻信號(hào)具有整流作用，而對(duì)高頻信號(hào)，卻只有阻抗作用。阻抗值的大小決定于中間層。當(dāng)中間層為正偏時(shí)，因?yàn)橛休d流子注入中間層，器件呈低阻；而當(dāng)中間層處于零偏或反偏時(shí)，器件呈高阻。從而可以用于信息的檢測。光檢測器的