光生载流子的扩散

　　在远离本征区所产生的光生载流子由于没有外电场作用，要通过扩散才能到达外电极，而扩散时间通常比漂移时间长得多，因此严重限制了光电探测器工作速率，所以有必要详细讨论载流子扩散过程。如图1所示的pn结二极管，存在区域1和区域2两个扩散区域。个扩散区域位于重掺杂表面通常很薄。而第二个扩散区域则位于空间电荷区SCR（Space－Charge Region）的下面，这个扩散区域较厚，载流子需要较长时间扩散才能到达空间电荷区，因此这个扩散区域会对光电探测器产生不利影响。

　　图1  PN光电二极管中漂移和扩散区域

      
       根据爱因斯坦关系式，电子和空穴的扩散系数与迁移率的关系可以表示成

       低掺杂下，硅中电子的扩散系数大约为35 cm²/s，高掺杂时扩散系数显著下降。空穴的扩散系数为12.5 cm²/s，同样随掺杂浓度的增加而下降。

　　载流子在扩散过程中会由于复合作用而使载流子数目不断减小，定义扩散长度L为载流子数量减小至原值的1/e时所扩散的距离。扩散长度与扩散系数及载流子寿命t有关：

　　载流子寿命与掺杂浓度及半导体工艺中不可避免引入的杂质有关。这些杂质会在禁带中产生深能级复合中心，大大促进了载流子的复合。在生长的硅单晶中载流子寿命可以达到几个毫秒，集成电路或是光电子工艺可使寿命降到几个微秒。和漂移时间相比（通常为纳秒级），载流子寿命要大得多。大的载流子寿命有利于提高量子效率，尤其是在不需要对入射光快速响应的太阳能电池中，载流子寿命越大越有利于提高太阳能电池转换效率。由于成熟的硅单晶生长工艺技术可获得高载流子寿命，因此硅成为太阳能电池的主要材料网。

　　载流子扩散会对光电探测器的工作速率产生很大影响。 电子扩散通过厚度为硌的P＋区域所需时间兔iff为^［9］

　　在图1中，厚的扩散区域2大大降低了光电探测器工作速度，因为空穴需要长时间的扩散才能到达空间电荷区边界。由式（3-24）知，当空穴通过10 gm厚的扩散区时所需时间为40.ns，而电子的时间为8 ns。因此为了提高光电探测器工作速度应尽量避免这种载流子的扩散效应。由图1可知，减小入射光波长可以提高吸收系数，相应的就减小了穿透深度，这样就可以避免在厚的扩散区域2中产生扩散载流子。此外可以选用具有大吸收系数的半导体材料也同样可以到达提高光电探测器速度的目的。通过加大反向偏压和减小掺杂浓度都可以扩大空间电荷区厚度，从而提高光电探测器工作速度和量子效率。

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