半导体光电二极管

概述

    把光能转变成电能的反向偏置晶体二极管。在一定波长的光照射下，其反向电流受到光生载流子的调制作用，因而可用来对光辐射信号进行探测。

主要用途

    x光电二极管用于光纤通信、激光测距、自动控制等。发展最快的是光纤通信用光电二极管，0.8～0.9微米波段的光电二极管已能满足实用要求。

工作原理

    半导体光电二极管探测光辐射的基本过程是：

    ①吸收光辐射产生载流子，即半导体价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带,产生电子-空穴对；

    ②光生载流子在二极管内输运形成电流，若光子在耗尽层内被吸收，产生的电子和空穴在电场的作用下作漂移运动；若光子的吸收发生在耗尽层外扩散长度之内，少子靠扩散运动可到达耗尽层边界，进入耗尽层之后再作漂移运动；

    ③载流子向电极输运时，在外电路中形成电流，产生输出信号。经过上述过程，光信号转换成电信号，通过测量电信号的强度，达到探测光信号的目的。

    半导体基本原理

    半导体光电二极管通常取PN结、PIN结、肖特基势垒、MIS和点接触等结构。半导体雪崩光电二极管的结构与一般光电二极管类似。只是PN结上的反偏压足够高，耗尽层中的载流子受到强场的加速作用而获得足够高的动能，它们与原子碰撞时产生新的电子-空穴对,引起载流子雪崩式倍增，从而得到内部电流增益。

    光电二极管性能

    各种光电二极管的波长覆盖范围从紫外区、可见光区直到近红外光区。制作光电二极管的材料有元素半导体Si、Ge及Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体GaAs、InAs、InSb、InS、InGaAs、InGaAsP、PbSnTe、PbSnSe、HgCdTe等。

    对光电探测器件的性能要求主要有：

    ①响应灵敏度高，即要求探测器有较高的光信号－电信号的转换效率；

    ②响应速度快，当入射光信号受到高频调制时，光电二极管能够快速响应；

    ③噪声低，探测器的噪声性能表征该器件所能分辨的最小信号电平，噪声低意味着探测器在测量光辐射能量时具有较高的准确度，可探测的功率小。

    响应灵敏度

    用输入光功率P与输出光电流I表示的一个实用参量。它的定义是：

    单位为安/瓦或微安/微瓦。式中e是电子电荷，h是普朗克常数，υ是入射光频率，c是光速。故R(λ)由入射光波长λ、量子效率η(λ)和倍增因子M决定。在某一入射光波作用下，没有倍增时，量子效率的定义为单位时间内产生并被电极收集的光生载流子数与波长为 λ的入射光子数之比。η(λ)由器件表面的反射率、材料的光吸收系数α和吸收层厚度决定。减小表面反射率，并使吸收层厚度为1/α时，可得到的量子效率。α取决于入射光波长，因而η(λ)也与波长密切相关。当入射光子能量hυ低于材料的禁带宽度Eg时,载流子从价带到导带的跃迁不能发生，由此决定光电二极管的长波响应极限λc,λc=1.24/Eg（Eg单位为电子伏,λc单位为微米）。当hυ>>Eg时，由于吸收系数太大,光子的吸收只在表面附近发生，光生载流子扩散到耗尽层之前通过表面复合中心与多子复合，这一过程无益于光电流，造成量子效率的降低,构成光谱响应的短波限制。因此,光电二极管的波长响应特性决定于材料和器件结构。

    响应速度

    限制光电二极管响应速度的因素如下：

    ①　光生载流子在耗尽层外的P区和N区中的有限扩散时间引起渡越过程的延迟。采用全耗尽型的器件结构可把这一效应减小到最小。

    ②　信号电流受到结电容Cd并联的影响。光信号调制频率的上限由ReCd时间常数决定

    式中Re为与Cd串联的等效电阻,它包括器件的串联电阻和负载电阻。采用全耗尽型的器件结构及小负载电阻时，可以获得较好的响应特性。二极管的电容与结面积成正比，与耗尽层宽度成反比，因此减小结面积，增大耗尽层宽度可降低时间常数ReCd。

    ③　载流子漂移穿过耗尽层的有限渡越时间引起的延迟。足够大的反向偏流下，载流子以散射限制速度υs漂移,则渡越时间延迟τd由耗尽层宽度ω决定:τd=ω/υs，渡越时间允许的调制频率f

    f≈2.8/2πτd

    因此，光电二极管的响应速度主要由时间常数和渡越时间效应决定。的折衷选择是使f≈f，即τd≈2.8ReCd。适当选择结面积、掺杂浓度、结深、负载电阻等参数，可以获得的频率响应特性。

    工作噪声

    在光接收机中，经过探测、检波、变换等过程把光信号还原成原发的电信号。但各部分都存在噪声，所以从输出端解调出来的电信号与发送端发出来的电信号不完全相同，而在正确值附近有无规则起伏，将限制可探测信号的最小光功率。通常用信噪比S/N、噪声等效功率P或探测灵敏度D*表征光电二极管的噪声性能。

    信噪比S/N是描述有用信号强度与噪声强度相对比值的量。通常用信号电流与噪声电流的均方值表示。

    噪声等效功率P是信噪比等于 1时的入射光功率。它代表可探测的最小光功率。P越小，光电二极管的探测灵敏度越高。

    探测灵敏度

    探测灵敏度D*的定义为：

    式中A是器件的光敏面积，B是带宽。由于P与和成正比,故D*是一个与光敏面积、带宽无关的量。采用D*这个量可以对不同带宽、不同光敏面积的光电二极管进行比较。作为表征器件噪声特性的一个灵敏参数,D*越大，光电二极管的探测灵敏度越高，噪声性能也就越好。

    图2 以雪崩光电二极管接收机为例说明各种主要的噪声来源及其增殖过程。

    量子噪声为光信号本身所固有，只要存在光－电转换过程就必然存在散粒噪声。这两种噪声是无法克服的。暗电流噪声则可通过选取适宜的材料、合理设计器件结构和保证工艺质量来减小。光接收机电路的输入阻抗一般比较低，热噪声通常是主要的噪声成分。在这种情况下采用半导体雪崩光电二极管可以有效地增加信噪比。但在光信号倍增的同时，不仅散粒噪声和暗电流噪声也得到倍增，而且由于雪崩过程，过剩噪声的影响增加得更快，过大的雪崩倍增(M过大)反而使信噪比下降。因此,光接收机的合理设计应选取适中的M值,以获得的信噪比性能。

    现代长距离、大容量光纤通信系统的发展，需要有1.0～1.6微米波长范围的高速、高灵敏度光电探测器。除正在研制的Ge、InGaAs系PIN、APD外,InP或GaSb系超晶格APD、缓变带隙APD或利用共振电离现象的 APD等新结构器件已开始研制，有可能实现优良的低噪声特性。研制超长波长光电探测器，提高其工作温度，对于发展超低损耗光纤通信系统和长距离精密测距技术具有重要意义。

    参考书目

    S.M.Sze,Physics of Semiconductor Devices,Wiley-Interscience, New York,1969.

    A.Yariv,Introduction to Optical　Electronics,Holt,Rinehart and Winstone,New York,1976.