半導體光電檢測器

半導體的光電效應

基於對前面筆記中所寫到的有關於半導體的能帶分布、P-N結形成等內容的了解，這一次我們來看一看有關於半導體的光電效應是怎樣形成的、介紹光纖通信中常用的一些半導體光電檢測器及其相關的工作特性。

半導體的光電效應是把光變成電，那麼半導體材料是如何把光變成電的呢？

首先，我們要把光照射到半導體的P-N結上，從光子的角度上理解，若光子能量足夠大，則半導體材料中價帶的電子吸收光子的能量，價帶中的電子吸收光子能量，會向上躍遷，從價帶越過禁帶到達導帶，在導帶中出現光電子，在價帶中出現光空穴，光電子和光空穴是成對出現的，也稱為光電子-空穴對，又稱光生載流子（光生載流子是指由光照產生的，而且產生出來的電子空穴對是可以移動的）。

（圖中粉色線之上為導帶，綠色線之下為價帶，再往下是滿帶，因為滿帶中的電子不能移動，所以暫時不考慮，粉色線與綠色線之間的區域是禁帶，禁止電子在其中停留，但是可以上下穿越。這在我前面的筆記中都有過詳細描述）

出現光生載流子之後，光生載流子又是如何變成電的呢？

我們要在P-N結上外加負偏壓，也就是反向偏壓（即在P型半導體加負電，在N型半導體加正電），加上之後的反向偏壓屬於外加電場，會和P-N結固有的內建電場指向一致，換句話說，它在空間電荷區中，會受到內建電場和外加電場的共同作用，那麼這個時候，電場會變強。此時，光生載流子會在這兩個電場的共同作用下發生移動，從而在外電路中產生光電流，在電阻R上會有信號電壓產生。從而實現光到電的變換。

值得注意的是，半導體材料的光電效要把光變成電時，我們強調：這個光要足夠強。

那麼光到底得強到什麼程度呢？

實際上，只有當光子能量hf≥Eg時，才能使材料產生光生載流子。

$fgeqfrac{E_{g}}{h}$ $f=frac{E_{g}}{h}$ ——截止頻率

$lambda_{c}=frac{c}{f_{c}}=frac{h_{c}}{E_{g}}$ ——截止波長

也就是說，照射到半導體材料的光波波長入必須小於截止波長，才能使這種材料產生光生載流子。半導體材料光電效應的產生不是任意的，而是對於照射過來的光的波長或者頻率有要求的，只有滿足了波長或者是頻率的要求，它才能夠產生光生載流子。產生光生載流子作為第一步，這個時候再將P-N結外加反向偏壓之後，就可以得到光電流了。

光纖通信中常用的半導體光電檢測器

每一個器件的產生都是為了達到某一項性能指標的要求，以達到人們想要的更好的效果，光電檢測器同樣也不例外。對於光電效應，通過研究發現：在P-N結中，由於有內建電場的作用（內建電場使耗盡層的能帶形成一個「斜坡」-位壘），光電子和光空穴的運動速度加快，從而使光電流快速地跟著光信號變化，即響應速度快。也就是說，耗盡層的寬度越寬，光電檢測器的響應速度就會越快。

然而在耗盡層之外產生的光電子和光空穴，由於沒有內建電場的加速作用，運動速度慢，因而響應速度低，而且容易發生複合，不能移動，導致光電轉換效率低。而正因為在耗盡層中有內建電場的共同作用，響應速度快，轉換效率高，所以我們也是希望耗盡層越寬越好。

總而言之，為了改善光電檢測器的響應速度和轉換效率，應適當地加大耗盡層的寬度。

為了加大耗盡層的寬度，以增大響應速度、轉換效率，於是出現了PIN光電二極體。

1、PIN光電二極體

PIN光電二極體的結構及其工作原理

PIN光電二極體是指在P型材料和N型材料之間加一層輕摻雜的N型材料，稱為I層。

I層是輕摻雜的（N型半導體電子數多，輕摻雜表示電子數低一些），故電子濃度低，經擴散後可形成一個很寬的耗盡層，這種結構的光電二極體稱為PIN光電二極體。

PIN光電二極體的結構圖

PIN光電二極體可以實現光到電的變換，但是輸出的光電流比較微弱，當然我們可以後面經過多級放大，但是我們知道放大器在放大信號的同時本身會引入雜訊，不僅如此，它在放大之前的信號的時候它也會把之前的雜訊一同放大，如果PIN光電二極體輸出的電流非常微弱，而且雜訊也比較強的話，我們就希望能夠有這樣的一個二極體，它能夠在二極體內部輸出的光電流本身就比較強，這樣的二極體就是APD雪崩光電二極體。

2、APD雪崩光電二極體

APD雪崩光電二極體不僅可以實現光到電的變換，還可以對產生的光電流具有放大作用。

（1）雪崩光電二極體的雪崩倍增效應

仍是P-N結形式，只是在二極體的P-N結上加高反向電壓（一般為幾十伏或幾百伏），在結區形成一個強電場；

在高場區內光生載流子被強電場加速獲得高的動能，與晶格的原子發生碰撞，使價帶的電子得到能量，越過禁帶到導帶，產生了新的電子-空穴對，即新的光生載流子；

新產生的電子-空穴對在強電場中又被加速，再次碰撞，又激發出新的電子-空穴對…，如此循環下去，像雪崩一樣地發展，從而使光電流在二極體內部獲得了倍增。

（2）雪崩光電二極體的結構及其工作原理

能帶結構，N+型重摻雜，P型一般摻雜，I（P）層輕摻雜的P型，P+型重摻雜。

我們說P型是空穴多，輕摻雜的I（P）層則表示的是空穴雖然多但是濃度低，而P+表示重摻雜的含義是不僅是空穴多而且它的濃度還非常高。

雪崩光電二極體的P型就是由這3部分組成。

工作原理：

光子從P+層射入，進入I層後，在這裡材料吸收了光能併產生了初級電子-空穴對。這時，光電子在I層被耗盡層的較弱的電場加速，移向P-N結。當光電子運動到高場區時，受到強電場的加速作用，出現雪崩碰撞效應，最後，獲得雪崩倍增後的光電子到達N+層，空穴被P+層吸收。

從工作原理中可以看出，雪崩光電二極體的耗盡層從結區一直拉通到I層與P+層相接的範圍內，範圍比較寬。在整個拉通的耗盡層範圍內出現了兩個電場：較低電場在I層區域中，主要是使光照產生的初級電子-空穴對在裡面被加速，推進到高電場區；而高電場主要存在於P-N結區中，初級電子-空穴對在高場區中產生雪崩效應。這種電場分布有利於降低工作電壓。