半导体光电检测器

半导体的光电效应

基于对前面笔记中所写到的有关于半导体的能带分布、P-N结形成等内容的了解，这一次我们来看一看有关于半导体的光电效应是怎样形成的、介绍光纤通信中常用的一些半导体光电检测器及其相关的工作特性。

半导体的光电效应是把光变成电，那么半导体材料是如何把光变成电的呢？

首先，我们要把光照射到半导体的P-N结上，从光子的角度上理解，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，价带中的电子吸收光子能量，会向上跃迁，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，光电子和光空穴是成对出现的，也称为光电子-空穴对，又称光生载流子（光生载流子是指由光照产生的，而且产生出来的电子空穴对是可以移动的）。

（图中粉色线之上为导带，绿色线之下为价带，再往下是满带，因为满带中的电子不能移动，所以暂时不考虑，粉色线与绿色线之间的区域是禁带，禁止电子在其中停留，但是可以上下穿越。这在我前面的笔记中都有过详细描述）

出现光生载流子之后，光生载流子又是如何变成电的呢？

我们要在P-N结上外加负偏压，也就是反向偏压（即在P型半导体加负电，在N型半导体加正电），加上之后的反向偏压属于外加电场，会和P-N结固有的内建电场指向一致，换句话说，它在空间电荷区中，会受到内建电场和外加电场的共同作用，那么这个时候，电场会变强。此时，光生载流子会在这两个电场的共同作用下发生移动，从而在外电路中产生光电流，在电阻R上会有信号电压产生。从而实现光到电的变换。

值得注意的是，半导体材料的光电效要把光变成电时，我们强调：这个光要足够强。

那么光到底得强到什么程度呢？

实际上，只有当光子能量hf≥Eg时，才能使材料产生光生载流子。

$fgeqfrac{E_{g}}{h}$ $f=frac{E_{g}}{h}$ ——截止频率

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

也就是说，照射到半导体材料的光波波长入必须小于截止波长，才能使这种材料产生光生载流子。半导体材料光电效应的产生不是任意的，而是对于照射过来的光的波长或者频率有要求的，只有满足了波长或者是频率的要求，它才能够产生光生载流子。产生光生载流子作为第一步，这个时候再将P-N结外加反向偏压之后，就可以得到光电流了。

光纤通信中常用的半导体光电检测器

每一个器件的产生都是为了达到某一项性能指标的要求，以达到人们想要的更好的效果，光电检测器同样也不例外。对于光电效应，通过研究发现：在P-N结中，由于有内建电场的作用（内建电场使耗尽层的能带形成一个「斜坡」-位垒），光电子和光空穴的运动速度加快，从而使光电流快速地跟著光信号变化，即响应速度快。也就是说，耗尽层的宽度越宽，光电检测器的响应速度就会越快。

然而在耗尽层之外产生的光电子和光空穴，由于没有内建电场的加速作用，运动速度慢，因而响应速度低，而且容易发生复合，不能移动，导致光电转换效率低。而正因为在耗尽层中有内建电场的共同作用，响应速度快，转换效率高，所以我们也是希望耗尽层越宽越好。

总而言之，为了改善光电检测器的响应速度和转换效率，应适当地加大耗尽层的宽度。

为了加大耗尽层的宽度，以增大响应速度、转换效率，于是出现了PIN光电二极体。

1、PIN光电二极体

PIN光电二极体的结构及其工作原理

PIN光电二极体是指在P型材料和N型材料之间加一层轻掺杂的N型材料，称为I层。

I层是轻掺杂的（N型半导体电子数多，轻掺杂表示电子数低一些），故电子浓度低，经扩散后可形成一个很宽的耗尽层，这种结构的光电二极体称为PIN光电二极体。

PIN光电二极体的结构图

PIN光电二极体可以实现光到电的变换，但是输出的光电流比较微弱，当然我们可以后面经过多级放大，但是我们知道放大器在放大信号的同时本身会引入杂讯，不仅如此，它在放大之前的信号的时候它也会把之前的杂讯一同放大，如果PIN光电二极体输出的电流非常微弱，而且杂讯也比较强的话，我们就希望能够有这样的一个二极体，它能够在二极体内部输出的光电流本身就比较强，这样的二极体就是APD雪崩光电二极体。

2、APD雪崩光电二极体

APD雪崩光电二极体不仅可以实现光到电的变换，还可以对产生的光电流具有放大作用。

（1）雪崩光电二极体的雪崩倍增效应

仍是P-N结形式，只是在二极体的P-N结上加高反向电压（一般为几十伏或几百伏），在结区形成一个强电场；

在高场区内光生载流子被强电场加速获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到能量，越过禁带到导带，产生了新的电子-空穴对，即新的光生载流子；

新产生的电子-空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子-空穴对…，如此循环下去，像雪崩一样地发展，从而使光电流在二极体内部获得了倍增。

（2）雪崩光电二极体的结构及其工作原理

能带结构，N+型重掺杂，P型一般掺杂，I（P）层轻掺杂的P型，P+型重掺杂。

我们说P型是空穴多，轻掺杂的I（P）层则表示的是空穴虽然多但是浓度低，而P+表示重掺杂的含义是不仅是空穴多而且它的浓度还非常高。

雪崩光电二极体的P型就是由这3部分组成。

工作原理：

光子从P+层射入，进入I层后，在这里材料吸收了光能并产生了初级电子-空穴对。这时，光电子在I层被耗尽层的较弱的电场加速，移向P-N结。当光电子运动到高场区时，受到强电场的加速作用，出现雪崩碰撞效应，最后，获得雪崩倍增后的光电子到达N+层，空穴被P+层吸收。

从工作原理中可以看出，雪崩光电二极体的耗尽层从结区一直拉通到I层与P+层相接的范围内，范围比较宽。在整个拉通的耗尽层范围内出现了两个电场：较低电场在I层区域中，主要是使光照产生的初级电子-空穴对在里面被加速，推进到高电场区；而高电场主要存在于P-N结区中，初级电子-空穴对在高场区中产生雪崩效应。这种电场分布有利于降低工作电压。