半導體光電二極體

半導體光電二極體，是把光能轉變成電能的反向偏置晶體二極體。在一定波長的光照射下，其反向電流受到光生載流子的調製作用，因而可用來對光輻射信號進行探測。

光電二極體用於光纖通信、雷射測距、自動控制。發展最快的是光纖通信用光電二極體，0.8～0.9微米波段的光電二極體已能滿足實用要求。

基本介紹

• 中文名：半導體光電二極體
• 外文名：Photo-Diode
• 功能：把光能轉變成電能
• 用途：光纖通信、雷射測距
• 波長：0.8～0.9微米

概述

把光能轉變成電能的反向偏置晶體二極體。在一定波長的光照射下，其反向電流受到光生載流子的調製作用，因而可用來對光輻射信號進行探測。

主要用途

光電二極體用於光纖通信、雷射測距、自動控制等。發展最快的是光纖通信用光電二極體，0.8～0.9微米波段的光電二極體已能滿足實用要求。

光纖通信

工作原理

半導體光電二極體探測光輻射的基本過程是：

國產光電二極體探測光輻射運用

①吸收光輻射產生載流子，即半導體價帶中的電子吸收光子能量後躍遷到導帶,產生電子-空穴對；

②光生載流子在二極體內輸運形成電流，若光子在耗盡層內被吸收，產生的電子和空穴在電場的作用下作漂移運動；若光子的吸收發生在耗盡層外擴散長度之內，少子靠擴散運動可到達耗盡層邊界，進入耗盡層之後再作漂移運動；

③載流子向電極輸運時，在外電路中形成電流，產生輸出信號。經過上述過程，光信號轉換成電信號，通過測量電信號的強度，達到探測光信號的目的。

半導體基本原理

半導體光電二極體通常取PN結、PIN結、肖特基勢壘、MIS和點接觸等結構（圖1）。半導體雪崩光電二極體的結構與一般光電二極體類似。只是PN結上的反偏壓足夠高，耗盡層中的載流子受到強場的加速作用而獲得足夠高的動能，它們與原子碰撞時產生新的電子-空穴對,引起載流子雪崩式倍增，從而得到內部電流增益。

半導體PN結原理圖

光電二極體性能

各種光電二極體的波長覆蓋範圍從紫外區、可見光區直到近紅外光區。製作光電二極體的材料有元素半導體Si、Ge及Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體GaAs、InAs、InSb、InS、InGaAs、InGaAsP、PbSnTe、PbSnSe、HgCdTe等。

對光電探測器件的性能要求主要有：

①回響靈敏度高，即要求探測器有較高的光信號－電信號的轉換效率；

②回響速度快，當入射光信號受到高頻調製時，光電二極體能夠快速回響；

③噪聲低，探測器的噪聲性能表征該器件所能分辨的最小信號電平，噪聲低意味著探測器在測量光輻射能量時具有較高的準確度，可探測的最低功率小。

回響靈敏度

用輸入光功率P與輸出光電流I表示的一個實用參量。它的定義是：

光電二極體

單位為安/瓦或微安/微瓦。式中e是電子電荷，h是普朗克常數，υ是入射光頻率，c是光速。故R(λ)由入射光波長λ、量子效率η(λ)和倍增因子M決定。在某一入射光波作用下，沒有倍增時，量子效率的定義為單位時間內產生並被電極收集的光生載流子數與波長為 λ的入射光子數之比。η(λ)由器件表面的反射率、材料的光吸收係數α和吸收層厚度決定。減小表面反射率，並使吸收層厚度為1/α時，可得到最好的量子效率。α取決於入射光波長，因而η(λ)也與波長密切相關。當入射光子能量hυ低於材料的禁頻寬度Eg時,載流子從價帶到導帶的躍遷不能發生，由此決定光電二極體的長波回響極限λc,λc=1.24/Eg（Eg單位為電子伏,λc單位為微米）。當hυ>>Eg時，由於吸收係數太大,光子的吸收只在表面附近發生，光生載流子擴散到耗盡層之前通過表面複合中心與多子複合，這一過程無益於光電流，造成量子效率的降低,構成光譜回響的短波限制。因此,光電二極體的波長回響特性決定於材料和器件結構（見表）。

回響速度

限制光電二極體回響速度的因素如下：

①　光生載流子在耗盡層外的P區和N區中的有限擴散時間引起渡越過程的延遲。採用全耗盡型的器件結構可把這一效應減小到最小。

②　信號電流受到結電容Cd並聯的影響。光信號調製頻率的上限由ReCd時間常數決定

式中Re為與Cd串聯的等效電阻,它包括器件的串聯電阻和負載電阻。採用全耗盡型的器件結構及小負載電阻時，可以獲得較好的回響特性。二極體的電容與結面積成正比，與耗盡層寬度成反比，因此減小結面積，增大耗盡層寬度可降低時間常數ReCd。

③　載流子漂移穿過耗盡層的有限渡越時間引起的延遲。足夠大的反向偏流下，載流子以散射限制速度υs漂移,則渡越時間延遲τd由耗盡層寬度ω決定:τd=ω/υs，渡越時間允許的最高調製頻率f

f≈2.8/2πτd

因此，光電二極體的回響速度主要由時間常數和渡越時間效應決定。最佳的折衷選擇是使f≈f，即τd≈2.8ReCd。適當選擇結面積、摻雜濃度、結深、負載電阻等參數，可以獲得最佳的頻率回響特性。

工作噪聲

在光接收機中，經過探測、檢波、變換等過程把光信號還原成原發的電信號。但各部分都存在噪聲，所以從輸出端解調出來的電信號與傳送端發出來的電信號不完全相同，而在正確值附近有無規則起伏，將限制可探測信號的最小光功率。通常用信噪比S/N、噪聲等效功率P或探測靈敏度D*表征光電二極體的噪聲性能。

光電二極體降低噪聲原理圖

信噪比S/N是描述有用信號強度與噪聲強度相對比值的量。通常用信號電流與噪聲電流的均方值表示。

噪聲等效功率P是信噪比等於 1時的入射光功率。它代表可探測的最小光功率。P越小，光電二極體的探測靈敏度越高。

探測靈敏度

探測靈敏度D*的定義為：

式中A是器件的光敏面積，B是頻寬。由於P與和成正比,故D*是一個與光敏面積、頻寬無關的量。採用D*這個量可以對不同頻寬、不同光敏面積的光電二極體進行比較。作為表征器件噪聲特性的一個靈敏參數,D*越大，光電二極體的探測靈敏度越高，噪聲性能也就越好。

光電二極體探測靈敏度示意圖

圖2 以雪崩光電二極體接收機為例說明各種主要的噪聲來源及其增殖過程。

量子噪聲為光信號本身所固有，只要存在光－電轉換過程就必然存在散粒噪聲。這兩種噪聲是無法克服的。暗電流噪聲則可通過選取適宜的材料、合理設計器件結構和保證工藝質量來減小。光接收機電路的輸入阻抗一般比較低，熱噪聲通常是主要的噪聲成分。在這種情況下採用半導體雪崩光電二極體可以有效地增加信噪比。但在光信號倍增的同時，不僅散粒噪聲和暗電流噪聲也得到倍增，而且由於雪崩過程，過剩噪聲的影響增加得更快，過大的雪崩倍增(M過大)反而使信噪比下降。因此,光接收機的合理設計應選取適中的M值,以獲得最佳的信噪比性能。

現代長距離、大容量光纖通信系統的發展，需要有1.0～1.6微米波長範圍的高速、高靈敏度光電探測器。除正在研製的Ge、InGaAs系PIN、APD外,InP或GaSb系超晶格APD、緩變帶隙APD或利用共振電離現象的 APD等新結構器件已開始研製，有可能實現優良的低噪聲特性。研製超長波長光電探測器，提高其工作溫度，對於發展超低損耗光纖通信系統和長距離精密測距技術具有重要意義。
參考書目
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.