第六章3 特殊的光电二极管.ppt

特殊的光电二极管
PIN光电二极管
雪崩光电二极管(APD)
紫外光电二极管
第五节特殊光电二极管
一、PIN光电二极管
n
p
PIN光电二极管示意图
i
1、结构:在PN结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料,由于中间插入的半导体材料近似为本征半导体(Intrinsic),因此这种结构称为PIN光电二极管。
PIN光电二极管及反偏时各层的场分布
I区高阻抗,电压基本都落在I区
2、原理:
结电容变小
能承受更高反偏电压
光吸收区域增加,提高量子效率
改善长波响应
载流子渡越长度增加
反向电压对少子加速
耗尽区宽度w增大
高的响应速度
高的灵敏度
长波响应范围大
4、限制响应速度的主要因素
1)载流子在耗尽层的渡越时间;
2)载流子在非耗尽层区的渡越时间;
3)PIN本身的电容和其他寄生电容的充放电时间;
4)具有异质结构的PIN在异质结界面处存在的电荷积累。
3、本征层的作用
1)增大转换效率;
2)采用低阻材料认可抗击穿电压,降低串联电阻;
3)本征层工作在反向电压下,能对少子加速;
4)结电容变小,响应速度提高;
5)一定范围内本征层增加,耗尽层内光生载流子漂移电流增加。
5、噪声与暗电流
噪声主要来源于热运动引起的散粒噪声
暗电流主要来源于扩散电流Idiff,产生复合电流Igr,隧道电流Itun及表面漏电流Is。
对Ge和Si等材料制备的PIN光电二极管来说,与(Idiff+ Igr)相比, Itun是可以忽略的。但对InGaAs、GaAlAsSb等用于长波长光纤通信的PIN器件而言,隧道电流Itun起着重要作用。
PIN器件的暗电流受表面电流影响很大, Is的大小取决于器件的表面状态,一般与PIN结的线度成正比。
除Is外, Idiff、 Igr、 Itun都随Eg的下降迅速上升
二、雪崩光电二极管
Avalanche photodiode:APD
突出优点:有内部增益,电流放大
1、工作原理
基于碰撞电离和雪崩倍增
雪崩倍增示意图
E
耗尽层
高电场区
P+
π
P
N+
达通型APD结构及电场示意图
2、APD的结构
设计要求:
1)材料的电子和空穴的离化系数差别大,提高增益M;
2)材料有好的均匀性及晶格完整,避免局部击穿;
3)器件设计上应保证注入到雪崩区是具有较高离化系数的载流子。
主要有3种结构:
1)保护环结构(GAPD) :
2)台型结构:
3)达通型结构(RAPD):
3、APD的特性参数
1)雪崩电压VB:雪崩光电二极管产生自持雪崩时的电压称为雪崩电压,或称击穿电压。
VB因器件材料、结构不同而不同,随温度变化。

2)增益系数M:定义为倍增后的光电流IL与不发生倍增效应时低电压下的光电流IL0之比:
其中V为外加电压,一般V很接近于VB ,略小于VB 。n是一常数,介于1和3之间,与半导体材料掺杂浓度分布及入射光波长有关。
限制APD最大光电流增益的几个因素
(a)二极管局部击穿限制了器件在整个有效面积上所能维持的电场;
(b)倍增后的电流在负载电阻及串联电阻上的电压降;
(c)载流子在耗尽区内的漂移所引起的空间电荷效应;
(d)电流的热效应使载流子的离化系数降低。