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半導(dǎo)體光電二極管

時(shí)間:2012-07-05來(lái)源:輝鵬網(wǎng)絡(luò) 作者:編輯 點(diǎn)擊:
內(nèi)容提要: 半導(dǎo)體光電二極管體積小,重量輕,靈敏度高,響應(yīng)速度快,而且在幾伏的偏置電壓下即可工作
  

  半導(dǎo)體光電二極管體積小,重量輕,靈敏度高,響應(yīng)速度快,而且在幾伏的偏置電壓下即可工作。對(duì)于光纖通信系統(tǒng),半導(dǎo)體光電二極管是近乎理想的檢測(cè)器。下面將討論三類(lèi)這樣的器件,即Pn型光電二極管、PIN型光電二極管和雪崩光電二極管。

                        pn結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu)

                   圖: pn結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu)。(a)反向偏置二極管;(b)pn結(jié);(c)能級(jí)圖

  簡(jiǎn)單的Pn光電二極管結(jié)構(gòu)如上圖所示,主要用來(lái)解釋結(jié)型半導(dǎo)體光檢測(cè)器的基本檢測(cè)原理。當(dāng)Pn結(jié)反向偏置時(shí),p區(qū)和兒區(qū)之間的勢(shì)壘增加。通常在咒區(qū)的自由電子和在p區(qū)的自由空穴不能越過(guò)勢(shì)壘,所以也就沒(méi)有電流產(chǎn)生。Pn結(jié)結(jié)區(qū)也就是勢(shì)壘所在的區(qū)域。由于結(jié)區(qū)沒(méi)有自由電荷,所以這個(gè)區(qū)叫做耗盡區(qū)。也正因?yàn)闆](méi)有自由電荷,所以這是一個(gè)高電阻區(qū)域,從而導(dǎo)致整個(gè)二極管的電壓幾乎全部加在結(jié)區(qū)的兩側(cè)。因此,耗盡區(qū)是一個(gè)高電場(chǎng)區(qū),而在結(jié)區(qū)之外電場(chǎng)幾乎可以忽略。

  圖(c)顯示,一個(gè)人射光子經(jīng)過(guò)p層以后在結(jié)區(qū)被吸收。吸收的能量激發(fā)一個(gè)束縛電子從價(jià)帶越過(guò)帶隙到達(dá)導(dǎo)帶。此時(shí)電子成為自由載流子,能夠自由運(yùn)動(dòng)。同時(shí),一個(gè)空穴留在價(jià)帶上由電子空出的位置。自由電荷載流子就是以這樣的方式通過(guò)吸收光子產(chǎn)生的。自由電子在結(jié)區(qū)電場(chǎng)的作用下向勢(shì)壘底部運(yùn)動(dòng),空穴的勢(shì)能剛好與電子相反,所以向勢(shì)壘頂端運(yùn)動(dòng)。自由電荷的定向運(yùn)動(dòng)在外電路產(chǎn)生了電流,這與真空光電二極管中由光致發(fā)射電子產(chǎn)生電流的方式類(lèi)似。如果電子一空穴對(duì)復(fù)合,或者到達(dá)電場(chǎng)力很小的結(jié)區(qū)邊緣,電荷便會(huì)停止運(yùn)動(dòng),電流也就終止了。

  如果光子在結(jié)區(qū)外面的p區(qū)或n區(qū)被吸收又會(huì)產(chǎn)生什么情況呢?這時(shí),同樣也會(huì)產(chǎn)生電子一空穴對(duì),但因?yàn)榻Y(jié)區(qū)外的電場(chǎng)力很小,所以自由電荷并不可能快速運(yùn)動(dòng)。絕大部分的自由電荷將在二極管內(nèi)緩慢擴(kuò)散,并在到達(dá)結(jié)區(qū)之前復(fù)合。這些電荷會(huì)產(chǎn)生微小的電流,從而降低檢測(cè)器的響應(yīng)度。 很明顯,這種現(xiàn)象使得Pn結(jié)型檢測(cè)器的效率不高。為了提高響應(yīng)度,可以在二極管芯片中集成一個(gè)前置放大器,這樣的器件稱(chēng)為集成前置放大檢測(cè)器(IDP,integrated detector preamplifier)。

  在緊靠耗盡區(qū)附近產(chǎn)生的電荷載流子能夠向耗盡區(qū)擴(kuò)散,這些電荷在大電場(chǎng)力的作用下通過(guò)耗盡區(qū)。這樣也可以在外電路中產(chǎn)生電流,但這種電流響應(yīng)相對(duì)于入射光功率的變化會(huì)有一個(gè)時(shí)延。

  假定我們要通過(guò)檢測(cè)外加的階躍入射光功率來(lái)測(cè)量一個(gè)Pn結(jié)型光電二極管的上升時(shí)間。部分來(lái)自階躍脈沖前沿的光子會(huì)在結(jié)區(qū)被吸收,并在此瞬間產(chǎn)生電流。但是,另一些前沿的光子可能在接近結(jié)區(qū)的地方被吸收,這會(huì)導(dǎo)致電流延遲一段時(shí)間。因此,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中將看到電流是逐漸上升的,峰值出現(xiàn)在外加階躍波形輸入完成之后。這種上升時(shí)間通常比較長(zhǎng),典型的PIN結(jié)型光電二極管的上升時(shí)間為微秒量級(jí),所以在高速光纖通信系統(tǒng)中不適用。PIN型二極管結(jié)構(gòu)可以解決響應(yīng)度低和響應(yīng)速度慢的問(wèn)題。

  將半導(dǎo)體Pn結(jié)作為光發(fā)射器和作為光檢測(cè)器的特點(diǎn)做一個(gè)比較是很有趣的事情。用做光發(fā)射器時(shí),二極管是正向偏置的,電荷注入結(jié)區(qū)通過(guò)復(fù)合產(chǎn)生光子。用做檢測(cè)器時(shí),其過(guò)程剛好相反,二極管是反向偏置的,入射光子產(chǎn)生電子一空穴對(duì),從而在外電路中產(chǎn)生電流。盡管實(shí)際上不這么做,但一個(gè)簡(jiǎn)單的Pn結(jié)的確能設(shè)計(jì)成同時(shí)用做發(fā)射器和檢測(cè)器兩種功能的器件。


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