光电二极管

②射频相移器的选择开关：
• 射频信号的相移 器可以采用不同长度 的传输线来实现， pin 结二极管能够作为选 择这些传输线的开关 使用。
③光电探测器：
• 在 pin 结中，因 为有内建电场的区域 （i 型层）较宽，则使 得入射光几乎能完全 被 i 型 层所吸收、和 转变为光生载流子， 因而 pin 结二极管作 为光电探测器使用时， 可以获得较大 的探测 灵敏度。
APD-器件特性
●
噪声
雪崩过程本质上具有统计性，
因为在耗尽区内给定距离处产生的 每个电子-空穴对是相互独立的， 并不经历完全相同的倍增，因为雪 崩倍增的这种起伏，使噪声因子
F (M ) M M
2 2

均方值 平均值的平方
依赖于倍增因子，如图：
APD-器件特性
• 降低噪声
从公式
M0 1 1 d
可以看出， n 和 p 相等的情形下，可
以从很窄的倍增区获得很高的增益，但这时APD的噪声很 大，所以APD的倍增区常采用 n 和 p 相差很大的材料，雪 崩过程应以电离率较高的载流子引发。 结构优化：雪崩区和吸收区分开，使低电离率的载流 子保持最小，因此尽量避免在高场雪崩区的光吸收。
异质结APD
优点 ：
1，吸收-窄禁带，倍 增 -宽 禁 带 ， 避 免 强 电场引起的隧道电流； 防止边缘击穿 2，倍增区做的足够 薄，进一步降低噪声。
APD应用
• APD的增益带宽积可以大于300GHz，可以对微波频率调制光发生响 应。
• 由于雪崩光敏二极管的灵敏度高，响应快，因此常被用于光纤通信和 光磁盘的受光装置来处理弱光信号。
护环的结构
· 保护环低掺杂，曲率半径足够大 · 保证雪崩击穿均匀地发生在中心 区的PN结内；较高击穿电压。
P
P+
P
N/i
N+
APD器件特性
• 性能表征：量子效率、响应速度、增益、噪声等 • 增益 电子的直流倍增因子：
以上公式基于假设电离率与位置无关，当电子和空穴电离率相等时，倍 增因子变为：
击穿条件： 雪崩光敏二极管的反向偏压略低于击穿电压，其光电流增 益为10~100
• • • •
•
五ˎ PIN型光电二极管的典型应用
①射频信号的转换开关
因为 pin 结二极管的射 频电阻与直流偏置电流 有 关，所以它可以用作为射 频开关和衰减器。串联射 频开关电路：当二极管正 偏时，即接通（短路） ； 当二极管 0 偏或者反偏 时，即可把 pin 结看作为 一个电容器或者开路。
APD--拉-通结构
• 低-高-低APD： p p n

实际工艺中，低高低结构形成窄P区是很困难的
APD--拉-通结构
• 高-低APD: n p p

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该器件结构在大直径硅片上更易制造，
通过离子注入或者扩散，杂质分布可
以得到很好的控制，对于涂有抗反膜 的器件，在0.8um波长附近可以得到
四ˎ PIN型光电二极管的主要参数
• • • • 1. 开关时间： 由于电荷的存储效应，PIN管的通断和断通都需 要一个过程，这个过程所需时间 2. 隔离度：开关在断开时其衰减也非无穷大，称为隔离度 3. 插入损耗：开关在导通时衰减不为零，称为插入损耗 4. 承受功率： 在给定的工作条件下，微波开关能够承受的最大 输入功率 5. 电压驻波系数： 仅反映端口输入，输出匹配情况 6. 视频泄漏 7. 谐波： PIN二极管也具有非线性，因而会产生谐波，PIN开关 在宽带应用场合，谐波可能落在使用频带内引起干扰. 8. 开关分类：反射式和吸收式， 吸收式开关的性能较反射式开 关优良 9. 控制方式：采用TTL信号控制。'1'通'0'断
光电二极管
光电二极管的特性研究
• 光电二极管的结构原理 • 光电二极管的光照特性 • 光电二极管的伏安特性
光电二极管的两种典型结构
其中(a)是采用N型单晶硅和扩散工艺，称为p＋n结构。它的 型号是2CU型。而(b)是采用P型单晶和磷扩散工艺，称n＋p 结构。它的型号为2DU型。
2CU型(a)
2DU型(b)
谢谢观看
接近100%的量子效率。
噪声因子比低高低结构稍高。
异质结APD
●
异质节窗口效应 分离吸收和倍增SAM-APD APD可由薄吸收区和倍增区 构成
E g 1 .35 ev E g 0 . 75 ev
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●
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1.5~1.65um波长的光通信用
的InGaAs APD典型结构
E g 0 . 75 ev
• 处于反向工作状态 • 没有光照时，反向电流很小（小于0.1uA）, 此时成为暗电流 • 光生载流子在PN结处的内场作用下产生定 向移动，形成光电流 • 光电二极管在不受光照射时处于截止状态， 受光时处于导通状态
光电二极管的光照特性
• 在偏压一定的情下， 入射光的强度发生变 化，光电二极管的电 流随之变化，并且光 电流和照度呈线性关 系。当没有光照射时， 此时电流为暗电流。 • 当U的值大于KT/e时 输出电流为I=Ip+Io， 忽略反向饱和电流得 I=Ip。
二ˎ PIN型光电二极管的结构
pin结二极管的基本结构有两种，即平面的 结构和台面的结构
三ˎ PIN结的导电特性
pin 结就是在 pin 结的空间电荷区 分别在 i 型层两边的界面处， 而整个的 i 型层中没有空 间电荷，但是存在由两边 的空间电荷所产生出来的电场——内建电 场，所以 pin 结的势垒区 就是整个的 i 型层。
系统。最近几年，由于超高速光通信、信号处理、测量和
传感系统的需要，需要超高速高灵敏度的半导体光电探测 器。为此，发展了谐振腔增强型（RCE）光电探测器、金
属-半导体-金属（MSM）行波光电探测器，以及分离吸收
梯度电荷和雪崩光电二极管（APD）等
APD-基本结构与原理
illumination
· 利用雪崩倍增效应制成 · 雪崩光敏二极管通常采用具有保
• 单光子探测器（盖革模式）
PIN光电二极管
PIN光电二极管
PIN型光电二极管 也称PIN结二极管、 PIN二极管，在两种半 导体之间的PN结，或 者半导体与金属之间 的结的邻近区域，在P 区与N区之间生成I型 层，吸收光辐射而产 生光电流的一种光检 测器。具有结电容小、 渡越时间短、灵敏度 高等优点。
结构简图
外形图
等 效 电 路 图
光谱特性
通常将其峰值响应波长的电流灵敏度作为光电二极管的电流 灵敏度。硅光电二极管的电流响应率通常在0.4~05A/W
Si光电二极管光谱响应范围 ：0.4~1.1m 峰值响应波长约为0.9 m
主要特点
• 一个PN结，属于单向导电的非线性元件 • 光电二极管管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的 光照 • 光电二极管PN结势垒区很薄，光生载流子产生主 要在PN结两边扩散区，光电流来自扩散电流而不 是漂移电流 • 为获得较大光电流，PN结面积大，受光面电极很 小 • 为提高光电转换能力，PN结深度较普通二极管浅
光电二极管的伏安特性
• 光电二极管的输出光 电流与偏压的关系称 为伏安特性
雪崩光电二极管（APD）
• APD基本结构与原理 • 器件特性 • 典型的APD结构举例、应用
背景介绍
半导体光电探测器由于体积小，重量轻，响应速度快， 灵敏度高，易于与其它半导体器件集成，是光源的最理想 探测器，可广泛用于光通信、信号处理、传感系统和测量