雪崩光电二极管
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由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多，所以减小扩散分量 的比例便可显著提高响应速度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层， 又会增加载流子漂移的渡越时间， 使响应速度减慢。
为了解决这一矛盾， 就需要改进PN结光电二极管的结构。
二、PIN 光电二极管
（一）PIN光电二极管的结构
PIN光电二极管的产生
由于PN结耗尽层只有几微 米，大部分入射光被中性区吸 收， 因而光电转换效率低，响 应速度慢。
在表层产生的光生载 流子要扩散到耗尽区才能 产生光生电流，而在表层 为零电场扩散区，扩散速 度很慢，在光生载流子还 没有到达耗尽层时就大量 被复合掉了，使得光电转 换效率在波长很短时大大 下降。
综上所述： 检测某波长的光时要选择合适材料作成的光检测器。 首先，材料的带隙决定了截止波长要大于被检测光波波长，
1.0
£½90£¥
0.8
InGaAs
70£¥
0.6
Si
50£¥
Ge
0.4 30£¥
(¡¤W £-1)
0.2 10£¥
0
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
1.7
m
图3-22 PIN光电二极管响应度 、量子效应率 与波长 的关系
N区运动，空穴向P区运动
在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生 电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下， 形成和漂移电流相同方向的扩散电流。
漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与P 层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称 为光电效应。
当连接的电路闭合时， N区过剩的电子通过外部电 路流向P区。同样，P区的 空穴流向N区， 便形成了 光生电流。
当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号 转换成电信号。
这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产 生的电子 - 空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件， 就是简单的光电二极管(PD)。
光电二极管通常要施加适 当的反向偏压，目的是增加耗 尽层的宽度，缩小耗尽层两侧 中性区的宽度，从而减小光生 电流中的扩散分量。
1. 波长响应范围（光谱特性）
不同半导体材料存在着上限波长即截止波长; 入射波长远远小于截止波长时，光电转换效率会大大降低。 因此，半导体光电检测器只可以对一定波长范围的光信号 进行有效的光电转换，这一波长范围就是波长响应范围。
当波长很短时，材料的 吸收系数很大，这样，光 在半导体材料表层即被吸 收殆尽。
3.3 光无源器件 3.3.1 连接器和接头 3.3.2 光耦合器 3.3.3 光隔离器与光环行器 3.3.4 光调制器 3.3.5 光开关
3.2 光检测器
光检测器用于将接收到的光信号转换成电信号，由于从光纤
传过来的光信号一般都很微弱，因此对光检测器的基本要求是? 光检测器是光接收机的关键器件，目前常用的光检测器有
PIN光电二极管 雪崩光电二极管（APD）
一、光电二极管工作原理
光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能， 是由半 导体PN结的光电效应实现的。
PN结界面
电子和空穴 的扩散运动
内部电场
漂移运动
能带倾斜
当入射光作用在PN结时如或果等光于子带的隙能( h量f ≥大E于g ) 发生受激吸收 在耗尽层 内部电场的作用，电子向 形成漂移电流。
否则不能进行光电转换； 其次，材料的吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。
2. 量子效率和光谱特性。
光电转换效率用量子效率 或响应度 表示。
量子效率 的定义为一次光生电子 -空穴对和入射光子数
的比值。
光生电子 空穴对 入射光子数
IP /e P0 / hf
Βιβλιοθήκη Baidu
IP P0
hf e
(3.13)
假设器件表面反射率为零，P层和N层对量子效率的贡献 可以忽略， 在工作电压下，I层全部耗尽，那么PIN光电二极 管的量子效率可以近似表示为
1 exp[()w]
(3.15)
式中，α(λ)和w分别为I层的吸收系数和厚度。由式(3.15)可 以看到，当α(λ)w>>1时，η→1，所以为提高量子效率η，I 层 的厚度w要足够大。
两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据 整个耗尽层， 因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高 了响应速度。
另外，可通过控制耗尽层的宽度w，来改变器件的响应速度。
光 抗 反 射膜
电极
P＋
(n )
N＋ E
电极
图3. 21 PIN光电二极管结构
（二）主要特性：
PIN光电二极管的主要特性包括波长响应范围、响应度、 量子效率、响应速度及噪声特性等。
为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低 的本征半导体(称为I, Intrinsic)，这种结构便是常用的PIN光电 二极管。
中间的I层是N型掺杂浓度很低的 本征半导体，用Π(N)表示；两侧是 掺杂浓度很高的P型和N型半导体， 用P+和N+表示。
I层很厚， 吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分 吸收而产生大量电子 - 空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。
3.1 光源 3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构 3.1.2 半导体激光器的主要特性 3.1.3 分布反馈激光器 3.1.4 发光二极管 3.1.5 半导体光源一般性能和应用
3.2 光检测器 3.2.1 光电二极管工作原理 3.2.2 PIN 光电二极管 3.2.3 雪崩光电二极管(APD) 3.2.4 光电二极管一般性能和应用
响应度的定义为一次光生电流IP和入射光功率P0的比值
IP e (A/W)
P0 hf 式中， hf 为光子能量， e为电子电荷。
(3.14)
例2： PIN hf 1.53 10 19 J， 0.65A/W，P0 10μW
得 62% I P 6.5μA
量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构。
量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收光谱α(λ)，对 长波长的限制由式(3.6)确定，即λc= 1.24 /Eg。
图3.22示出量子效率η和响应度ρ的光谱特性，由图可见，Si 适用于0.8~0.9μm波段， Ge 和InGaAs 适用于1.3~1.6 μm波段。 响应度一般为0.5~0.6 (A/W)。
为了解决这一矛盾， 就需要改进PN结光电二极管的结构。
二、PIN 光电二极管
（一）PIN光电二极管的结构
PIN光电二极管的产生
由于PN结耗尽层只有几微 米，大部分入射光被中性区吸 收， 因而光电转换效率低，响 应速度慢。
在表层产生的光生载 流子要扩散到耗尽区才能 产生光生电流，而在表层 为零电场扩散区，扩散速 度很慢，在光生载流子还 没有到达耗尽层时就大量 被复合掉了，使得光电转 换效率在波长很短时大大 下降。
综上所述： 检测某波长的光时要选择合适材料作成的光检测器。 首先，材料的带隙决定了截止波长要大于被检测光波波长，
1.0
£½90£¥
0.8
InGaAs
70£¥
0.6
Si
50£¥
Ge
0.4 30£¥
(¡¤W £-1)
0.2 10£¥
0
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
1.7
m
图3-22 PIN光电二极管响应度 、量子效应率 与波长 的关系
N区运动，空穴向P区运动
在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生 电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下， 形成和漂移电流相同方向的扩散电流。
漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与P 层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称 为光电效应。
当连接的电路闭合时， N区过剩的电子通过外部电 路流向P区。同样，P区的 空穴流向N区， 便形成了 光生电流。
当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号 转换成电信号。
这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产 生的电子 - 空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件， 就是简单的光电二极管(PD)。
光电二极管通常要施加适 当的反向偏压，目的是增加耗 尽层的宽度，缩小耗尽层两侧 中性区的宽度，从而减小光生 电流中的扩散分量。
1. 波长响应范围（光谱特性）
不同半导体材料存在着上限波长即截止波长; 入射波长远远小于截止波长时，光电转换效率会大大降低。 因此，半导体光电检测器只可以对一定波长范围的光信号 进行有效的光电转换，这一波长范围就是波长响应范围。
当波长很短时，材料的 吸收系数很大，这样，光 在半导体材料表层即被吸 收殆尽。
3.3 光无源器件 3.3.1 连接器和接头 3.3.2 光耦合器 3.3.3 光隔离器与光环行器 3.3.4 光调制器 3.3.5 光开关
3.2 光检测器
光检测器用于将接收到的光信号转换成电信号，由于从光纤
传过来的光信号一般都很微弱，因此对光检测器的基本要求是? 光检测器是光接收机的关键器件，目前常用的光检测器有
PIN光电二极管 雪崩光电二极管（APD）
一、光电二极管工作原理
光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能， 是由半 导体PN结的光电效应实现的。
PN结界面
电子和空穴 的扩散运动
内部电场
漂移运动
能带倾斜
当入射光作用在PN结时如或果等光于子带的隙能( h量f ≥大E于g ) 发生受激吸收 在耗尽层 内部电场的作用，电子向 形成漂移电流。
否则不能进行光电转换； 其次，材料的吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。
2. 量子效率和光谱特性。
光电转换效率用量子效率 或响应度 表示。
量子效率 的定义为一次光生电子 -空穴对和入射光子数
的比值。
光生电子 空穴对 入射光子数
IP /e P0 / hf
Βιβλιοθήκη Baidu
IP P0
hf e
(3.13)
假设器件表面反射率为零，P层和N层对量子效率的贡献 可以忽略， 在工作电压下，I层全部耗尽，那么PIN光电二极 管的量子效率可以近似表示为
1 exp[()w]
(3.15)
式中，α(λ)和w分别为I层的吸收系数和厚度。由式(3.15)可 以看到，当α(λ)w>>1时，η→1，所以为提高量子效率η，I 层 的厚度w要足够大。
两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据 整个耗尽层， 因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高 了响应速度。
另外，可通过控制耗尽层的宽度w，来改变器件的响应速度。
光 抗 反 射膜
电极
P＋
(n )
N＋ E
电极
图3. 21 PIN光电二极管结构
（二）主要特性：
PIN光电二极管的主要特性包括波长响应范围、响应度、 量子效率、响应速度及噪声特性等。
为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低 的本征半导体(称为I, Intrinsic)，这种结构便是常用的PIN光电 二极管。
中间的I层是N型掺杂浓度很低的 本征半导体，用Π(N)表示；两侧是 掺杂浓度很高的P型和N型半导体， 用P+和N+表示。
I层很厚， 吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分 吸收而产生大量电子 - 空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。
3.1 光源 3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构 3.1.2 半导体激光器的主要特性 3.1.3 分布反馈激光器 3.1.4 发光二极管 3.1.5 半导体光源一般性能和应用
3.2 光检测器 3.2.1 光电二极管工作原理 3.2.2 PIN 光电二极管 3.2.3 雪崩光电二极管(APD) 3.2.4 光电二极管一般性能和应用
响应度的定义为一次光生电流IP和入射光功率P0的比值
IP e (A/W)
P0 hf 式中， hf 为光子能量， e为电子电荷。
(3.14)
例2： PIN hf 1.53 10 19 J， 0.65A/W，P0 10μW
得 62% I P 6.5μA
量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构。
量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收光谱α(λ)，对 长波长的限制由式(3.6)确定，即λc= 1.24 /Eg。
图3.22示出量子效率η和响应度ρ的光谱特性，由图可见，Si 适用于0.8~0.9μm波段， Ge 和InGaAs 适用于1.3~1.6 μm波段。 响应度一般为0.5~0.6 (A/W)。