PIN光电二极管

1、PIN光电二极管 1. 工作原理在上述的光电二极管的 PN结中间掺入一层浓度很低的N型半导体，就可以增大耗尽 区的宽度，达到减小扩散运动的影响， 提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低,近乎本征(Intrinsic )半导体，故称I层，因此这种结构成为PIN光电二极管。I层较厚, 几乎占据了整个耗尽区。 绝大部分的入射光在I层内被吸收并产生大量的电子 -空穴对。在I 层两侧是掺杂浓度很高的 P型和N型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光产生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。但是过大的耗尽区宽度将通过插入I层，增大耗尽区宽度达到了减小扩散分量的目的, 延

2、长光生载流子在耗尽区内的漂移时间，反而导致响应变慢，因此耗尽区宽度要合理选择。通过控制耗尽区的宽度可以改变 PIN观点二极管的响应速度。2. PIN光电二极管的主要特性(1)截止波长和吸收系数只有入射光子的能量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。目录PIN型光电二极管的结构PIN结的导电特性PIN型光电二极管的主要参数PIN型光电二极管的典型应用PIN型光电二极管的结构1所示。pin结二极管的基本结构有两种，即

3、平面的结构和台面的结构，如图对于Si-pin133结二极管，其中i型层的载流子浓度很低（约为 10cm数量级）电阻率 很高、（约为k-cm 数量级），厚度 W 一般较厚（在10200m之间）；i型层两边的p 型和n型半导体的掺杂浓度通常很高（即为重掺杂）。平面结构和台面结构的i型层都可以采用外延技术来制作，高掺杂的P+层可以采用热 扩散或者离子注入技术来获得。平面结构二极管可以方便地采用常规的平面工艺来制作。台面结构二极管还需要进行台面制作（通过腐蚀或者挖槽来实现）。台面结构的优点是：去掉了平面结的弯曲部分， 改善了表面击穿电压;减小了边缘电容和电感，有利于提高工作频率。p-卄i 1 i1i

4、-n厂 rr:沖口面脩衬法F pm黠战竹的闷钟阜針冈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。 基本概念：众所周知，一般 p-n 结的导电（较大的正向电流以及很小的反向电流）主要是由于少 数 载流子在势垒区以外的两边扩散区中进行扩散所造成的；扩散区是不存在电场的电中性即忽略了存在强电场的势垒区区。 在此实际上也就暗示着载流子渡越势垒区的速度很快， 的阻挡 作用；当然，这种处理也只有在势垒区较薄（小于载流子的平均自由程

5、）时才是允-复合电流。许的。而 对于势垒区厚度较大（载流子平均自由程）的 p-n结，则就需要考虑载流子在 渡越势垒区 的过程中所造成的影响，这种影响主要就是将增加一定的产生但是，对于 pin 结，虽然它的空间电荷区是在 i 型层两头的很薄的区域，然而其势垒 区 （存在内建电场的区域）却是整个的 i 型层，则其势垒区厚度必将远远大于载流子的平 均自 由程，因此这时载流子渡越势垒区过程中的产生 - 复合作用就再也不能忽略了。 实际上， pin 1 结的单向导电性也正是由于载流子渡越 i 型层的特殊过程（复合与产生的过程）所 造成的； 相反， i 型层两边的扩散区却对于 pin 结导电性能的影响较小

6、。总之， pin 结的 导电性能与 i 型层中载流子的复合作用有很大的关系。 pin 结中载流子的输运导电机理：当 pin 结处于正偏时，势垒高度降低，则电子和空穴分别从两边大量注入到本征的 型 层，当然这必定是“大注入”；这时就不能区分多数载流子和少数载流子了，即可以认 为 i 型层中的电子浓度等于空穴浓度（ n=p ），并且均匀分布。在 i 型层中，由于 这种注 入，即使得 npni2 ，于是注入的这些电子和空穴将在 i 型层中发生复合，并从而形成 较大的通过pin结的电流。可见，pin结的正向电流从性质上来说，它是非平衡载流子在i型 层中的复合电流，载流子的复合越快，电流就越大。i型层中

7、的载流子将进一步当pin结反偏时，势垒中的电场增强，势垒高度增大，则 减少，即使得np eixiSM luVLiL2:3来表示图2为PIN光电二极管的响应度、量子效率与波长的关系。可以看出，响应度、量子效率随着波长的变化而变化。为提高量子效率，必须减少入射表面的反射率，使入射光子尽可能多地进入PN结；同时减少光子在表面层被吸收的可能性，增加耗尽区的宽度,使光子在耗尽区内被充分吸收。九uP. 4I Uhtx 1J UPS160riI執grrt *isn”4 ）响应速度响应速度是光电检测器的另一个重要参数，通常用响应时间（上升时间和下降时间），如图圈3光栓测器的脉冲响应图3光检测器的脉冲响应图4为

8、检测器电路及其等效电路，其中CPN为检测器的结电容；Rb为偏置电阻；Ra、Ca分别为放大器的输入电阻和输入电容；Rs为检测器的串联电阻，通常只有几欧，可以忽略。影响响应速度的主要因素有:检测器及其有关电路的 RC时间常数，设它造成的脉冲前沿上升时间为：1 RC。要提高响应速度，就要降 低整个电路的时间常数。从检测器本身来看，就要尽可能降低结电容。CD图斗光检测焉电路及等效电路图4光检测器电路及等效电路式中，为材料的介电常数，A为结面积，W为耗尽区厚度。载流子漂移通过耗尽区的渡越时间，设上升时间为:dr（即渡越时间）的限光电二极管的响应速度主要受到耗尽区内的载流子在电场作用下的漂移通过所需时间

9、制。渡越时间：式中，vd为光身载流子的漂移速度。漂移运动的速度与电场强度有关，电场强度较低时，漂移速度正比于电场强度， 当电场强度达到某一值后,漂移速度不再变化。耗尽区外产生的载流子扩散引起的延迟，设上升时间为：|di。耗尽区外产生的载流子一部分复合，一部分扩散到耗尽区，被电路吸收。由于扩散速度比漂移速度慢得多，因此，这部分载流子会带来附加时延，会使输出电信号脉冲拖尾加长。总的上升时间为:光检测器的功能光检测器的主要功能是将光信号转换为电信号。光检测器是光接收模块的重要部件。目前光纤通信系统中使用的光检测器主要是移相开关二极管，即PIN二极管。PIN二极管对低频信号具有整流作用，而对高频信号，却只有阻抗作用。阻抗值的大小决定于中间层。当中间层为正偏时，因为有载流子注入中间层，器件呈低阻；而当中间层处于零偏或反偏时，器件呈高阻。从而可以用于信息的检测。光检测器的一个重要性质就是接收灵敏度，它是外入光信号使接收器工作必须具有的最小功率。应该指出,