光电二极管

本页面介绍光电二极管原理、特性

原理

光电检测器本质上是一种光电效应的光电转换器件。

PIN光电二极管在P型半导体和N型半导体之间，加入一种轻微掺杂的本征半导体，这样的光电二极管称为PIN光电二极管。I的含义是中间这一层是本征半导体。PIN光电二极管耗尽层很宽，几乎是整个本征半导体的宽度，而P型半导体与N型半导体的宽度与之相比是很小的，因而大部分光在此区域被吸收，从而提高了量子效率和响应度。

特性

波长响应范围

波长响应范围，光电效应的条件决定其上截止波长。在光电二极管中，入射光的吸收伴随着导带和价带之间电子跃迁。如果入射光子能量小于 Eg 时，价带上的电子吸收能量不足以使其跃迁到导带上去，那么不论光多强，光电效应也不会发生。也就是说，光电效应必须满足条件，

\[ h v > E_g \]

式中 c 是真空中的光速，\(\lambda\) 是入射光的波长，h 是普朗克常量。

上截止波长

也就是说，入射光的波长必须小于某个临界值才会有光电效应，这个临界值就叫做上截止波长，定义为。

\[ \lambda_c = \frac{hc}{E_g} \approx \frac{1.24}{E_g} \]

式中 Eg 的单位为电子伏特，eV。

由于不同的材料有不同的禁带宽度，所以不同的材料制作的光电检测器具有不同的波长响应。对于硅材料制作的光电二极管，\(\lambda_c\) 为 1.06 μm。对于锗材料制作的光电二极管，\(\lambda_c\) 为 1.60 μm。

下截止波长

材料对光的吸收决定其下截止波长。这是因为当入射光波长太短时，光子的吸收系数很强，使大量入射光子在 PN 结的表面层(零电场的中性区)被吸收，但中性区产生的电子空穴对，在扩散进入耗散层之间容易被再复合掉，使光电转换效率大大下降。

结合如上特性，Si 光电二极管的波长范围为 0.5-1.0μm。Ge 和 InGaAs光电二极管的波长范围为 1.1-1.6μm。

光电转换效率

光电二极管的光电转换效率可由如下方法给出。常用量子效率和响应度来衡量光电转换效率。入射光束在光电二极管表面有一定的反射，设入射表面的反射率为 r，同时在零电场表面层内产生电子-空穴对，不能有效地转换成光电流。因此，当入射功率为 P0 时，光生电流可以表示为：

\[ I_p = \frac{e_0}{h\nu}(1 - r)P_0 \exp(-\alpha w_1)[1 - \exp(-\alpha w)] \]

式中：\(w_1\)是零电场的表面层的厚度，\(w\)是耗尽层的厚度。

光电二极管的量子效率表示为：入射光子能够转换成光电流的概率，是光生穴对和入射光子数的比值，即

\[ \eta = \frac{I_p / e_0}{P_0 / h\nu} = (1 - r)\exp(-\alpha w1)[1 - \exp(-\alpha w)] \]

式中：\(e_0\)是电子电荷；\(I_p\)是光电流的强度；\(P_0\)是入射光功率。

要提高量子效率，必须采取以下措施：

尽量减小光子在表面层的反射率，增加入射到光电二极管的光子数；
尽量减小中性区的厚度，增加耗尽层的宽度。使光子尽可能在耗尽层被吸收。

响应度

光电转换效率也可以直接用光生电流\(I_p\)和入射光功率\(P_0\)的比值来表示，由于该比值表示了输出（\(I_p\)）对输入（\(P_0\)）的响应，因此称其为响应度，即

\[ R = \frac{I_p}{P_0} = \frac{\eta e_0}{h\nu} \quad (\mu A/\mu W)\]

其中，\(P_0\):入射光功率；\(I_p\):光电流。

量子效率

量子效率可描述为：

\[ \eta = \frac{光生电子 - 空穴对数}{入射光子数}\]

从物理概念可知

光生电子 - 空穴对\(=\frac{I_p}{e}\)（\(e\)为电荷电量）

入射光子数\(=\frac{P_0}{hf}\)（\(hf\)为一个光子的能量）

故

\[ \eta = \frac{I_p/e}{P_0/hf} = \frac{I_p hf}{P_0 e} = R_0 \left(\frac{hf}{e}\right)\]

即

\[ R_0 = \frac{e}{hf} \eta \]

响应速度

光电二极管的响应速度常用响应时间、上升时间和下降时间来表示。光生电流脉冲前沿由最大幅度的百分之十上升到百分之九十，后沿由百分之九十下降到百分之十的时间，定义为脉冲上升时间和下降时间。

影响响应速度的主要因素为：

结电容和负载电阻的 RC 时间常数。
载流子在耗尽区内的渡越时间。
耗尽区外产生的载流子扩散时间。

线性饱和

光电二极管的线性饱和是指它有一定的功率检测范围，当入射功率太强时，光电流和光功率将不成正比，从而产生非线性失真。PIN光电二极管有非常宽的线性工作区。

暗电流

暗电流是指无光照时，光电二极管的反向电流。暗电流的随机起伏会形成暗电流噪声。硅材料制作的 PIN 光电二极管可小于纳安，但锗的光电二极管的暗电流经常达到几百纳安。因此，在长波长波段，暗电流小的铟镓砷光电二极管得到迅速发展。

噪声特性

光电检测器的噪声直接影响光接收的灵敏度。PIN光电二极管噪声包括信号电流和暗电流产生的散粒噪声，以及由负载电阻和后继放大器输入阻抗产生的热噪声。

各种噪声的特点如下：

量子噪声的产生是由于光信号入射到光检测器上时，光电子的产生和收集过程具有统计特性，泊松分布。光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，这是光检测过程的基本特性，从而在其他条件都达到最优化时，使接收机的灵敏度具有一个最低极限。
暗电流噪声：当没有光信号照射光检测器时，外界的一些杂散光或热运动也会产生一些电子空穴对，光检测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流，即使无光照时，光电二极管的反向漏电流。
漏电流噪声：当光检测器表面物理状态不完善和加有偏置电压时，会引起很小的漏电流噪声，但这种噪声并非本征性噪声，可通过光检测器的合理设计、良好的结构和严格的工艺降低。
热噪声主要指前置放大器噪声，其中包括电阻热噪声和晶体管组件内部噪声。它是在有限温度下导电媒质内自由电子和振动离子间热相互作用引起的一种随机脉动。