把光能轉(zhuǎn)變成電能的反向偏置晶體二極管。在一定波長(zhǎng)的光照射下，其反向電流受到光生載流子的調(diào)制作用，因而可用來(lái)對(duì)光輻射信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。

    x光電二極管用于光纖通信、激光測(cè)距、自動(dòng)控制等。發(fā)展最快的是光纖通信用光電二極管，0.8～0.9微米波段的光電二極管已能滿足實(shí)用要求。

    半導(dǎo)體光電二極管探測(cè)光輻射的基本過(guò)程是：

    ①吸收光輻射產(chǎn)生載流子，即半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶,產(chǎn)生電子-空穴對(duì)；

    ②光生載流子在二極管內(nèi)輸運(yùn)形成電流，若光子在耗盡層內(nèi)被吸收，產(chǎn)生的電子和空穴在電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)；若光子的吸收發(fā)生在耗盡層外擴(kuò)散長(zhǎng)度之內(nèi)，少子靠擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可到達(dá)耗盡層邊界，進(jìn)入耗盡層之后再作漂移運(yùn)動(dòng)；

    ③載流子向電極輸運(yùn)時(shí)，在外電路中形成電流，產(chǎn)生輸出信號(hào)。經(jīng)過(guò)上述過(guò)程，光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)測(cè)量電信號(hào)的強(qiáng)度，達(dá)到探測(cè)光信號(hào)的目的。

    半導(dǎo)體基本原理

    半導(dǎo)體光電二極管通常取PN結(jié)、PIN結(jié)、肖特基勢(shì)壘、MIS和點(diǎn)接觸等結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)與一般光電二極管類(lèi)似。只是PN結(jié)上的反偏壓足夠高，耗盡層中的載流子受到強(qiáng)場(chǎng)的加速作用而獲得足夠高的動(dòng)能，它們與原子碰撞時(shí)產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì),引起載流子雪崩式倍增，從而得到內(nèi)部電流增益。

    光電二極管性能

    各種光電二極管的波長(zhǎng)覆蓋范圍從紫外區(qū)、可見(jiàn)光區(qū)直到近紅外光區(qū)。制作光電二極管的材料有元素半導(dǎo)體Si、Ge及Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體GaAs、InAs、InSb、InS、InGaAs、InGaAsP、PbSnTe、PbSnSe、HgCdTe等。

    對(duì)光電探測(cè)器件的性能要求主要有：

    ①響應(yīng)靈敏度高，即要求探測(cè)器有較高的光信號(hào)－電信號(hào)的轉(zhuǎn)換效率；

    ②響應(yīng)速度快，當(dāng)入射光信號(hào)受到高頻調(diào)制時(shí)，光電二極管能夠快速響應(yīng)；

    ③噪聲低，探測(cè)器的噪聲性能表征該器件所能分辨的最小信號(hào)電平，噪聲低意味著探測(cè)器在測(cè)量光輻射能量時(shí)具有較高的準(zhǔn)確度，可探測(cè)的功率小。

    響應(yīng)靈敏度

    用輸入光功率P與輸出光電流I表示的一個(gè)實(shí)用參量。它的定義是：

    單位為安/瓦或微安/微瓦。式中e是電子電荷，h是普朗克常數(shù)，υ是入射光頻率，c是光速。故R(λ)由入射光波長(zhǎng)λ、量子效率η(λ)和倍增因子M決定。在某一入射光波作用下，沒(méi)有倍增時(shí)，量子效率的定義為單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生并被電極收集的光生載流子數(shù)與波長(zhǎng)為 λ的入射光子數(shù)之比。η(λ)由器件表面的反射率、材料的光吸收系數(shù)α和吸收層厚度決定。減小表面反射率，并使吸收層厚度為1/α?xí)r，可得到的量子效率。α取決于入射光波長(zhǎng)，因而η(λ)也與波長(zhǎng)密切相關(guān)。當(dāng)入射光子能量hυ低于材料的禁帶寬度Eg時(shí),載流子從價(jià)帶到導(dǎo)帶的躍遷不能發(fā)生，由此決定光電二極管的長(zhǎng)波響應(yīng)極限λc,λc=1.24/Eg（Eg單位為電子伏,λc單位為微米）。當(dāng)hυ>>Eg時(shí)，由于吸收系數(shù)太大,光子的吸收只在表面附近發(fā)生，光生載流子擴(kuò)散到耗盡層之前通過(guò)表面復(fù)合中心與多子復(fù)合，這一過(guò)程無(wú)益于光電流，造成量子效率的降低,構(gòu)成光譜響應(yīng)的短波限制。因此,光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)特性決定于材料和器件結(jié)構(gòu)。

    響應(yīng)速度

    限制光電二極管響應(yīng)速度的因素如下：

    ①　光生載流子在耗盡層外的P區(qū)和N區(qū)中的有限擴(kuò)散時(shí)間引起渡越過(guò)程的延遲。采用全耗盡型的器件結(jié)構(gòu)可把這一效應(yīng)減小到最小。

    ②　信號(hào)電流受到結(jié)電容Cd并聯(lián)的影響。光信號(hào)調(diào)制頻率的上限由ReCd時(shí)間常數(shù)決定

    式中Re為與Cd串聯(lián)的等效電阻,它包括器件的串聯(lián)電阻和負(fù)載電阻。采用全耗盡型的器件結(jié)構(gòu)及小負(fù)載電阻時(shí)，可以獲得較好的響應(yīng)特性。二極管的電容與結(jié)面積成正比，與耗盡層寬度成反比，因此減小結(jié)面積，增大耗盡層寬度可降低時(shí)間常數(shù)ReCd。

    ③　載流子漂移穿過(guò)耗盡層的有限渡越時(shí)間引起的延遲。足夠大的反向偏流下，載流子以散射限制速度υs漂移,則渡越時(shí)間延遲τd由耗盡層寬度ω決定:τd=ω/υs，渡越時(shí)間允許的調(diào)制頻率f

    f≈2.8/2πτd

    因此，光電二極管的響應(yīng)速度主要由時(shí)間常數(shù)和渡越時(shí)間效應(yīng)決定。的折衷選擇是使f≈f，即τd≈2.8ReCd。適當(dāng)選擇結(jié)面積、摻雜濃度、結(jié)深、負(fù)載電阻等參數(shù)，可以獲得的頻率響應(yīng)特性。

    工作噪聲

    在光接收機(jī)中，經(jīng)過(guò)探測(cè)、檢波、變換等過(guò)程把光信號(hào)還原成原發(fā)的電信號(hào)。但各部分都存在噪聲，所以從輸出端解調(diào)出來(lái)的電信號(hào)與發(fā)送端發(fā)出來(lái)的電信號(hào)不完全相同，而在正確值附近有無(wú)規(guī)則起伏，將限制可探測(cè)信號(hào)的最小光功率。通常用信噪比S/N、噪聲等效功率P或探測(cè)靈敏度D*表征光電二極管的噪聲性能。

    信噪比S/N是描述有用信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度相對(duì)比值的量。通常用信號(hào)電流與噪聲電流的均方值表示。

    噪聲等效功率P是信噪比等于 1時(shí)的入射光功率。它代表可探測(cè)的最小光功率。P越小，光電二極管的探測(cè)靈敏度越高。

    探測(cè)靈敏度

    探測(cè)靈敏度D*的定義為：

    式中A是器件的光敏面積，B是帶寬。由于P與和成正比,故D*是一個(gè)與光敏面積、帶寬無(wú)關(guān)的量。采用D*這個(gè)量可以對(duì)不同帶寬、不同光敏面積的光電二極管進(jìn)行比較。作為表征器件噪聲特性的一個(gè)靈敏參數(shù),D*越大，光電二極管的探測(cè)靈敏度越高，噪聲性能也就越好。

    圖2 以雪崩光電二極管接收機(jī)為例說(shuō)明各種主要的噪聲來(lái)源及其增殖過(guò)程。

    量子噪聲為光信號(hào)本身所固有，只要存在光－電轉(zhuǎn)換過(guò)程就必然存在散粒噪聲。這兩種噪聲是無(wú)法克服的。暗電流噪聲則可通過(guò)選取適宜的材料、合理設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)和保證工藝質(zhì)量來(lái)減小。光接收機(jī)電路的輸入阻抗一般比較低，熱噪聲通常是主要的噪聲成分。在這種情況下采用半導(dǎo)體雪崩光電二極管可以有效地增加信噪比。但在光信號(hào)倍增的同時(shí)，不僅散粒噪聲和暗電流噪聲也得到倍增，而且由于雪崩過(guò)程，過(guò)剩噪聲的影響增加得更快，過(guò)大的雪崩倍增(M過(guò)大)反而使信噪比下降。因此,光接收機(jī)的合理設(shè)計(jì)應(yīng)選取適中的M值,以獲得的信噪比性能。

    現(xiàn)代長(zhǎng)距離、大容量光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展，需要有1.0～1.6微米波長(zhǎng)范圍的高速、高靈敏度光電探測(cè)器。除正在研制的Ge、InGaAs系PIN、APD外,InP或GaSb系超晶格APD、緩變帶隙APD或利用共振電離現(xiàn)象的 APD等新結(jié)構(gòu)器件已開(kāi)始研制，有可能實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的低噪聲特性。研制超長(zhǎng)波長(zhǎng)光電探測(cè)器，提高其工作溫度，對(duì)于發(fā)展超低損耗光纖通信系統(tǒng)和長(zhǎng)距離精密測(cè)距技術(shù)具有重要意義。

    參考書(shū)目

    S.M.Sze,Physics of Semiconductor Devices,Wiley-Interscience, New York,1969.

    A.Yariv,Introduction to Optical　Electronics,Holt,Rinehart and Winstone,New York,1976.