日期：2022-12-02
光敏二極管結(jié)構(gòu)對任何設(shè)備作為光電探測器的工作方式都有很大影響。光敏二極管的結(jié)構(gòu)和材料決定了光敏二極管的工作方式，結(jié)區(qū)的大小(包括本征區(qū)域)等因素會增加可以收集光照片的區(qū)域或體積的大小。因此，用于光敏二極管的結(jié)構(gòu)、材料和機(jī)制都非常重要。使用了各種不同的光敏二極管結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)根據(jù)所討論的光電二極管的類型而有所不同。雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)不同于用于 PIN 或 PN 光敏二極管的結(jié)構(gòu)。肖特基光敏二極管結(jié)構(gòu)再次不同。然而，所有光電二極管結(jié)構(gòu)都旨在優(yōu)化光收集和轉(zhuǎn)換。
光敏二極管一、結(jié)構(gòu)
標(biāo)準(zhǔn)的PN結(jié)二極管可以提供光電二極管的功能。然而，光電二極管的關(guān)鍵要求之一是收集光的合適區(qū)域。在標(biāo)準(zhǔn) PN 結(jié)內(nèi)，這相對較小，但可以通過使用 PIN 二極管來增加面積。由于本征區(qū)域包含在用于集光的有源結(jié)中，因此用于集光的區(qū)域要大得多，從而使 PIN 光電二極管更有效。在光電二極管制造過程中，在 P 型和 N 型層之間插入了厚的本征層。該中間本征層可以是完全本征的，或者是非常輕摻雜的以使其成為N-層。在某些情況下，它可以作為外延層生長到襯底上，或者它可以包含在襯底本身內(nèi)。
光敏二極管二、有效區(qū)域
光敏二極管的主要要求之一是確保最大量的光到達(dá)本征層。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的最有效方法之一是將電觸點(diǎn)放置在設(shè)備的側(cè)面，如圖所示。這使得最大量的光能夠到達(dá)有效區(qū)域。發(fā)現(xiàn)由于襯底是重?fù)诫s的，由于這不是有源區(qū)，因此幾乎沒有光損失。由于光在一定距離內(nèi)大部分被吸收，本征層的厚度通常與此相匹配。任何超過此厚度的增加都會降低操作速度——這是許多應(yīng)用中的一個重要因素，并且不會大大提高效率。也可以讓光從結(jié)的一側(cè)進(jìn)入光電二極管。通過以這種方式操作光電二極管，可以使本征層變得更少以提高操作速度，盡管效率降低。
光敏二極管三、異質(zhì)結(jié)
在某些情況下，可以使用異質(zhì)結(jié)。這種結(jié)構(gòu)形式具有額外的靈活性，可以從基板接收光，并且具有更大的能隙，使其對光透明。PIN 光敏二極管的異質(zhì)結(jié)格式使用較少標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，通常使用圖中所示的 InGaAs 和 InP 等材料。作為一個不太標(biāo)準(zhǔn)的過程，它的實(shí)施成本更高，因此往往被用于更專業(yè)的產(chǎn)品。
光電二極管四、材料
光敏二極管的材料決定了它的許多特性。關(guān)鍵特性或特性之一是二極管響應(yīng)的光的波長。另一個是噪音水平。這兩者在很大程度上取決于光敏二極管中使用的材料。由于使用不同材料而導(dǎo)致的對波長的不同響應(yīng)會發(fā)生，因?yàn)橹挥芯哂凶銐蚰芰康墓庾硬拍茉诓牧系膸吨屑ぐl(fā)電子，才會產(chǎn)生顯著的能量來產(chǎn)生來自光電二極管的電流。雖然材料的波長敏感性非常重要，但另一個可能對光敏二極管性能產(chǎn)生重大影響的參數(shù)是產(chǎn)生的噪聲水平。由于其更大的帶隙，硅光電二極管產(chǎn)生的噪聲比鍺光電二極管要小。然而，還需要考慮需要光電二極管的波長，并且鍺光電二極管必須用于長于大約 1000 nm 的波長。
光電二極管五、偏壓下工作
雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)與更常用的PN光電二極管結(jié)構(gòu)或PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)比較相似。然而，由于雪崩光電二極管在高水平的反向偏壓下工作，所以在二極管結(jié)的周邊放置了一個保護(hù)環(huán)。這可以防止表面破壞機(jī)制。為了獲得最佳噪聲性能，需要電子和空穴的電離系數(shù)有很大差異。硅提供了良好的噪聲性能，不同系數(shù)之間的比率為 50。鍺和許多 III-V 族化合物的比率僅小于二。雖然這些材料的噪聲性能要差得多，但它們需要使用更長時間需要提供較小能隙的波長。
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