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。

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，但是过大的耗尽区宽度将延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。

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

pin结二极管的基本结构有两种，即平面的结构和台面的结

构，如图1所示。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10～200m 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。而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：①去掉了平面结的弯曲部分，改善了表面击穿电压；②减小了边缘电容和电感，有利于提高工作频率。

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。

①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区。在此实际上也就暗示着载流子渡越势垒区的速度很快，即忽略了存在强电场的势垒区的阻挡作用；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）时才是允许的。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-复合电流。

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。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。

②pin 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 i 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np>ni2，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。

当 pin 结反偏时，势垒中的电场增强，势垒高度增大，则 i 型层中的载流子将进一步减少，即使得 np

总之，pin 结的导电机理不同于一般的 p-n 结。一般 p-n 结主要是由于少数载流子在两边扩散区中进行扩散而导电；pin 结则主要是由于载流子在 i 型层中的复合-产生作用而导电（两边扩散区中少数载流子的扩散过程则由于其浓度梯度很小而可以忽略）。

PIN型光电二极管的主要参数

1. 开关时间：由于电荷的存储效应，PIN管的通断和断通都

需要一个过程，这个过程所需时间

2. 隔离度：开关在断开时其衰减也非无穷大，称为隔离度

3. 插入损耗：开关在导通时衰减不为零，称为插入损耗

4. 承受功率：在给定的工作条件下，微波开关能够承受的最大输入功率

5. 电压驻波系数：仅反映端口输入，输出匹配情况

6. 视频泄漏

7. 谐波： PIN二极管也具有非线性，因而会产生谐波，PIN开关在宽带应用场合，谐波可能落在使用频带内引起干扰.

8. 开关分类：反射式和吸收式，吸收式开关的性能较反射式开关优良

9. 控制方式：采用TTL信号控制。'1'通'0'断

PIN型光电二极管的典型应用

①射频信号的转换（开关）：

因为 pin 结二极管的射频电阻与直流偏置电流有关，所以它可以用作为射频开关和衰减器。串联射频开关电路：当二极管正偏时，即接通（短路）；当二极管 0 偏或者反偏时，即可把 pin 结看作为一个电容器或者开路。

②射频信号的衰减器和调制器：

pin 结二极管的射频电阻随直流偏置电流而连续变化，因此能够通过改变直流偏置电流来实现衰减和调制射频信号。实际上，射频信号的转换也就是衰减和调制的一种特殊情况。调制频率要受到反向恢复时间的限制；为了提高 pin 结二极管的调制频率，就应。该减短 i 型层中的载流子寿命和减小串联电阻 Rs（以增大关断时的反向电流）

③射频相移器的选择开关：

射频信号的相移器可以采用不同长度的传输线来实现， pin 结二极管能够作为选择这而些传输线的开关使用。

④射频限幅器：

pin 结二极管在射频时就好像一个纯电阻——射频电阻，但是这只有在射频信号处于临界电平之下时才成立；如果在临界电平之上时，则射频电阻降低，pin 结二极管即类似于直流电阻的性能。这种特性就使得 pin 结二极管可以用来保护雷达接收机（二极管采用并联连接），以避免过大的发射功率。

⑤大功率整流器：

由于 i 型层较厚，则 pin 结二极管的击穿电压很高，从而它能够承受很高的工作电压；同时二极管在工作时，i 型层中存在大量的两种类型的载流子，将会产生电导调变效应，从而正向压降很低。所以

pin 结二极管是一种很好的大功率整流器。

⑥光电探测器：

在 pin 结中，因为有内建电场的区域（i 型层）较宽，则使得入射

光几乎能完全被 i 型层所吸收、和转变为光生载流子，因而 pin 结二极管作为光电探测器使用时，可以获得较大的探测灵敏度。基于同样的理由，结二极管也可以作为较高灵敏度的核辐射探测器使用， pin 实际上这也就是最通用的一种探测器。

光检测器的工作原理是什么?

（1）PN结的光电效应光电二极管（PD）是一个工作在反向偏压下的PN结二极管，如下图。由光电二极管作成的光检测器的核心是PN结的光电效应。

当PN结加反向偏压时，外加电场方向与PN结的内建电场方向一致，势垒加强，在PN结界面附近载流子基本上耗尽形成耗尽区。当光束入射到PN结上，且光子能量hv大于半导体材料的带隙Eg时，价带上的电子吸收光子能量跃迁到导带上，形成一个电子—空穴对。

在耗尽区，在内建电场的作用下电子向N区漂移，空穴向P区漂移，如果PN结外电路构成回路，就会形成光电流。当入射光功率变化时，光电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电信号。当入射光子能量小于Eg时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，即产生光电效应必

须满足：

λc为产生光电效应的入射光的最大波长，称为截止波长。

以Si为材料的光电二极管,λc=1.06μm；以Ge为材料的光电二极管，λc=1.60μm。

利用光电效应可以制造出简单的PN结光电二极管。但这种光电二极管结构简单，无法降低暗电流和提高响应度，器件的稳定度也比较差，实际上不适合做光纤通信的检测器。

（2）PIN光电二极管

1）PIN光电二极管的结构

PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，生成一层掺杂极低的本征材料，称为I层。在外加反向偏置电压作用下，I层中形成很宽的耗尽层。结构如图1所示。

由于I层吸收系数很小，入射光可以很容易地进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子—空穴对，因此大幅度提高了光电转换效率。另外，I层两侧的P层、N层很薄，光生载流子的漂移时

间很短，大大提高了器件的响应速度。

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的光波波长，否则材料对光透明，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。

Si―PIN光电二极管的波长响应范围为0.5～1μm。Ge―PIN和InGaAs―PIN光电二极管的波长响

应范围约为1～1.7μm。

2）响应度

响应度是描述光检测器能量转换效率的一个参量。它定义为：

其中，P0为入射到光电二极管上的光功率；Ip为所产生的光电流。它的单位为A/W。

3）量子效率

量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子

数之比，即：

η=(光电转换产生的有效电子-空穴对数)/入射光子数

其中,e为电子电荷，其值为1.6×10-19 C。所以有：

式中,λ单位取μm。可见，光电检测器的响应度随波长的增大而增大。

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。

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3来

表示

图3 光检测器的脉冲响应

光电二极管在接收机中使用时通常由偏置电路与放大器相连，这样检测器的响应特性必然与外

电路相关。

图4为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：

①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：ιRC。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。

图4 光检测器电路及等效电路

式中，ε为材料的介电常数，A为结面积，W为耗尽区厚度。

②载流子漂移通过耗尽区的渡越时间，设上升时间为：ιdr

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(即渡越时

间)的限制。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。

③耗尽区外产生的载流子扩散引起的延迟，设上升时间为：ιdi。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，接收器灵敏度是针对一定范围的光波长而言的。

光纤通信系统对光检测器的要求：

（1）在工作波长上光电转换效率高，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；

（2）响应速度快，线性好及频带宽，使信号失真尽量小。

（3）噪声低，器件本身对信号的影响小；

（4）体积小、寿命长、高可靠、工作电压低等。