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[光敏二极管]光敏二极管的工作方式解答

日期:2022-10-21

光敏二极管结构对任何设备作为光电探测器的工作方式都有很大影响。光敏二极管的结构和材料决定了光敏二极管的工作方式,结区的大小(包括本征区域)等因素会增加可以收集光照片的区域或体积的大小。因此,用于光敏二极管的结构、材料和机制都非常重要。使用了各种不同的光敏二极管结构,这些结构根据所讨论的光电二极管的类型而有所不同。雪崩光电二极管结构不同于用于 PIN 或 PN 光敏二极管的结构。肖特基光敏二极管结构再次不同。然而,所有光电二极管结构都旨在优化光收集和转换。


开关二极管.jpg


光敏二极管一、结构

标准的PN结二极管可以提供光电二极管的功能。然而,光电二极管的关键要求之一是收集光的合适区域。在标准 PN 结内,这相对较小,但可以通过使用 PIN 二极管来增加面积。由于本征区域包含在用于集光的有源结中,因此用于集光的区域要大得多,从而使 PIN 光电二极管更有效。在光电二极管制造过程中,在 P 型和 N 型层之间插入了厚的本征层。该中间本征层可以是完全本征的,或者是非常轻掺杂的以使其成为N-层。在某些情况下,它可以作为外延层生长到衬底上,或者它可以包含在衬底本身内。


光敏二极管二、有效区域  

光敏二极管的主要要求之一是确保最大量的光到达本征层。实现这一点的最有效方法之一是将电触点放置在设备的侧面,如图所示。这使得最大量的光能够到达有效区域。发现由于衬底是重掺杂的,由于这不是有源区,因此几乎没有光损失。由于光在一定距离内大部分被吸收,本征层的厚度通常与此相匹配。任何超过此厚度的增加都会降低操作速度——这是许多应用中的一个重要因素,并且不会大大提高效率。也可以让光从结的一侧进入光电二极管。通过以这种方式操作光电二极管,可以使本征层变得更少以提高操作速度,尽管效率降低。


光敏二极管三、异质结

在某些情况下,可以使用异质结。这种结构形式具有额外的灵活性,可以从基板接收光,并且具有更大的能隙,使其对光透明。PIN 光敏二极管的异质结格式使用较少标准的技术,通常使用图中所示的 InGaAs 和 InP 等材料。作为一个不太标准的过程,它的实施成本更高,因此往往被用于更专业的产品。


φ5无边对管.jpg


光电二极管四、材料

光敏二极管的材料决定了它的许多特性。关键特性或特性之一是二极管响应的光的波长。另一个是噪音水平。这两者在很大程度上取决于光敏二极管中使用的材料。由于使用不同材料而导致的对波长的不同响应会发生,因为只有具有足够能量的光子才能在材料的带隙中激发电子,才会产生显着的能量来产生来自光电二极管的电流。虽然材料的波长敏感性非常重要,但另一个可能对光敏二极管性能产生重大影响的参数是产生的噪声水平。由于其更大的带隙,硅光电二极管产生的噪声比锗光电二极管要小。然而,还需要考虑需要光电二极管的波长,并且锗光电二极管必须用于长于大约 1000 nm 的波长。


光电二极管五、偏压下工作

雪崩光电二极管结构与更常用的PN光电二极管结构或PIN光电二极管的结构比较相似。然而,由于雪崩光电二极管在高水平的反向偏压下工作,所以在二极管结的周边放置了一个保护环。这可以防止表面破坏机制。为了获得最佳噪声性能,需要电子和空穴的电离系数有很大差异。硅提供了良好的噪声性能,不同系数之间的比率为 50。锗和许多 III-V 族化合物的比率仅小于二。虽然这些材料的噪声性能要差得多,但它们需要使用更长时间需要提供较小能隙的波长。


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