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半导体开放世界

光电二极管

Photodiode也称 光敏二极管、PD

利用结区电场收集光生电子—空穴对，把入射光转换为电流的半导体探测器。

基础出处 2 本教材
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约 1 分钟

利用结区电场收集光生电子—空穴对，把入射光转换为电流的半导体探测器。

系统理解

约 2 分钟

光子先被吸收产生载流子，再通过漂移或扩散到达收集区。普通光电二极管可以无偏压或适度反偏工作，量子效率、响应度和速度受不同损失机制约束。选择材料决定可探测波段，选择吸收层和电路决定收集效率与时间响应。

先掌握PN结、耗尽区与载流子输运，再把光吸收、收集电流与探测速度连接起来。

关键参数

关键参数
参数单位含义
外量子效率η—入射光子中转为外电路电荷的比例
响应度RλA/W光生电流与入射光功率之比

常见误区

  • 吸收强不等于外量子效率高
  • 普通反偏不等于雪崩倍增
  • 只看响应度不能决定弱光灵敏度

工程深入

12 条结论 · 1 道例题

从光吸收到外电路

定义

光电二极管用结区电场收集光生载流子

光电二极管把被吸收的光转换为可测的电流：光在半导体中产生电子—空穴对，结区电场把两类载流子分离并送往不同电极。它不是把入射光功率直接等同为电功率的器件。12

成立条件 讨论以带间吸收为主、没有内部倍增的普通结型光电二极管；金属—半导体内光发射等机制另行区分

机制

无外加偏压也可借内建场探测光

光电二极管可以在没有外加偏压的光伏模式工作，分离载流子的电场来自结的内建势；因此“必须接反向电源才能产生光电信号”并不成立。2

成立条件 讨论存在内建场的结型光电二极管；无偏压不等于结区电场为零

机制

反偏用于改善收集速度但不是无限制增益

普通光电二极管常施加适度反偏，以加强载流子收集并减小结电容；偏压仍应低于产生雪崩倍增的区间。提高偏压不意味着光电流会无条件按电压成比例放大。12

成立条件 普通非雪崩工作模式；实际允许偏压还受器件击穿和暗电流约束

量子效率与光谱

定义

量子效率数的是被收集的电荷与入射光子

外量子效率把外电路收集的电子数率与入射光子数率相比；它同时受到表面反射、吸收和收集损失影响，不等同于材料本身的吸收比例。12

η=Iph/qPopt/(hν)\eta=\frac{I_{\mathrm{ph}}/q}{P_{\mathrm{opt}}/(h\nu)}
η = (Iph/q)/(Popt/hν)
η
外量子效率
Iph
光生电流大小，单位 A
q
元电荷，单位 C
Popt
入射单色光功率，单位 W
hν
单个光子能量，单位 J

成立条件 单色、稳态照明；普通非倍增器件；Iph取光生电流的大小

公式

响应度把光功率换算成电流

光电流响应度是光生电流与入射光功率的比值；对没有内部增益的单色探测，它等于量子效率乘以每单位光子能量对应的电荷。只有量子效率保持不变时，响应度才与波长成正比。12

Rλ=IphPopt=ηqλhcR_{\lambda}=\frac{I_{\mathrm{ph}}}{P_{\mathrm{opt}}}=\frac{\eta q\lambda}{hc}
Rλ = Iph/Popt = ηqλ/(hc)
Rλ
光电流响应度，单位 A/W
Iph
光生电流大小，单位 A
Popt
入射单色光功率，单位 W
η
外量子效率
q
元电荷，单位 C
λ
真空波长，单位 m
h
普朗克常数，单位 J·s
c
真空光速，单位 m/s

成立条件 单色光、线性探测区；η按入射光子定义；没有雪崩或其他内部增益

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学假设：850 nm单色光、外量子效率0.80、入射功率10 μW的普通光电二极管，响应度和光电流是多少？

已知

  1. λ = 850 nm；η = 0.80；Popt = 10 μW
  2. h = 6.62607015×10⁻³⁴ J·s；c = 299792458 m/s；q = 1.602176634×10⁻¹⁹ C
  3. 线性、非倍增工作，所列效率为教学假设

步骤

  1. λ = 850×10⁻⁹ m；Popt = 10×10⁻⁶ W，先把波长与功率换成SI单位。
  2. Rλ = 0.80×q×(850×10⁻⁹)/(h×c) ≈ 0.55 A/W，用量子效率与光子能量换算电流响应度。
  3. Iph = Rλ×Popt ≈ 5.5 μA，响应度乘以入射功率得到光生电流大小。
结果 响应度约0.55 A/W，光生电流约5.5 μA。

同一功率在不同波长下的光子数不同，不能把A/W响应度视为单纯的材料常数。

不能外推到 不能外推到器件饱和、内部倍增或η随波长改变的情形；不是某型号规格。

边界

带隙限定普通带间探测的长波端

对以带间吸收工作的普通光电二极管，光子能量低于带隙时难以有效产生带间电子—空穴对，因此材料带隙限制其长波探测范围；这一判断不包含内光发射、杂质跃迁等其他探测机制。12

成立条件 带间单光子吸收模型；不能据此断言所有半导体探测器在带隙以下完全无响应

机制

吸收很强也可能发生表面收集损失

短波光可能在极靠近表面的区域被吸收；如果生成位置与有效收集区不匹配，载流子可先在表面复合。材料吸收强并不自动等于高外量子效率。1

成立条件 存在表面复合或表面层收集损失；不能用这一趋势替代具体器件光谱测量

速度与损失

机制

结区内漂移与结区外扩散形成不同速度成分

耗尽区内生成的载流子可由电场漂移收集，耗尽区外生成的少数载流子需要先扩散到结附近。后者可能贡献光电流，也可能增加慢响应成分。12

成立条件 中性区载流子在复合前能够到达结区；漂移与扩散贡献依赖结构、吸收位置和扩散长度

边界

响应速度不是只由载流子漂移决定

光电二极管的响应可能同时受结区渡越时间、中性区扩散过程以及结电容与外电路电阻形成的时间常数限制。只给材料漂移速度不足以确定完整接收电路带宽。12

成立条件 讨论普通结型光电二极管；需把器件与实际负载、放大器输入共同评估

边界

加厚吸收区会引入速度代价

更厚的有效吸收区能提高被吸收的光子比例，但载流子跨越距离也可能增大；高效率与高速度之间需要结合材料吸收系数与结构折中，而不是简单追求最大厚度。12

成立条件 同一材料和光波长下比较；厚度变化伴随电场、结电容等变化时须共同考虑

类型与工程选择

定义

普通光电二极管与雪崩光电二极管不能混用增益模型

普通PN、PIN等非倍增光电二极管依靠光生电荷的收集形成信号；APD还利用强电场中的碰撞电离取得内部倍增。两者应分别建模，不能把APD倍增因子直接套给普通二极管。12

成立条件 这里比较非倍增模式与雪崩模式；普通器件量子效率并不因反偏而自动超过单位收集上限

边界

暗电流、背景光和负载共同决定弱光可辨性

没有目标光信号时也可能存在热产生暗电流、背景光引起的电流和外电路热噪声；弱光检测不能仅按响应度大小选择器件，还需指定背景、温度与测量带宽。12

成立条件 弱光线性探测；噪声数值模型需明确带宽及等效电阻；本条不把不同噪声项混作同一电流

出处

2 本教材 · 22 处引用
  1. 1

    Physics of Semiconductor Devices

    S. M. Sze, Yiming Li, Kwok K. Ng · 第4版 · 2021

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  2. 2

    The Physics of Semiconductors

    Marius Grundmann

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