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半导体开放世界

PIN 光电二极管

PIN Photodiode也称 PIN探测器、p-i-n光电二极管

用充分耗尽的低掺杂吸收层调节光吸收与载流子渡越时间的光电二极管。

进阶出处 2 本教材
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速览

约 1 分钟

用充分耗尽的低掺杂吸收层调节光吸收与载流子渡越时间的光电二极管。

系统理解

约 2 分钟

PIN结构把主要吸收区设置在低掺杂、可耗尽的i层中。光在层内指数衰减，生成载流子由电场漂移收集；层外吸收还可能形成扩散电流。增加厚度改善吸收，却可能降低渡越带宽；过薄时电容及RC也会成为限制。

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
耗尽层厚度wm主要漂移吸收区域的宽度
吸收系数αm⁻¹光强随传播深度衰减的尺度
渡越时间trs载流子通过吸收层的时间尺度

常见误区

  • i层不是绝对没有杂质
  • 渡越限制带宽不是完整接收机带宽
  • 固定厚度不适用于所有波长

工程深入

12 条结论 · 1 道例题

结构与收集路径

定义

PIN用低掺杂吸收层独立设计耗尽区

PIN光电二极管在P区与N区之间设置本征或足够低掺杂的吸收层，借此把主要吸收和漂移收集空间做成可设计的厚度；实际“i层”不要求材料绝对无杂质。12

成立条件 低掺杂层在所用反偏下充分耗尽；实际层可为低n型或低p型

机制

反偏后的i区电场把吸收与漂移收集联系起来

在低掺杂吸收层充分耗尽时，电场贯穿主要吸收区域，光生电子与空穴向相反电极漂移；这使得在该区域吸收的光不必先通过长距离中性区扩散才能被收集。12

成立条件 吸收层充分耗尽；忽略耗尽区内复合的理想收集分析

边界

未耗尽的PN体区不能等同于PIN的i区

普通PN结构可能保留较厚的中性体区，那里吸收的光通过扩散才可能被收集；PIN的目标则是让主要吸收区本身受到结电场控制。两者区别不只是名称中多了一个字母。12

成立条件 比较普通PN与充分耗尽PIN的典型结构；不否认实际PN器件可通过其他结构优化达到高速度

吸收与电流

公式

一维吸收模型给出指数衰减的产生率

在均匀材料、恒定吸收系数的一维入射模型中，光子通量随深度衰减；局部电子—空穴对产生率等于表面入射到材料内的光子通量乘以吸收系数和衰减因子。12

G(x)=Φ0αexp⁡(−αx)G(x)=\Phi_0\alpha\exp(-\alpha x)
G(x) = Φ₀α exp(−αx)
G(x)
单位体积单位时间的光生产生率，单位 m⁻³·s⁻¹
Φ₀
进入吸收体表面的光子通量密度，单位 m⁻²·s⁻¹
α
吸收系数，单位 m⁻¹
x
距吸收体表面的深度，单位 m

成立条件 单色光、吸收系数不随深度改变；每个被吸收光子产生一个电子—空穴对；不计干涉、多次反射与内部增益

公式

漂移收集电流由耗尽区内的吸收积分得到

若耗尽吸收层内产生的载流子全部被收集，把局部产生率沿层厚积分即可得到漂移光电流密度的大小；其增长随厚度逐渐饱和，而非一直线性增加。12

∣jdr∣=qΦ0[1−exp⁡(−αw)]|j_{\mathrm{dr}}|=q\Phi_0[1-\exp(-\alpha w)]
|jdr| = qΦ₀[1 − exp(−αw)]
jdr
漂移光电流密度，单位 A/m²
q
元电荷，单位 C
Φ₀
进入半导体的光子通量密度，单位 m⁻²·s⁻¹
α
吸收系数，单位 m⁻¹
w
耗尽吸收层厚度，单位 m

成立条件 一维单色吸收；耗尽区内单位收集效率；忽略复合和倍增；jdr使用大小，不指定外电路电流正方向

机制

结外光生载流子的扩散电流不能自动忽略

没有在耗尽层吸收的光仍可能在中性区产生载流子，其中能在复合前到达结区的少数载流子形成扩散光电流。因此只计算耗尽层的吸收电流，不一定等于全部光电流。12

成立条件 中性区有可收集的少数载流子；扩散贡献依赖吸收系数、少子扩散长度和边界条件

公式

包含体区扩散时量子效率还依赖扩散长度

在薄表面层、均匀一维吸收、耗尽区完全收集并可忽略暗电流的模型中，外量子效率除反射率和耗尽层吸收外，还包含中性区少数载流子的扩散收集项；不能把该式当作任意多层器件的通用拟合式。12

η=(1−R)[1−exp⁡(−αw)1+αLp]\eta=(1-R)\left[1-\frac{\exp(-\alpha w)}{1+\alpha L_p}\right]
η = (1 − R)[1 − exp(−αw)/(1 + αLp)]
η
外量子效率
R
表面功率反射率
α
吸收系数，单位 m⁻¹
w
耗尽吸收层厚度，单位 m
Lp
中性N区少数载流子孔穴扩散长度，单位 m

成立条件 表面P层远薄于吸收长度；半无限中性N体区、孔穴扩散长度Lp；光生电流占主导，忽略热产生暗电流；无倍增

边界

降低反射与增加吸收是不同的效率手段

减小表面反射可让更多光子进入器件；增大吸收系数与层厚的乘积可让进入器件的光更多地在收集区内吸收。这两种损失应分别核算，不能用增加厚度补偿所有反射损失。12

成立条件 单次通过、无腔增强的一维模型；其他结构因素保持不变时比较

速度与设计折中

公式

饱和漂移模型把渡越时间写为层厚除速度

电场足够高且速度已接近饱和时，载流子穿越吸收层的特征时间近似为层厚除以饱和漂移速度。低场时速度依赖电场，不能继续把固定饱和速度用于计算。12

tr≈wvst_r\approx\frac{w}{v_s}
tr ≈ w/vs
tr
载流子渡越特征时间，单位 s
w
耗尽吸收层厚度，单位 m
vs
模型采用的饱和漂移速度，单位 m/s

成立条件 充分耗尽的一维吸收层；高场饱和漂移近似；不同电子和空穴路径的完整响应需另行建模

公式

渡越限制带宽随吸收层厚度增加而下降

在教材所用表面产生、饱和漂移的简化响应模型中，渡越效应的3 dB频率约为0.4倍饱和漂移速度除以层厚；该数值不是包含RC和扩散影响后的完整接收机带宽。12

f3dB≈0.4vswf_{3\mathrm{dB}}\approx\frac{0.4v_s}{w}
f₃dB ≈ 0.4vs/w
f₃dB
渡越时间限制的3 dB带宽，单位 Hz
vs
采用的饱和漂移速度，单位 m/s
w
耗尽吸收层厚度，单位 m

成立条件 教材的一维表面产生、单位量子收集和饱和速度模型；只估计渡越时间限制；不计RC及中性区扩散瓶颈

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学假设：PIN吸收层厚5.0 μm，模型采用vs = 1.0×10⁵ m/s。仅按教材渡越模型估计时间与带宽。

已知

  1. w = 5.0 μm；vs = 1.0×10⁵ m/s
  2. 吸收层充分耗尽、饱和漂移；忽略RC和扩散限制
  3. 数值是教学假设，不是产品规格

步骤

  1. w = 5.0×10⁻⁶ m，把厚度换算成米。
  2. tr = (5.0×10⁻⁶)/(1.0×10⁵) = 5.0×10⁻¹¹ s = 50 ps，层厚除以饱和漂移速度给出渡越时间。
  3. f₃dB ≈ 0.4×(1.0×10⁵)/(5.0×10⁻⁶) = 8.0×10⁹ Hz = 8.0 GHz，使用0.4系数的近似式估计渡越限制带宽。
结果 渡越时间约50 ps，渡越限制带宽约8.0 GHz。

层厚减半会使该模型的带宽约加倍，但吸收效率可能下降。

不能外推到 实际器件可能先被RC、扩散、电极寄生或电场不均匀限制；0.4为近似系数。

边界

吸收长度附近的厚度只是设计起点

把耗尽吸收层厚度选在一个到两个吸收长度附近，可在吸收与渡越时间之间取得初步折中；最终厚度还必须结合波长、材料吸收系数和外电路要求确定，不能作为跨材料通用尺寸。12

成立条件 普通单次通过吸收结构；教材提供的是近似折中尺度，不是严格最优化解

边界

提高渡越带宽不等于全部电学时间常数都改善

减薄吸收层可缩短渡越时间，但也可能增大结电容并加重与负载形成的RC限制。因此设计时应分别估计吸收、渡越和RC，而不能仅按渡越公式判定器件一定更快。1

成立条件 面积与其他结构条件可比；平行板电容趋势用于定性判断；实际器件还存在寄生参数

出处

2 本教材 · 23 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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