PIN和APD型光电探测器的结构与原理

空穴扩散、电子扩散、P型半导体和N型半导体结合后，形成一个特殊的区域PN结。

光电探测器的本质是PN结，PN结的扩散运动对光电转换率有影响。

扩散就像两军对峙，阵营太近容易投敌叛逃。

两军对峙加个隔离带（本征），降低投敌风险（扩散）——提升作战实力；增加隔离带也增加了作战距离（载流子渡越时间），消耗体能，降低作战实力。

对这个本征区宽度的选择和平衡，或者设计更优秀的探测器结构，是芯片设计师的工作。

PIN探测器的基本结构：

雪崩倍增：反向偏压下，在耗尽区因热产生的电子，由电场得到动能。可以破坏键而产生电子空穴键合。这些新产生的电子和空穴，可由电场获得动能，并产生新的电子—空穴对，这些过程生生不息，连续产生新的空穴—电子对，这个过程叫作雪崩倍增。

只要电场足够强大，这种碰撞就会1到2、2到4、4到8……PIN型一个光子被吸收后最多生成一个载流子。有了雪崩效果，一个光子就可以生成许许多多的载流子。

探测器的雪崩倍增，与真正的雪崩很像，就是雪山顶上，一点点雪落下来，一路不断碰撞，雪团越来越大形成 雪崩。

雪崩形成的条件，山足够高。

探测器雪崩倍增的条件：外加电场足够高。

APD型的电压是几十伏特，PIN型3.3 V就可以了。(www.xing528.com)

雪崩光电探测器的基本结构，在PIN探测器本征区之后，加一个雪崩倍增区域。

使用APD，都有一个升压电路，这是为了增加外加电场，产生雪崩倍增效果。当然除了倍增有用的光生载流子外，也同时倍增热噪声（就是泥石俱下的感觉），把雪崩区选在N型半导体之前，也是把N型半导体的噪声倍增，于信号不利。雪崩区也不能再往左放，是因为光子绝大部分在本征区吸收生成载流子。

波长与探测器材料的关系：

材料的截止波长λe由其带隙能量Eg决定：

若波长比截止波长更长，则光子能量不足以激励出一个光子。

上图还说明，同一个材料对短波长的吸收很强烈，而且短波长激发的载流子寿命较短，因为粒子的能级越高，越不稳定。

总结：

（1）半导体光电探测器利用内光电效应进行光电探测，通过吸收光子产生电子空穴对，从而在外电路产生光电流。

（2）PIN型探测器包括2个过程：材料在入射光照射下产生光生载流子；光电流与外围电路之间的相互作用并输出电信号。

（3）APD光电探测器包括3个过程：材料在入射光照射下产生光生载流子；载流子输运或在电流增益机制下的倍增；f光电流与外围电路之间的相互作用并输出电信号。