高速光电二极管在光通信和信息处理中的重要性

随着高速光通信和信息处理技术的发展，提高光电传感器的响应速度越来越重要，人们相继研制了一批高速光电器件，如PIN结光电二极管、雪崩光电二极管。

1）PIN结光电二极管

PIN结光电二极管的结构如图8.35所示，它是以PIN结代替PN结，即在PN结的P层和N层之间增加了一层很厚的高电阻率的本征半导体层（I层），简称为PIN-PD。本征半导体层中只有热激发产生的少数自由电子，因此电阻率较高。而掺杂半导体则是在本征半导体中掺入三、五族的材料。如图8.36所示为半导体硅材料的化学键结构，掺入+3价的硼后，形成空穴多子，称为P型半导体；而掺入+5价的磷后，形成电子多子，称为N型半导体。

图8.35　PIN结光电二极管

图8.36　半导体硅材料的化学键结构(www.xing528.com)

由于P层做得很薄，当入射光照射在P层上，大量的光被较厚的I层吸收，激发产生较多的载流子形成光电流。因此，PIN-PD比PD具有更高的光电转换效率。由于PIN结光电二极管比PN结光电二极管可施加更高的反向偏置电压，使其耗尽层加宽，加强了PN结内电场，加速了光电子的定向运动，漂移时间大大减少，因而提高了响应速度。

PIN结光电二极管具有一般PN结光电二极管的线性特性，灵敏度高，响应速度快，在光通信和光信号检测中得到广泛应用。

2）雪崩式光电二极管（APD）

如图8.37所示，APD在普通PN结的P型区外侧增加一层掺杂浓度极高的P＋层，使用时，在元件两端加上近于击穿的反向偏压，这样，以P层为中心的两侧产生极强的内部加速电场（可达105V/cm）。当光照射时，P＋层受光子能量激发的电子从价带跃迁到导带，在内部加速高电场作用下，电子高速通过P层，并在P区产生碰撞电离，产生出大量的新生电子-空穴对，而这些新生的电子-空穴对也从电场中获得高能量，与从P＋层来的电子一起再次碰撞P层中的其他原子，又产生新的电子-空穴对。这样，当所加反向偏压足够大时，不断产生二次电子发射，形成“雪崩”倍增载流子，构成强大的光电流。

图8.37　雪崩式光电二极管结构原理

APD响应时间极短，灵敏度很高，在光通信中应用前景广阔。