光敏二极管性能参数详解

光导光敏二极管的性能可以用三个参数表示：灵敏度、响应速度（带宽）和噪声因数，下面将依次进行详细介绍。

通常，光敏二极管的灵敏度称为“响应度”，定义为某一给定光功率所产生的光电流。根据式（7.17），可以由下面公式给出：

波长为λ（单位微米），也可以写成下面形式：

图7.32　一种典型硅光敏二极管的响应光谱（响应度）

当然，η也随波长变化，所以R（λ）是λ的非线性函数，通常在带隙能量附近会有一个很宽的峰。一种典型的硅光敏二极管的响应度如图7.32所示。长波范围内有较低的值，原因是光子没有足够的能量形成电子-空穴对。在短波区，光在较薄的表面层被吸收，所以在损耗层只能形成很少的电子对。硅材料在波长约0.85μm处（近红外）η的典型值是0.8，所以R有一个接近其峰值的典型值，约为0.55A/W。

现在讨论响应速度及噪声，为此必须研究完整的光敏二极管电路。如图7.33所示，首先要问：输出电压对输入光功率变化的响应能有多快？有三个因素影响电路的响应时间：（a）由光子产生的载流子漂移通过损耗层所需时间；（b）载流子通过各自的p或n层材料扩散到电接触层的时间；（c）相关电路的RC时间常数（R代表电阻，C表示电容。——译者注）。

图7.33　光敏二极管的电路

下面依次简要地进行讨论。

若是情况（a），很明显，由光子产生的载流子通过损耗层需要的漂移时间取决于漂移速度及损耗层宽度。正如所看到的，增大反向偏压可以增大漂移速度（同时会增大损耗层宽度，但仅是V^1/2，而速度增加为V，因此这样做还是有优越性的）。正如前节所述，由于其他原因，硅材料中的速度在约为5×10⁴m/s时达到饱和，对于约2.5μm的损耗层宽度，该饱和速度值给出的响应时间是0.05ns，因此带宽约20GHz。显然，这是一个非常有用的带宽值。

对于情况（b），通过p-n结每侧的p类和n类材料而到达电接触层所需要的扩散时间也必须最短。这意味着，一定要将这些区域做得非常窄，最佳宽度就是使扩散时间等于损耗层漂移时间所对应的距离。实际上，扩散速度要比漂移速度低，这就表示这些区域的厚度要比损耗层小。使用的典型厚度约为0.5μm。

最后，对于情况（c），显然，相关电路的RC时间常数比所需要的响应时间要小。电阻R决定着光敏二极管电流（见图7.33）所产生的电压，所以必须相当大。结电容C一定要小，这就意味着光敏二极管的光敏感区比较小，因而截取较少的光子，也就意味着灵敏度较低。现在介绍必须采取的折中方案。

一个典型的p-n结电容约为25pF，若是20GHz带宽，则要求：

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这是一个非常小的电阻值，意味着（由光电流产生的）输出电压非常小。在这种情况下，需要一台电压放大器，并且是一台相当好的放大器（大带宽、低噪声、高增益、良好的阻抗匹配）。实际上，加载电阻器更为合适的值为50Ω，因为这与标准的同轴电缆（50Ω是其特征阻抗）相匹配。使用该电阻值，很容易计算RC对带宽的限制，约100GHz。这对于多数应用，是足够了（但不包括高位速率光通信）。

最后一个反映性能的因素是光敏二极管的噪声。这主要源自光子到达的随机性，在4.4.4节已经介绍过。这种噪声称为发射噪声，由下面的标准发射噪声公式表示：

i_n=（2eBi_D）^1/2 （7.21）

式中，i_n为噪声电流；e为电荷；B为电路带宽；i_D代表电路电流，并等于两个分量之和：

i_D=i_p+i_d

式中，i_p为由光子产生的电流；i_d为“暗”电流，表示没有光波输入时通过电路的电流。暗电流的起因是，在反向偏压场作用下，热会在p-n结两侧产生载荷子“泄漏”这种泄漏电流与温度、结的材料和光敏二极管的设计有关，最为明显的是与其面积等因素有关。面积越大，漏电流的势能也越大。

光敏二极管的噪声（与电路相反）性能通常表示成噪声等效功率（Noise-Equivalent Power，NEP）的形式，使所产生的光电流等于暗电流噪声i_d时的光学输入功率。由式（7.17）和式（7.21）看得非常清楚，该量为

因此，NEP随暗电流和带宽的二次方根变化。换句话说，对单位带宽，可以看作为“每二次方根赫兹”的功率。硅光敏二极管的典型NEP值为10^-14W/Hz，对应的暗电流为1nA。

然而，为了对噪声性能有一个真实的评价，需再次研究整个光探测电流，包括加载电阻器R产生的噪声。热噪声功率（或约翰逊噪声功率）恒等于4kTB，所以阻值等于R的电阻器中的噪声电流为

因此，整个电路的噪声电流为

显然，温度一定时，这两项的相对值取决于i_d和R。若i_d为1nA，当R≤50MΩ时，热噪声项起着主要作用。已经知道，为了得到相当好的带宽，一定使R降到最小，通常都采用这种情况。

与所有领域一样，所有光子学器件和系统的设计都是折中的艺术。然而，有时，无论如何折中也不能满足要求，这就必须准备更多的基本措施。对于光敏二极管设计，主要讨论下面三种方法。