半导体的光电效应是把光变成电，那么半导体材料是如何把光变成电的呢？

首先，我们要把光照射到半导体的P-N结上，从光子的角度上理解，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，价带中的电子吸收光子能量，会向上跃迁，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，光电子和光空穴是成对出现的，也称为光电子-空穴对，又称光生载流子（光生载流子是指由光照产生的，而且产生出来的电子空穴对是可以移动的）。

（图中粉色线之上为导带，绿色线之下为价带，再往下是满带，因为满带中的电子不能移动，所以暂时不考虑，粉色线与绿色线之间的区域是禁带，禁止电子在其中停留，但是可以上下穿越。）

出现光生载流子之后，光生载流子又是如何变成电的呢？

我们要在P-N结上外加负偏压，也就是反向偏压（即在P型半导体加负电，在N型半导体加正电），加上之后的反向偏压属于外加电场，会和P-N结固有的内建电场指向一致，换句话说，它在空间电荷区中，会受到内建电场和外加电场的共同作用，那么这个时候，电场会变强。此时，光生载流子会在这两个电场的共同作用下发生移动，从而在外电路中产生光电流，在电阻R上会有信号电压产生。 从而实现光到电的变换。

值得注意的是，半导体材料的光电效要把光变成电时，我们强调：这个光要足够强。

那么光到底得强到什么程度呢？

实际上，只有当光子能量hf≥Eg时，才能使材料产生光生载流子。

也就是说，照射到半导体材料的光波波长入必须小于截止波长，才能使这种材料产生光生载流子。半导体材料光电效应的产生不是任意的，而是对于照射过来的光的波长或者频率有要求的，只有满足了波长或者是频率的要求，它才能够产生光生载流子。产生光生载流子作为第一步，这个时候再将P-N结外加反向偏压之后，就可以得到光电流了。

• 光纤通信中常用的半导体光电检测器

每一个器件的产生都是为了达到某一项性能指标的要求，以达到人们想要的更好的效果，光电检测器同样也不例外。对于光电效应，通过研究发现：在P-N结中，由于有内建电场的作用（内建电场使耗尽层的能带形成一个“斜坡”-位垒），光电子和光空穴的运动速度加快，从而使光电流快速地跟着光信号变化，即响应速度快。也就是说，耗尽层的宽度越宽，光电检测器的响应速度就会越快。

然而在耗尽层之外产生的光电子和光空穴，由于没有内建电场的加速作用，运动速度慢，因而响应速度低，而且容易发生复合，不能移动，导致光电转换效率低。而正因为在耗尽层中有内建电场的共同作用，响应速度快，转换效率高，所以我们也是希望耗尽层越宽越好。

总而言之，为了改善光电检测器的响应速度和转换效率，应适当地加大耗尽层的宽度。

为了加大耗尽层的宽度，以增大响应速度、转换效率，于是出现了PIN光电二极管。

1、PIN光电二极管

PIN光电二极管的结构及其工作原理

PIN光电二极管是指在P型材料和N型材料之间加一层轻掺杂的N型材料，称为I层。

I层是轻掺杂的（N型半导体电子数多，轻掺杂表示电子数低一些），故电子浓度低，经扩散后可形成一个很宽的耗尽层，这种结构的光电二极管称为PIN光电二极管。

                            PIN光电二极管的结构图

PIN光电二极管可以实现光到电的变换，但是输出的光电流比较微弱，当然我们可以后面经过多级放大，但是我们知道放大器在放大信号的同时本身会引入噪声，不仅如此，它在放大之前的信号的时候它也会把之前的噪声一同放大，如果PIN光电二极管输出的电流非常微弱，而且噪声也比较强的话，我们就希望能够有这样的一个二极管，它能够在二极管内部输出的光电流本身就比较强，这样的二极管就是APD雪崩光电二极管。

2、APD雪崩光电二极管

APD雪崩光电二极管不仅可以实现光到电的变换，还可以对产生的光电流具有放大作用。

（1）雪崩光电二极管的雪崩倍增效应

仍是P-N结形式，只是在二极管的P-N结上加高反向电压（一般为几十伏或几百伏），在结区形成一个强电场；

在高场区内光生载流子被强电场加速获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到能量，越过禁带到导带，产生了新的电子-空穴对，即新的光生载流子；

新产生的电子-空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子-空穴对…，如此循环下去，像雪崩一样地发展，从而使光电流在二极管内部获得了倍增。

（2） 雪崩光电二极管的结构及其工作原理

能带结构，N+型重掺杂，P型一般掺杂，I（P）层轻掺杂的P型，P+型重掺杂。

我们说P型是空穴多，轻掺杂的I（P）层则表示的是空穴虽然多但是浓度低，而P+表示重掺杂的含义是不仅是空穴多而且它的浓度还非常高。

雪崩光电二极管的P型就是由这3部分组成。

工作原理：

光子从P+层射入，进入I层后，在这里材料吸收了光能并产生了初级电子-空穴对。这时，光电子在I层被耗尽层的较弱的电场加速，移向P-N结。当光电子运动到高场区时，受到强电场的加速作用，出现雪崩碰撞效应，最后，获得雪崩倍增后的光电子到达N+层，空穴被P+层吸收。

从工作原理中可以看出，雪崩光电二极管的耗尽层从结区一直拉通到I层与P+层相接的范围内，范围比较宽。在整个拉通的耗尽层范围内出现了两个电场：较低电场在I层区域中，主要是使光照产生的初级电子-空穴对在里面被加速，推进到高电场区；而高电场主要存在于P-N结区中，初级电子-空穴对在高场区中产生雪崩效应。这种电场分布有利于降低工作电压。

• 光电检测器的工作特性

1、 响应度R0和量子效率η

这两个特性都是描述光电转换能力的一种物理量

响应度是从宏观的角度

R0=IP/P0=光电检测器的平均输出电流/光电检测器的平均输入功率（A/W）

量子效率是从微观的角度

η=（光生电子-空穴对数）/入射光子数

两个特性之间的关系：

光生电子-空穴对数= IP/e ，e为电子电荷量

入射光子数= P0/hf，hf为一个光子的能量

响应度R₀和量子效率η与入射光波频率有关。

2、 响应时间

响应时间是指半导体光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的状态。

响应时间也可以理解为反应速度。我们希望响应时间越短越好。

在半导体光电二极管中，光生载流子的“运输”与复合都需要一定的时间，器件的结电容和外电路的负载电阻也会影响响应时间。

响应时间是从时域角度看器件。而如果从频域的角度看，短的响应时间意味着这个器件的带宽宽。

3、 暗电流ID

在理想条件下，当没有光照射时，光电检测器应无光电流输出。而实际中，由于热激励、宇宙射线或放射性物质的激励，即使是在无光情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流就称为暗电流。

暗电流ID越小越好。

暗电流ID具有随机性，会引入噪声。

4、 雪崩倍增因子G

G=IM/IP=有雪崩倍增时光电流的平均值/无雪崩倍增时光电流的平均值

比值越高表示雪崩倍增效应所带来的光电流的放大作用越强。

APD：40~100

PIN：1，无雪崩倍增效应

5、 倍增噪声和过剩噪声系数F（G）

倍增噪声：雪崩倍增具有随机性，这种随机性的电流起伏会引入附加噪声，一般称为倍增噪声。

倍增噪声用过剩噪声系数F（G）来描述。

g是每个初始电子-空穴对因雪崩效应产生二次电子-空穴对的随机数

（g）是g的平均值，因此（g）=G

（g²）是产生的二次电子数平方再取平均值

（g）²是产生的二次电子数平均值再平方

如果每次增益都相同，即是理想倍增状态，此时F（G）=1

F（G）实际上表示雪崩光电二极管实际噪声超过理想倍增噪声的倍数。

（来源：NiKKi）