光模块:PIN光电二极管和APD光电二极管

2023-09-23

光电探测器。

光模块接收端能正确识别信号并完成光电转换,就需要光电探测器,光电探测器通过检测出照射在其上面的光功率,从而并完成光/电信号的转换。我们常用的PIN光电二极管和APD(雪崩)光电二极管就属于光电探测器。要说探测器,就必须说说探测器基本的结构PN结。

PN结

PN结,指的将P型半导体和N型半导体制作在同一块半导体的基片上,在这两个半导体的交界处形成的空间电荷区。我们先看看什么是P型和N型半导体。

P型半导体:含有较高浓度的“空穴”(空穴相当于正电荷),所以是Positive的P,成为能导电的物质;

N型半导体:含电子浓度较高的半导体,导电性由自由电子导电,由于电子带负电,所以是Negative的N。

因此,在P型半导体和N型半导体交界处就出现了电子和空穴的浓度差,从而形成空穴和电子的扩散运动,导致一些电子从N型区向P型区扩散,一些空穴又从P型区向N型区扩散。最终的结果就是在PN交汇处形成空间电荷区电场(内电场,从N指向P),也称之为PN结(缺少“多子”也叫耗尽层)。

(图片来源于网络)

在这里说明一下内部电场,这个电场的形成就导致了载流子的漂移运动,一是N区的载流子空穴向P区漂移,另外是P区的载流子电子向N区漂移。

(图片来源于网络)

因此,单纯的PN二极管的扩散运动只发生在PN结附近,远离PN结的地方就没有电场存在,这也是为什么PN二极管的光电变换效率低下以及响应速度也很慢。

PIN光管二极管

为了解决这个问题,提高转换效率和响应速率,通过在P型和N型半导体之间增加 一层轻掺杂的N型材料I(Intrinsic,本征的)层,以展宽耗尽层,提高转换效率,这是因为轻掺杂I层,电子浓度很低,经扩散后就可以形成一个很宽的耗尽层。这就是我们的PIN光电二极管。

PIN光电二极管

原理:

(1)光子照射在半导体材料上产生光生载流子;

(2)光电流在外部电路作用下形成电信号并输出。

APD雪崩光管二极管

在前面的文章中我们说到,APD雪崩光电二极管具有较高的接收机灵敏度,这个较高灵敏度靠的就是对初级的电光流进行雪崩倍增效果。说到雪崩,估计大家脑海中的第一印象就是大雪山发生雪崩,其实也是同样的道理,高山上的一点雪发生碰撞,从上而下一路累积,雪团越来越大,最后形成雪崩。

从这里我们可以看出,要发生雪崩,必须具备一个条件就是山要足够的高。因此,雪崩光电二极管也就是在PIN光电二极管的基础结构中增加了雪崩区。使得光生载流子在其耗尽区(高场区)内的碰撞电离效应激发出新的电子-空穴对,新产生的载流子通过电场加速,导致更多的碰撞电离产生,一生二,二生三,三生万物,从而获得光生电流的雪崩倍增。

APD雪崩光电二极管

原理:

(1)光子照射在半导体材料上产生光生载流子;

(2)光生载流子在雪崩区即高电场区发生雪崩倍增;

(3)光电流在外部电路作用下形成电信号并输出。









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