Photodiode的结构类型
先前的笔记中介绍过光电探测器，这一篇主要就光电二极管(Photodiode)的结构类型展开更详细地调研。光电二极管的基本结构是PN结，但为了获得更好的性能参数，人们对PN结结构做了一些设计与改进。
1） PIN型
顾名思义，PIN型在原先的PN结中间添加了一层本征层（intrinsic layer），示意图如下，
（图片来自 http://physicsopenlab.org/2017/04/28/si-pin-photodiode-%CE%B2-detector/）
对于传统的PN结结构，入射光可能在耗尽区外的区域被吸收，所产生的载流子不能有效地被收集，降低了量子效率，限制了PD的响应度；另一方面，在耗尽区之外产生的载流子，如果扩散到耗尽区，这一部分载流子也会对PD的频率带宽产生影响。
增加本征层后，由于本征层的厚度较大，绝大部分入射光在本征层被吸收，提高了PD的响应度；另一方面，较厚的本征层可以降低PD的寄生电容，从而提高PD的频率响应特性。此外，本征层的材料可以与原先的材料不一样，形成一个势垒，这样非耗尽区的载流子更加难以扩散，进一步提高器件的频率特性。
本征层的厚度和面积需要精心设计，一方面厚度和面积增大，光子更容易被吸收，量子效率提高；但是另一方面，厚度增大后，载流子需要更多的时间穿过这一区域，渡跃时间变长，频率特性降低。另外厚度和面积也决定了器件的RC时间常数，进而影响频率响应特性。。这几个参数相互制约，实际设计时需综合考虑，达到较好的器件性能。
2) APD型
雪崩二极管（avalanche photodiode）, 从结构上看，比PIN型增加了一层。在本征层和n+层之间，增加了一层较薄的p型层，变为n+pip结构。新加入的p型层就是雪崩区域，如下图所示，
（图片来自 http://www.globalspec.com/reference/21446/160210/chapter-14-4-1-avalanche-photodiode）
在i区域产生的电子经过p区域时，由于p型层的电场较大，电子被加速，电子与晶格碰撞，产生新的自由电子，如此形成正反馈过程，发生雪崩电离，生成更多的电子。需要注意的是，在这一过程中，i区域产生的空穴并没有参与雪崩效应，它仍然是正常达到p+区域。但是在p区由雪崩效应产生的空穴参与了雪崩过程。
雪崩二极管由于有较高的增益，常用于对微弱信号的探测，例如单光子的探测。但是它的工作电压较大，噪声也在雪崩过程中被放大。
3）MSM型
Metal-Semiconductor-Metal, 简称MSM, 该类型的光电二极管并没有PN结结构，而是由两个背对背的肖特基二极管构成，示意图如下，
(图片来自文献1)
外加偏压时，一个肖特基结为正偏，另一个为反偏。反偏的耗尽区宽度增大，正偏的耗尽区宽度减小。逐渐增大电压后，两个耗尽区最终合为一体，整个器件内全部耗尽。光入射时，被材料吸收后产生载流子，载流子在电场的作用下向正负极漂移形成电流。
MSM型PD的优点是结构简单，加工方便，寄生电容低，频率特性好。但是MSM型PD的响应度不如PIN型，因为光只能在金属电极以外的区域被吸收。金属电极结构的正负极相互交错，如下图所示，
（图片来自 http://www.mdpi.com/1424-8220/10/9/8604/htm）
4) WG型
WG型，也就是基于波导结构的PD。前面几种类型的PD, 光都是从顶层垂直入射的，存在着转换效率与频率响应之间的trade-off。为了解决这一问题，人们提出了侧面入射型PD的想法，也就是基于波导结构的PD, 示意图如下，
(图片来自文献2)
对于WG型PD, 载流子只需穿过波导高度方向，渡越时间较短；另一方面，入射光在波导的长度方向被吸收，量子效率可以非常高。利用波导结构，巧妙地将原先互相制约的参数空间分离，最终达到了性能的最优化。
由于光是从波导侧面入射的，而波导横截面的尺寸比较小，因此高效率地将光信号耦合进波导成为一个很重要的问题。另外，载流子在波导传播方向分布不均匀，也会影响器件的高功率性能。
利用消逝波耦合的方式（上图b）, WG型PD可以集成到光芯片上。芯片上其他区域器件的光信号通过底层波导传输到PD区域，信号通过消逝波耦合逐渐被PD所吸收。
以上就是几种常见的PD结构介绍，这些结构还需结合具体的增益介质材料，形成满足要求的产品。
文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望不吝指出！
参考文献：
- H. Venghaus, and N. Grote, Fibre Optic Communication: Key Devices
- Jeong-Woo Park， Waveguide Photodiode (WGPD) with a Thin Absorption Layer