专栏首页硅光技术分享Photodiode的结构类型

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:

  1. H. Venghaus, and N. Grote, Fibre Optic Communication: Key Devices
  2. Jeong-Woo Park, Waveguide Photodiode (WGPD) with a Thin Absorption Layer

本文分享自微信公众号 - 光学小豆芽(photonwalker),作者:Photonwalker

原文出处及转载信息见文内详细说明,如有侵权,请联系 yunjia_community@tencent.com 删除。

原始发表时间:2017-08-05

本文参与腾讯云自媒体分享计划,欢迎正在阅读的你也加入,一起分享。

我来说两句

0 条评论
登录 后参与评论

相关文章

  • Python学习笔记4:函数

    我们在初高中的时候就已经接触函数(function)的概念,,比如二次函数、三角函数等,其基本形式为y=f(x),主要作用是按照某个规则对x进行计算,得到y值。...

    光学小豆芽
  • 三大EDA巨头在光芯片领域的努力

    最近因为华为遭美国制裁,芯片领域得到了社会广泛的关注,这两天的媒体舆论开始关注EDA软件。今天和COO聊起EDA软件,问起来为啥你们光芯片不搞EDA。借此机会,...

    光学小豆芽
  • 硅基光波导

    从这一篇笔记开始,小豆芽将顺着各个硅光器件的发展历程,捋一捋思路与脉络(以上是COO的建议),一方面夯实自己在硅光方面的基础,加深认识,另一方面也方便大家参考。...

    光学小豆芽
  • k8s如何自动清理已完成的job pod

    k8s之前的job完成后,如果不用cronjob管理,都不会自动删除,该job对象和其相关的pod对象都会保存以便查看记录。

    我的小碗汤
  • CocoaPods 私有仓库的创建(超详细)前言正文结语

    BY
  • vue下获取所选文件绝对路径

    我们在开发electron桌面应用时,因为常常希望对一些本地文件做一些操作,需要获取到这个文件的绝对路径。今天一番在electron-vue下实现了单击按钮选择...

    efonfighting
  • pytest的一个demo

    zx钟
  • k8s实践(六):Pod资源管理

      在配置Pod时,我们可以为其中的每个容器指定需要使用的计算资源(CPU和内存)。计算资源的配置项分为两种:Requests和Limits。Requests表...

    loong576
  • 他统计完200多家公司的成败,发现惊人成功要素...

    大数据文摘
  • Scala 文件 I/O

    Scala 进行文件写操作,直接用的都是 java中 的 I/O 类 (java.io.File):

    王知无

扫码关注云+社区

领取腾讯云代金券