半導體光電二極管體積小，重量輕，靈敏度高，響應速度快，而且在幾伏的偏置電壓下即可工作。對于光纖通信系統(tǒng)，半導體光電二極管是近乎理想的檢測器。下面將討論三類這樣的器件，即Pn型光電二極管、PIN型光電二極管和雪崩光電二極管。

                        

                   圖： pn結光電二極管的結構。（a）反向偏置二極管；（b）pn結；（c）能級圖

　　簡單的Pn光電二極管結構如上圖所示，主要用來解釋結型半導體光檢測器的基本檢測原理。當Pn結反向偏置時，p區(qū)和兒區(qū)之間的勢壘增加。通常在咒區(qū)的自由電子和在p區(qū)的自由空穴不能越過勢壘，所以也就沒有電流產生。Pn結結區(qū)也就是勢壘所在的區(qū)域。由于結區(qū)沒有自由電荷，所以這個區(qū)叫做耗盡區(qū)。也正因為沒有自由電荷，所以這是一個高電阻區(qū)域，從而導致整個二極管的電壓幾乎全部加在結區(qū)的兩側。因此，耗盡區(qū)是一個高電場區(qū)，而在結區(qū)之外電場幾乎可以忽略。

　　圖(c)顯示，一個人射光子經過p層以后在結區(qū)被吸收。吸收的能量激發(fā)一個束縛電子從價帶越過帶隙到達導帶。此時電子成為自由載流子，能夠自由運動。同時，一個空穴留在價帶上由電子空出的位置。自由電荷載流子就是以這樣的方式通過吸收光子產生的。自由電子在結區(qū)電場的作用下向勢壘底部運動，空穴的勢能剛好與電子相反，所以向勢壘頂端運動。自由電荷的定向運動在外電路產生了電流，這與真空光電二極管中由光致發(fā)射電子產生電流的方式類似。如果電子一空穴對復合，或者到達電場力很小的結區(qū)邊緣，電荷便會停止運動，電流也就終止了。

　　如果光子在結區(qū)外面的p區(qū)或n區(qū)被吸收又會產生什么情況呢?這時，同樣也會產生電子一空穴對，但因為結區(qū)外的電場力很小，所以自由電荷并不可能快速運動。絕大部分的自由電荷將在二極管內緩慢擴散，并在到達結區(qū)之前復合。這些電荷會產生微小的電流，從而降低檢測器的響應度。 很明顯，這種現象使得Pn結型檢測器的效率不高。為了提高響應度，可以在二極管芯片中集成一個前置放大器，這樣的器件稱為集成前置放大檢測器(IDP，integrated detector preamplifier)。

　　在緊靠耗盡區(qū)附近產生的電荷載流子能夠向耗盡區(qū)擴散，這些電荷在大電場力的作用下通過耗盡區(qū)。這樣也可以在外電路中產生電流，但這種電流響應相對于入射光功率的變化會有一個時延。

　　假定我們要通過檢測外加的階躍入射光功率來測量一個Pn結型光電二極管的上升時間。部分來自階躍脈沖前沿的光子會在結區(qū)被吸收，并在此瞬間產生電流。但是，另一些前沿的光子可能在接近結區(qū)的地方被吸收，這會導致電流延遲一段時間。因此，我們在實驗中將看到電流是逐漸上升的，峰值出現在外加階躍波形輸入完成之后。這種上升時間通常比較長，典型的PIN結型光電二極管的上升時間為微秒量級，所以在高速光纖通信系統(tǒng)中不適用。PIN型二極管結構可以解決響應度低和響應速度慢的問題。

　　將半導體Pn結作為光發(fā)射器和作為光檢測器的特點做一個比較是很有趣的事情。用做光發(fā)射器時，二極管是正向偏置的，電荷注入結區(qū)通過復合產生光子。用做檢測器時，其過程剛好相反，二極管是反向偏置的，入射光子產生電子一空穴對，從而在外電路中產生電流。盡管實際上不這么做，但一個簡單的Pn結的確能設計成同時用做發(fā)射器和檢測器兩種功能的器件。

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