MKS技术说明之光电二极管

图 1: 典型的Si 光电二极管器件结构。

▍光电二极管

光电二极管由半导体p-n 结构成，但涉及的基本辐射过程是吸收。落在结上的光导致了电子- 空穴对的形成。在光伏模式中，即没有施加偏压，电子- 空穴对迁移到结的 相对侧，从而产生电压（和电流，如果器件连接在电路中）。然而，大多数光电二极管在光导模式下工作，会在 结上施加反向偏压。在这种模式下工作有明显的优势[1]。反向偏压增加了耗尽区的宽度，造成更 大的光敏区域，从而可以实现更多的光收集。此外，偏压在结中产生一个快速清扫载流子的强场，使复合不太可 能发生。这保证了高量子效率或者光子到电荷载流子的有效转换。在响应时间方面也有优势。 在反向偏压的光电二极管中，由偏压和电荷载流子产生的电流在宽动态范围内与入射光强度成比例。

半导体光子源和光子探测器之间的关键区别是前者需要使用直接带隙半导体，而后者可以使用间接带隙半导体。虽然同时要求能量和动量守恒使得间接带隙半导体中光子辐射的可能性大大降低，但吸收不是这 种情况。有一种两步处理法较容易实现，其中电子被激发到导带中的高能级，随后是弛豫过程，其间电子的动量被转移到声子。由于这两个步骤可以顺序发生，比两个步骤必须同时发生的辐射过程可能性高得多。其结果是， 硅（Si）和锗（Ge）等IV 族元素半导体与GaAs 或InGaAs 等直接带隙III-V 族体系相似，是有效的光子探测器。 在电子电路和器件中Si 无处不在，Si 光电二极管成为仪器中最常用的光探测器也并不意外（参见图1 所示典型 器件结构）。 Si 的光谱响应度 覆盖了UV，VIS 和NIR 波段。利用其他半导体材料的光电二极管可能 覆盖电磁波谱的其他部分。

光电二极管有一些区别于热探测器的特性。光子到电子的转换非常迅速，因此光电二极管具有响应快速变化辐射水平的潜力，其探测率可以明显高于热探测器的探测率。探测机制强烈地依赖于波长，也就是说， 响应度存在一个峰值，由于光子到瓦特的转换，响应度会在短波长处下降，由于产生电子- 空穴对所需的最小光子能量，响应度会在长波长处下降。光电二极管的动态范围可能非常大，单个探测器超过10(10)。由于其高探测率和大动态范围，光电二极管通常用于测量范围很宽的光功率。对于连续或准连续光源，这是很直观的；对于脉冲光源， 文中概述的程序可用于估算脉冲能量。只要时间响应能够适应脉冲积分，光电二极管也可以用作能量传感器。这会导致动态范围的降低，范围下限的降低是由于探测灵敏度减小（由于更快的时间响应），范围上限的降低是由于探测器线性响应的饱和。这是因为电子- 空穴对开始复合，而没有流过电路。