基于光照強(qiáng)度的PIN光電二極管響應(yīng)時(shí)間分析*

初 寧，曹立軍*，黃 威

(1.山東大學(xué)(威海)機(jī)電與信息工程學(xué)院，山東威海264209;2.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，武漢430072)

基于光電二極管的應(yīng)用越來(lái)越受到人們的重視，而光電二極管的性能對(duì)整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)具有重要影響。特別是光電二極管的響應(yīng)速度，一直是光電二極管應(yīng)用中的重要參數(shù)，很多研究和產(chǎn)品都圍繞這個(gè)參數(shù)展開(kāi)，人們一直致力于研究這一參數(shù)影響的條件及如何提高光電二極管的響應(yīng)速度。例如，光電二極管在探測(cè)器領(lǐng)域的應(yīng)用特性[1－3]，CMOS圖像傳感領(lǐng)域的應(yīng)用研究[4]，以及對(duì)光傳感器標(biāo)定的研究等[5]。一般在廠(chǎng)家的應(yīng)用說(shuō)明和參數(shù)指標(biāo)中，都是把負(fù)載作為重要和唯一的影響因素列出。其它影響因素，如電壓、溫度、結(jié)構(gòu)、材料等，也有相關(guān)的研究。但是，對(duì)于光照強(qiáng)度對(duì)光電二極管響應(yīng)速度的影響，迄今為止國(guó)內(nèi)外研究的還比較少，而且也沒(méi)有比較準(zhǔn)確的結(jié)論。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，光照強(qiáng)度會(huì)對(duì)光電二極管反應(yīng)速度具有一定的影響。本文主要針對(duì)這一影響展開(kāi)研究，并通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)，討論了具體的影響效果。

1 理論分析

普通的PN光電二極管由于響應(yīng)速度被多種制造工藝因素限制，很難滿(mǎn)足一些高速系統(tǒng)的要求，所以應(yīng)用的也越來(lái)越少[6]，PIN光電二極管開(kāi)始盛行。例如，在基片上嵌入雙極型集成電路的光電傳感器開(kāi)始出現(xiàn)在眾多領(lǐng)域[7]。PIN光電二極管在普通光電二極管的PN結(jié)之間摻雜一層本征半導(dǎo)體，稱(chēng)為I層。由于I層較厚，幾乎占據(jù)整個(gè)耗盡層，使原本耗盡層區(qū)的寬度增大，達(dá)到減小擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的影響。在I層兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，P層和N層很薄，吸收入射光的比例很小，絕大部分的入射光在I層被吸收并產(chǎn)生大量的電子－空穴對(duì)，使得產(chǎn)生的光電流中漂移分量占了主導(dǎo)地位，進(jìn)而大大提高了響應(yīng)速度。但是增加I層，使耗盡區(qū)寬度增大，在達(dá)到減小擴(kuò)散分量目的的同時(shí)也將延長(zhǎng)光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)的漂移時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)變慢。因此，耗盡區(qū)要根據(jù)產(chǎn)品要求合理選擇寬度才可以有效提高PIN光電二極管的響應(yīng)速度。廠(chǎng)家設(shè)計(jì)、生產(chǎn)PIN光電二極管時(shí)，通過(guò)I區(qū)使光感面積大大增加[8]，憑借其高靈敏度、高響應(yīng)速度、暗電流[9]較小的性能優(yōu)勢(shì)，在對(duì)響應(yīng)速度要求較高的系統(tǒng)中開(kāi)始逐漸替代普通的光電二極管，在眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。伴隨PIN光電二極管的性能改進(jìn)和廣泛應(yīng)用，人們也對(duì)其性能進(jìn)行了大量的研究，在這方面獲得了一些重要進(jìn)展[10－11]。

理論研究表明，PIN光電二級(jí)管中PIN結(jié)的空間電荷分布在I層兩邊的界面處，而整個(gè)的I型層中并沒(méi)有空間電荷，是由I型層兩邊的空間電荷產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)，所以PIN結(jié)的勢(shì)壘區(qū)就是整個(gè)的I型層。PIN結(jié)在反向偏置電壓作用下的電場(chǎng)如圖1所示。

圖1 PIN結(jié)反向電壓作用時(shí)電子空穴分布圖

普通PN結(jié)在反向電壓作用時(shí)，外接電壓與內(nèi)建電場(chǎng)作用相同，是抑制載流子的擴(kuò)散作用，促進(jìn)其漂移作用。在勢(shì)壘區(qū)比較薄的情況下，就可以忽略載流子在勢(shì)壘區(qū)的渡越時(shí)間影響。而對(duì)于PIN光電二極管中的PIN結(jié)來(lái)說(shuō)，雖然它的空間電荷區(qū)是在I型層兩邊很薄的區(qū)域，但其勢(shì)壘區(qū)卻是整個(gè)I型層。在這種勢(shì)壘區(qū)較大的情況下，就需要考慮載流子在渡越勢(shì)壘區(qū)的過(guò)程中所延遲的時(shí)間。因此，光電二極管的響應(yīng)速度主要受三大因素影響[12]:①RC常數(shù);②光生載流子在光電二極管中的飄移時(shí)間;③耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散引起的延遲。

這里，影響因素①中的R為PIN光電二極管反向偏置時(shí)的負(fù)載電阻，C為PIN光電二極管反向偏置時(shí)的等效電容:

其中，Cb為勢(shì)壘電容，Cd為擴(kuò)散電容。在反向偏置電壓作用下，光載流子漂移占主導(dǎo)地位，擴(kuò)散電容近似為零，只有勢(shì)壘電容作用。影響因素②中的漂移時(shí)間對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響也比較大。由于漂移距離一定，因此主要取決于光生載流子的漂移速度，而在反向偏置電壓作用下漂移速度是由外部所加電壓和內(nèi)部空間電荷區(qū)所產(chǎn)生的電壓共同產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)大小所決定的。外部偏置電壓越大，P區(qū)和N區(qū)的空間電荷區(qū)越寬，產(chǎn)生的內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)越大，漂移速度也越大，進(jìn)而漂移時(shí)間變短。影響因素③由于在反向偏置電壓作用下漂移占主導(dǎo)作用，可以近似忽略擴(kuò)散作用。因此相比較于①、②的影響較小，在此，可以忽略。

在此基礎(chǔ)上，本文著重研究在不同的光照強(qiáng)度下光電二極管的響應(yīng)時(shí)間，并總結(jié)光強(qiáng)和響應(yīng)時(shí)間之間的影響關(guān)系。針對(duì)光電二極管工作在飽和情況下，分別由無(wú)光到有光照和從有光到無(wú)光照的兩種情況進(jìn)行研究，分析討論光電二極管的響應(yīng)時(shí)間。由無(wú)光照到有光照時(shí)，光照越強(qiáng)，其飽和深度越深，產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)越多，PIN的等效電阻越小，而兩邊的偏置電壓不變，其勢(shì)壘電容也不變，因此RC變小，另外，光生載流子的漂移速度不變，但數(shù)量增多，可以更容易的使光電二極管導(dǎo)通，因此響應(yīng)時(shí)間變短;從有光照到無(wú)光照時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間就是光電二極管從導(dǎo)通變?yōu)榻刂沟臅r(shí)間，之前的光照強(qiáng)度越強(qiáng)，則其飽和的深度約大，相同外界條件下，其還原截止?fàn)顟B(tài)就越困難，所需要的響應(yīng)時(shí)間就越長(zhǎng)。

2 實(shí)驗(yàn)

光照強(qiáng)度直接影響光電二極管光電流的大小。論文研究當(dāng)光電流達(dá)到最大狀態(tài)后，不同的光照強(qiáng)度對(duì)光電二極管響應(yīng)時(shí)間的影響。

圖2為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成模型框圖。光源信號(hào)由激光發(fā)射器提供，采用單片機(jī)定時(shí)產(chǎn)生方波信號(hào)。為了觀察在光電流飽和狀態(tài)下，不同的光照強(qiáng)度對(duì)光電二極管響應(yīng)時(shí)間的影響，實(shí)驗(yàn)在激光發(fā)射器正常3.3 V電壓驅(qū)動(dòng)下，使電路達(dá)到飽和之后，又加大了激光發(fā)射器的供電電壓到4 V，這樣可使其產(chǎn)生的光強(qiáng)增大，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

實(shí)驗(yàn)中所用的電源為GPD－3303S的穩(wěn)壓直流電源。示波器為DS1202CA數(shù)字示波器，帶寬200 MHz，單通道實(shí)時(shí)采樣率為2 GSa/s，等效采樣率為50 GSa/s。激光發(fā)射器是輸出波長(zhǎng)635 nm，輸出功率20 mW的半導(dǎo)體激光發(fā)射器。PIN光電二極管的型號(hào)為BPW50，偏置電壓為5 V。

3 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光電二極管在從無(wú)光照到有光照這一過(guò)程中，光照弱的時(shí)候(圖3a)，響應(yīng)時(shí)間為220 μs，而光照強(qiáng)的時(shí)候(圖3b)，響應(yīng)時(shí)間為 168 μs;在光電二極管從有光照到無(wú)光照這一過(guò)程中，光照強(qiáng)的時(shí)候(圖4a)，響應(yīng)時(shí)間為34 μs，而光照弱的時(shí)候(圖4b)，響應(yīng)時(shí)間為32 μs。由此可見(jiàn)，當(dāng)光電二極管處于從無(wú)光照到有光照的情況下，光強(qiáng)越強(qiáng)，則其響應(yīng)時(shí)間越短，而當(dāng)光電二極管處于從有光照到無(wú)光照的情況下，之前光強(qiáng)越強(qiáng)，則其響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)。

圖3 無(wú)光到有光，光弱/強(qiáng)時(shí)響應(yīng)時(shí)間

根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，本文提出了PIN光電二極管考慮光強(qiáng)效應(yīng)的內(nèi)部PIN結(jié)的等效模型，如圖5所示。考慮光強(qiáng)效應(yīng)的影響，用該模型解釋PIN光電二極管的響應(yīng)速度會(huì)更加合理。PIN中的I層受光照前后會(huì)產(chǎn)生光電流，而光強(qiáng)越強(qiáng)光電流越大。假設(shè)I層中受到不同光照強(qiáng)度之后產(chǎn)生不同的光電流大小用1到5行的等級(jí)劃分，光電流越大，產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的行數(shù)越多。本文假定當(dāng)光電流達(dá)到飽和的時(shí)候，圖中I層五行將都布滿(mǎn)電子－空穴對(duì)，這時(shí)的光電流達(dá)到飽和狀態(tài)。L表示光照在I層中所產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)的每一行長(zhǎng)度，受物理?xiàng)l件影響，L的長(zhǎng)度為固定值。

論文研究是在光電二極管達(dá)到飽和狀態(tài)下的不同光強(qiáng)對(duì)響應(yīng)速度的影響。因此，假定所使用的光強(qiáng)均可產(chǎn)生飽和五行的電子－空穴對(duì)，而不同的只是飽和深度，就是I層中的每一行中的電子－空穴密度不同。實(shí)驗(yàn)中光電二極管兩端的反向偏置電壓是

圖4 有光到無(wú)光，光強(qiáng)/弱時(shí)響應(yīng)時(shí)間

圖5 PIN光電二極管I層受光等效模型

固定的，因此，I層中的電子－空穴對(duì)的漂移速度也是固定的，而電子漂移所需的時(shí)間遠(yuǎn)小于光照產(chǎn)生電子－空穴對(duì)的時(shí)間，從無(wú)光照到有光照，不同的光強(qiáng)對(duì)光電二極管的響應(yīng)時(shí)間主要取決于I層受光照產(chǎn)生電子－空穴對(duì)從零行到光電流飽和五行的時(shí)間長(zhǎng)短。光強(qiáng)越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)的光子數(shù)越多，單位時(shí)間內(nèi)I層產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)也越多，從而使光電二極管到達(dá)飽和五行的時(shí)間減少，于是，其響應(yīng)速度加快。這就可以合理的解釋光電二極管從無(wú)光照到有光照這一過(guò)程中，光強(qiáng)越強(qiáng)，響應(yīng)時(shí)間越短的原因。

在光電二極管從有光照到無(wú)光照的情況，當(dāng)光照到PIN光電二極管的時(shí)候，光強(qiáng)越強(qiáng)，對(duì)應(yīng)模型中的每一行的電子－空穴對(duì)密度越大，I層中的游離的電子－空穴對(duì)越多;當(dāng)光消失時(shí)，在兩端偏置電壓不變的情況下，光電二極管變到截止?fàn)顟B(tài)，則要使I層中產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)在偏置電壓的作用下，漂移到相應(yīng)的一端才可以，光強(qiáng)越強(qiáng)，電子－空穴對(duì)越多，漂移速度一定的情況下，數(shù)量越多，消耗時(shí)間越長(zhǎng)。所以，光電二極管從有光照到無(wú)光照這一過(guò)程中，光照越強(qiáng)，響應(yīng)時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)。

4 結(jié)論

實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，光照強(qiáng)度對(duì)PIN光電二極管的響應(yīng)時(shí)間有一定影響，而且影響的效果在不同的狀態(tài)下也是不同的。目前在這方面研究還比較少，對(duì)這種現(xiàn)象也沒(méi)有合理的解釋。本文通過(guò)分析研究，針對(duì)這種現(xiàn)象提出了PIN光電二極管受光照之后I層的內(nèi)部假設(shè)模型，該模型考慮了光強(qiáng)的影響因素，利用該模型可以合理的解釋實(shí)際應(yīng)用中所產(chǎn)生的影響效果。實(shí)驗(yàn)證明:不同光照強(qiáng)度作用下，光電二極管在從無(wú)光照到有光照這一過(guò)程中，光強(qiáng)越強(qiáng)，響應(yīng)時(shí)間越短;而當(dāng)光電二極管從有光照到無(wú)光照這一過(guò)程中，光強(qiáng)越強(qiáng)，響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)。

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