Xie Meng-xian. (电子科大，成都市)
p-n结不仅是微电子器件的基础，而且也是光电子器件的基础。p-n结的感光特性和发光特性都是一些非常重要的概念。
众所周知，半导体对光是非常敏感的，这是由于半导体在吸收了光之后，会产生本征激发、杂质激发等多种效应的缘故。如果把半导体对光的敏感特性与p-n结的特性结合起来，即可制作出非常有用的若干种光电子器件。
（1）光电二极管( PD
)：
PD就是由光照而产生电动势（或光生电流）的一种半导体二极管。其结构很简单，实际上就是一个半导体p-n结。PD主要用于检测光（接收光）。如果PD检测的是红外光、紫外光或X射线等，则PD就分别称为红外光探测器、紫外光探测器或X射线探测器等。由于PD能够把光能转换为电能，所以原则上它也是一种光电池，只是需要把它的面积做得非常大时，才能给出较大的光生电流。
▲ PD的工作原理（见图1）：
当能量大于半导体禁带宽度的光线照射到p-n结时，就会由于本征激发而产生出非平衡载流子（光生载流子）；若光生的电子和空穴是分布在势垒区中，则它们将会被内建电场分开，使得电子都集中到n型半导体一侧、空穴都集中到p型半导体一侧，于是在p-n结两端就形成了一个附加在内建电压之上的一个电压——光生电动势，这时如果用导线把p型和n型的两侧在外面连接起来，就将出现电流——光生电流。
由PD的工作原理可见：
①对于一个p-n结，只要光子能量大于半导体禁带宽度，就可以在半导体中产生出光生载流子，从而就能够给出光生电流。所以对于制作PD的半导体的要求，只是其禁带宽度合适即可（不管是直接跃迁、还是间接跃迁的材料）。因此，Ge、Si、GaAs、GaN、SiC等各种半导体都可以用来制作PD；而且禁带宽度较窄的Ge、InSb等的PD只能对红外光敏感，而宽禁带的GaN、SiC等的PD则对短波长的蓝色光和紫外光敏感。吸收光的波长λ与禁带宽度Eg之间的关系为：Eg[ev]
= 1.24 / λ[mm]。
②PD主要是借助于半导体的本征激发和势垒区电场的作用来产生电流的，所以对于p-n结，凡是能够导致半导体本征激发的任何辐射都可以产生“光生电流”。因此，PD不仅是一种光电转换的半导体二极管，而且也是任何辐射的一种检测器或者探测器，例如红外光探测器、紫外光探测器、x射线探测器、α粒子探测器等；当然这时所采用的半导体材料的禁带宽度要合适——要求能够对所探测的辐射敏感——能够产生本征激发。HgCdTe是一种禁带宽度很小的半导体（特别，HgTe是一种半金属——0能隙半导体），可以制作出很好的远红外探测器；GaN、SiC都属于宽禁带半导体，可以制作出很好的紫外光探测器。
③PD的光生电动势主要是利用势垒区内建电场来分开光生电子、空穴的作用而实现的，所以p-n结的势垒区是PD的主要工作区——有源区。从而，凡是能够形成p-n结的任何半导体材料，都可以制成PD，例如多晶硅、非晶硅等；只是因为多晶硅、非晶硅等半导体中的复合中心和散射中心都太多，载流子的扩散长度太短，使得其中的光生载流子不能被完全用于产生光生电动势和光电流，所以这些PD的光电性能较差（光生电流较小）。
④p-n结势垒区两边的扩散区（扩散长度的范围）实际上也属于PD的有源区，因为在扩散区中产生出的光生少数载流子可以通过扩散而到达势垒区边缘、并被势垒区内建电场拉向对面而对光生电流提供贡献。所以，PD的总光生电流应该包含有漂移电流和扩散电流两个成分：
总光生电流=(势垒区中光生载流子的漂移电流) +
(扩散区中光生载流子的扩散电流)
由于电子的扩散长度Ln大于空穴的扩散长度Lp，所以电子的扩散区将往往起着主要作用。不过总体来看，PD的有源区主要还是势垒区。
⑤PD中产生出的光生载流子数目越多，光生电流就越大，则PD的光电转换效率也就越高，光探测器的灵敏度也就越高。为了增大PD的光生电流，可以从多个方面来采取措施，除了直接增大光强（即增多光子数目）以增加光生载流子数目以外，有如：
a）减小光生载流子在有源区中的复合几率（即要求减少势垒区和扩散区中复合中心的数目），使得光生载流子尽可能都对于光生电流有贡献。
b）增大p-n结的光照面积，这实际上也就是增多总的照射光子的数目，所以能够产生出更多的光生载流子。光电池实际上就是一种大面积p-n结的光电二极管；太阳电池是一种对于太阳光较为敏感的光电池。
c）增大p-n结的势垒区厚度（即增大了有源区，使得能够产生出更多的光生载流子）。
d）p-n结表面对光的反射以及表面层对光的吸收作用，也会严重影响到检测灵敏度。例如，若把表面层改用禁带宽度较大的所谓窗口材料（即不能产生本征激发的半导体）时，就可有效地减小光吸收的作用。
⑥作为检测（探测）光的PD，不仅要求其灵敏度高，而且还往往要求它对光的响应速度快。PD对光的响应速度与两个因素有关：
a）光生载流子漂移出势垒区的速度：移出越快，响应速度就越快。而光生载流子移出的速度与势垒区厚度有关：势垒区厚度越大，响应速度就越慢。因此，PD对照射光的响应速度与其检测的灵敏度之间存在着一定的矛盾（这要求合理地设计势垒区厚度）。
b）p-n结的势垒电容：因为光生电动势会在p-n结两端造成一个正向电压，则当光强变化而引起光生电动势变化时，就将导致势垒厚度变化，从而产生出一个微分电容。该势垒电容大小与势垒厚度和p-n结面积有关，因此为了提高响应速度，就应该增大势垒厚度和减小p-n结面积；在减小p-n结面积上，也与提高检测灵敏度是矛盾的，故需要合理选取p-n结面积。
正因为响应速度与灵敏度之间存在着难以调和的矛盾，所以，一般PD的响应速度都较慢，则不能高频使用。当然，对于光电池和太阳电池，无需考虑对光的响应速度，所以可采用尽量大的p-n结面积来增大光生电流。
▲ PD的伏安特性（见图2）：
因为光生电流实际上是通过p-n结势垒区的一种反向电流，而光生电动势产生的电压是加在p-n结两端的一个正向电压，所以PD的总电流I就应该等于光生反向电流IL加上一个由于光生电压而产生的p-n结电流：
I = ( IL ) + (p-n结的电流) = IL + IS
[exp(qV/mkT) – 1]，m = 1~2，IS是p-n结反向电流
总之，光照下的p-n结将具有一定的正向电压和很大的反向电流，这种电流与电压的关系如图2所示。图中的电压Vp是最大光生电动势，Ip是最大的反向电流。
一个性能良好的PD，应该具有较大的Vp和Ip，即具有较大的光电功率。这就是说，图2中的兰色区域的面积应该越大越好，以给出较大的电能容量。由于最大光生电压Vp不会超过p-n结势垒高度所对应的内建电压，所以只有选取禁带宽度较大的半导体才能适当地增大Vp。而增大Ip的措施，如上所述，主要是增宽势垒厚度、增大p-n结面积和减少复合中心的数量。
用作PD的p-n结，除了尽量减小其中（特别是势垒区和扩散区）复合中心的数量以外，它两边的掺杂浓度也应该适当地高，以降低p-n结本身的反向电流IS（该电流对光生电流没有贡献）。
▲ 高灵敏度PD：
作为检测光的PD，首先要求其灵敏度很高。显然，这应该要极大地增宽势垒厚度。但是一般p-n结的势垒厚度是受到一定限制的（主要决定于半导体材料及其掺杂浓度），不能随意增得很宽；为此，在一般PD的基础上，就特意在p型半导体与n型半导体之间插入一个适当厚度的i型半导体层，以人为地增大p-n结势垒区的厚度（因为i型半导体总是耗尽的，所以势垒区基本上就是i型层），于是就显著提高了检测光的灵敏度。可见，高灵敏度PD
的结构实际上就是一个pin结。
对于高灵敏度PD，除了大大增宽势垒厚度以外，还必须尽可能地降低半导体表面层对光的吸收作用（以使光线能够尽量深入到势垒区）；为此，采用不能产生本征激发的宽禁带半导体（称为窗口材料）来制作表面层，即可避免表面层对光的吸收。
高灵敏度PD在检测光信号使用中，通常都还要求它具有一定的响应速度。虽然i型层厚度d的增大，有利于减小p-n结势垒电容，可提高响应速度；但是，若i型层的厚度d过大,
则反而不利，因为这时将会增大光生载流子在i型层中漂移的时间t。如果饱和速度为vd，则在i型层中漂移的时间为t=d/vd；又，如果光信号的周期是T，那么根据t=T/2来选取i型层厚度是较为合理的：令t=d/vd
=T/2，则得到i型层厚度d = vd
T/2。因此，只要pin结的势垒电容较小、而不限制响应速度的话，则光信号的频率越高（即周期T越小），i型层的厚度d就应该选取得越小。
（2）雪崩光电二极管（APD）：
在高灵敏度PD的基础之上，为了进一步提高检测光的灵敏度，就发展出了能够额外增加光生载流子数量的一种光电二极管——APD。现在APD已经广泛地用于长距离光纤通信中的接收端。
APD实际上就是加有较高（高至产生雪崩倍增的程度）反向电压的一种高灵敏度PD，在结构上它也就是一个处于雪崩倍增状态下的pin结。
对于APD，要求光生载流子的倍增效应出现在其中i型层势垒区中，而需要避免半导体表面产生击穿，同时，也需要避免出现表面漏电流（暗电流）等，为此，在pin结的表面上就必须采取一定的所谓结终端技术（例如加设保护环等）才能做到。
用于检测短于0.9mm光的APD，一般采用Si-pin结较好。但在检测1mm以上的长波长光时，常常采用的是Ge和InGaAs-pin结，这种APD的噪音和暗电流一般都较大。
pin结型式的APD，其光吸收区和载流子倍增区基本上都是i型层。这种APD虽然结构简单，但是往往存在有隧道电流倍增的过程（因为强电场致使能带倾斜很大，则容易产生隧道效应），这会导致出现较大的散粒噪音。改进的一种结构就是把倍增区和光吸收区分开（倍增区采用宽禁带半导体，使得不吸收光；光吸收区采用能够很好吸收光的窄禁带半导体）。
此外，为了进一步改善APD的性能，还有采用异质结、量子阱和超晶格等各种形式的结构。
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