基于光照强度的PIN光电二极管响应时间分析*

初 宁，曹立军*，黄 威

(1.山东大学(威海)机电与信息工程学院，山东威海264209;2.武汉大学电子信息学院，武汉430072)

基于光电二极管的应用越来越受到人们的重视，而光电二极管的性能对整个应用系统具有重要影响。特别是光电二极管的响应速度，一直是光电二极管应用中的重要参数，很多研究和产品都围绕这个参数展开，人们一直致力于研究这一参数影响的条件及如何提高光电二极管的响应速度。例如，光电二极管在探测器领域的应用特性[1－3]，CMOS图像传感领域的应用研究[4]，以及对光传感器标定的研究等[5]。一般在厂家的应用说明和参数指标中，都是把负载作为重要和唯一的影响因素列出。其它影响因素，如电压、温度、结构、材料等，也有相关的研究。但是，对于光照强度对光电二极管响应速度的影响，迄今为止国内外研究的还比较少，而且也没有比较准确的结论。在实际应用中发现，光照强度会对光电二极管反应速度具有一定的影响。本文主要针对这一影响展开研究，并通过理论分析和实验，讨论了具体的影响效果。

1 理论分析

普通的PN光电二极管由于响应速度被多种制造工艺因素限制，很难满足一些高速系统的要求，所以应用的也越来越少[6]，PIN光电二极管开始盛行。例如，在基片上嵌入双极型集成电路的光电传感器开始出现在众多领域[7]。PIN光电二极管在普通光电二极管的PN结之间掺杂一层本征半导体，称为I层。由于I层较厚，几乎占据整个耗尽层，使原本耗尽层区的宽度增大，达到减小扩散运动的影响。在I层两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小，绝大部分的入射光在I层被吸收并产生大量的电子－空穴对，使得产生的光电流中漂移分量占了主导地位，进而大大提高了响应速度。但是增加I层，使耗尽区宽度增大，在达到减小扩散分量目的的同时也将延长光生载流子在耗尽区内的漂移时间，会导致响应变慢。因此，耗尽区要根据产品要求合理选择宽度才可以有效提高PIN光电二极管的响应速度。厂家设计、生产PIN光电二极管时，通过I区使光感面积大大增加[8]，凭借其高灵敏度、高响应速度、暗电流[9]较小的性能优势，在对响应速度要求较高的系统中开始逐渐替代普通的光电二极管，在众多领域得到广泛的应用。伴随PIN光电二极管的性能改进和广泛应用，人们也对其性能进行了大量的研究，在这方面获得了一些重要进展[10－11]。

理论研究表明，PIN光电二级管中PIN结的空间电荷分布在I层两边的界面处，而整个的I型层中并没有空间电荷，是由I型层两边的空间电荷产生内建电场，所以PIN结的势垒区就是整个的I型层。PIN结在反向偏置电压作用下的电场如图1所示。

图1 PIN结反向电压作用时电子空穴分布图

普通PN结在反向电压作用时，外接电压与内建电场作用相同，是抑制载流子的扩散作用，促进其漂移作用。在势垒区比较薄的情况下，就可以忽略载流子在势垒区的渡越时间影响。而对于PIN光电二极管中的PIN结来说，虽然它的空间电荷区是在I型层两边很薄的区域，但其势垒区却是整个I型层。在这种势垒区较大的情况下，就需要考虑载流子在渡越势垒区的过程中所延迟的时间。因此，光电二极管的响应速度主要受三大因素影响[12]:①RC常数;②光生载流子在光电二极管中的飘移时间;③耗尽区外产生的载流子扩散引起的延迟。

这里，影响因素①中的R为PIN光电二极管反向偏置时的负载电阻，C为PIN光电二极管反向偏置时的等效电容:

其中，Cb为势垒电容，Cd为扩散电容。在反向偏置电压作用下，光载流子漂移占主导地位，扩散电容近似为零，只有势垒电容作用。影响因素②中的漂移时间对响应时间的影响也比较大。由于漂移距离一定，因此主要取决于光生载流子的漂移速度，而在反向偏置电压作用下漂移速度是由外部所加电压和内部空间电荷区所产生的电压共同产生的场强大小所决定的。外部偏置电压越大，P区和N区的空间电荷区越宽，产生的内部场强越大，漂移速度也越大，进而漂移时间变短。影响因素③由于在反向偏置电压作用下漂移占主导作用，可以近似忽略扩散作用。因此相比较于①、②的影响较小，在此，可以忽略。

在此基础上，本文着重研究在不同的光照强度下光电二极管的响应时间，并总结光强和响应时间之间的影响关系。针对光电二极管工作在饱和情况下，分别由无光到有光照和从有光到无光照的两种情况进行研究，分析讨论光电二极管的响应时间。由无光照到有光照时，光照越强，其饱和深度越深，产生的电子－空穴对越多，PIN的等效电阻越小，而两边的偏置电压不变，其势垒电容也不变，因此RC变小，另外，光生载流子的漂移速度不变，但数量增多，可以更容易的使光电二极管导通，因此响应时间变短;从有光照到无光照时，其响应时间就是光电二极管从导通变为截止的时间，之前的光照强度越强，则其饱和的深度约大，相同外界条件下，其还原截止状态就越困难，所需要的响应时间就越长。

2 实验

光照强度直接影响光电二极管光电流的大小。论文研究当光电流达到最大状态后，不同的光照强度对光电二极管响应时间的影响。

图2为实验系统组成模型框图。光源信号由激光发射器提供，采用单片机定时产生方波信号。为了观察在光电流饱和状态下，不同的光照强度对光电二极管响应时间的影响，实验在激光发射器正常3.3 V电压驱动下，使电路达到饱和之后，又加大了激光发射器的供电电压到4 V，这样可使其产生的光强增大，以达到实验要求。

图2 实验模型

实验中所用的电源为GPD－3303S的稳压直流电源。示波器为DS1202CA数字示波器，带宽200 MHz，单通道实时采样率为2 GSa/s，等效采样率为50 GSa/s。激光发射器是输出波长635 nm，输出功率20 mW的半导体激光发射器。PIN光电二极管的型号为BPW50，偏置电压为5 V。

3 结果分析

实验结果发现，光电二极管在从无光照到有光照这一过程中，光照弱的时候(图3a)，响应时间为220 μs，而光照强的时候(图3b)，响应时间为 168 μs;在光电二极管从有光照到无光照这一过程中，光照强的时候(图4a)，响应时间为34 μs，而光照弱的时候(图4b)，响应时间为32 μs。由此可见，当光电二极管处于从无光照到有光照的情况下，光强越强，则其响应时间越短，而当光电二极管处于从有光照到无光照的情况下，之前光强越强，则其响应时间越长。

图3 无光到有光，光弱/强时响应时间

根据实验分析，本文提出了PIN光电二极管考虑光强效应的内部PIN结的等效模型，如图5所示。考虑光强效应的影响，用该模型解释PIN光电二极管的响应速度会更加合理。PIN中的I层受光照前后会产生光电流，而光强越强光电流越大。假设I层中受到不同光照强度之后产生不同的光电流大小用1到5行的等级划分，光电流越大，产生的电子空穴对的行数越多。本文假定当光电流达到饱和的时候，图中I层五行将都布满电子－空穴对，这时的光电流达到饱和状态。L表示光照在I层中所产生的电子－空穴对的每一行长度，受物理条件影响，L的长度为固定值。

论文研究是在光电二极管达到饱和状态下的不同光强对响应速度的影响。因此，假定所使用的光强均可产生饱和五行的电子－空穴对，而不同的只是饱和深度，就是I层中的每一行中的电子－空穴密度不同。实验中光电二极管两端的反向偏置电压是

图4 有光到无光，光强/弱时响应时间

图5 PIN光电二极管I层受光等效模型

固定的，因此，I层中的电子－空穴对的漂移速度也是固定的，而电子漂移所需的时间远小于光照产生电子－空穴对的时间，从无光照到有光照，不同的光强对光电二极管的响应时间主要取决于I层受光照产生电子－空穴对从零行到光电流饱和五行的时间长短。光强越强，单位时间内的光子数越多，单位时间内I层产生的电子－空穴对也越多，从而使光电二极管到达饱和五行的时间减少，于是，其响应速度加快。这就可以合理的解释光电二极管从无光照到有光照这一过程中，光强越强，响应时间越短的原因。

在光电二极管从有光照到无光照的情况，当光照到PIN光电二极管的时候，光强越强，对应模型中的每一行的电子－空穴对密度越大，I层中的游离的电子－空穴对越多;当光消失时，在两端偏置电压不变的情况下，光电二极管变到截止状态，则要使I层中产生的电子－空穴对在偏置电压的作用下，漂移到相应的一端才可以，光强越强，电子－空穴对越多，漂移速度一定的情况下，数量越多，消耗时间越长。所以，光电二极管从有光照到无光照这一过程中，光照越强，响应时间就会越长。

4 结论

实际应用发现，光照强度对PIN光电二极管的响应时间有一定影响，而且影响的效果在不同的状态下也是不同的。目前在这方面研究还比较少，对这种现象也没有合理的解释。本文通过分析研究，针对这种现象提出了PIN光电二极管受光照之后I层的内部假设模型，该模型考虑了光强的影响因素，利用该模型可以合理的解释实际应用中所产生的影响效果。实验证明:不同光照强度作用下，光电二极管在从无光照到有光照这一过程中，光强越强，响应时间越短;而当光电二极管从有光照到无光照这一过程中，光强越强，响应时间越长。

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