1、第3章 光接收器件及集成技術(shù)3.3 基于IIIV族半導(dǎo)體材料的光電探測(cè)器半導(dǎo)體光電探測(cè)器是利用內(nèi)光電效應(yīng)進(jìn)行光電探測(cè)的，通過(guò)吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)從而在外電路產(chǎn)生光電流。其過(guò)程可以分為三步：光子吸收產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在適當(dāng)內(nèi)電場(chǎng)作用下載流子的漂移，歐姆接觸收集載流子。半導(dǎo)體光電探測(cè)器有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、低工作電壓、寬頻譜范圍、高量子效率、器件穩(wěn)定性好、工作溫度范圍寬、可批量生產(chǎn)、成本低等。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)使半導(dǎo)體光電探測(cè)器得到了廣泛應(yīng)用，從可見(jiàn)光波段到紅外波段，從光纖通信到光學(xué)測(cè)距，從激光制導(dǎo)到光電成像，半導(dǎo)體光電探測(cè)器都顯示了其優(yōu)異的性能。和激光器不同，眾多半導(dǎo)體材料都可用來(lái)制造光電探測(cè)

2、器。只要入射光波長(zhǎng)在半導(dǎo)體材料的光譜吸收范圍，即使是硅鍺這樣的間接帶隙材料也可用來(lái)制造光電探測(cè)器。這些材料包括：IV族單晶Si，Ge；IIIV族二元及多元組分化合物GaAs，InP，InSb，GaAlAs，InGaAs，InGaP，InGaAsP等。對(duì)于硅這樣間接帶隙材料其光譜吸收曲線(xiàn)不像GaAs那樣具有陡峭吸收邊，其吸收系數(shù)也相應(yīng)小許多，其波長(zhǎng)吸收極限為1.1m。在小于這一波長(zhǎng)范圍內(nèi)，硅是廣泛使用的光電探測(cè)器材料。由于其電子與空穴離化率之比很高，用它制成的雪崩二極管的噪聲很小，從而使得帶寬增益很大。鍺的光譜吸收范圍最寬，覆蓋了可見(jiàn)光波段到光通信波段。因此鍺可用來(lái)制造長(zhǎng)波長(zhǎng)1.3 m和1.55

3、 m波段光纖通信探測(cè)器。鍺光電探測(cè)器遇到主要問(wèn)題是其暗電流較大，從而導(dǎo)致了靈敏度、光譜響應(yīng)及溫度穩(wěn)定性等一系列問(wèn)題而限制了它的應(yīng)用。現(xiàn)在光通信波段廣泛使用的光電探測(cè)器材料是InGaAs和InGaAsP，這些III-V族組分化合物可以通過(guò)調(diào)整各組分的含量以改變禁帶寬度，從而使其光譜吸收曲線(xiàn)拓展到光通信波段。根據(jù)光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)的不同，光電探測(cè)器可以分為4種：即pn結(jié)光電探測(cè)器、PIN光電探測(cè)器、APD雪崩光電二極管及金屬半導(dǎo)體金屬M(fèi)SM光電探測(cè)器。其中pn結(jié)光電探測(cè)器是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種探測(cè)器，其結(jié)構(gòu)為一個(gè)普通的pn結(jié)，光生載流子在電場(chǎng)作用下漂移到pn結(jié)兩邊。由于普通pn結(jié)耗盡區(qū)太窄，光生載流子含有

4、擴(kuò)散成分，嚴(yán)重影響了器件工作速度。因此人們?cè)趐n結(jié)中間加了一層本征層以增加耗盡層寬度，這樣就使得光生載流子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下漂移到pn結(jié)，避免了載流子擴(kuò)散成分對(duì)光電探測(cè)器的影響，極大地提高了工作速度。APD結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，具有內(nèi)部增益功能，因此其響應(yīng)度和信噪比S/N都比較高。MSM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造工藝和微電子工藝兼容，便于和場(chǎng)效應(yīng)管電子器件集成實(shí)現(xiàn)OEIC光電子集成回路。 PIN型光電探測(cè)器1.PIN基本結(jié)構(gòu) 圖3-9 PIN光電探測(cè)器基本結(jié)構(gòu)如圖3-9（a）所示為PIN光電探測(cè)器基本結(jié)構(gòu)，N型襯底上生長(zhǎng)一層低摻雜本征層，在淀積的SiO2上開(kāi)窗形成P型注入?yún)^(qū)。分別在N型襯底和表面做歐姆接觸，其中表面的歐

5、姆接觸需要開(kāi)窗以便于光線(xiàn)入射。為了減少入射表面的反射以提高器件外量子效率，需要在表面涂一層抗反射膜。在這種結(jié)構(gòu)中P型注入?yún)^(qū)要比本征區(qū)薄得多，這樣就能使大部分入射光在本征區(qū)被吸收，既提高了量子效率又提高了速度。圖3-9（b）為端面入射結(jié)構(gòu)，P型和N型接觸分別做在襯底上下表面而將入射光改為在端面入射。這種結(jié)構(gòu)消除了表面入射結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的P型區(qū)域的吸收，減小了入射光的損耗。此外它將光的入射方向和載流子的運(yùn)動(dòng)方向分開(kāi)，因此我們可以把本征區(qū)做得很長(zhǎng)以便于入射光的吸收從而提高量子效率的同時(shí)不影響載流子的漂移時(shí)間。這樣既提高了響應(yīng)度又提高了工作速度。此外，我們還可以在另一個(gè)端面涂一層反射膜進(jìn)一步促進(jìn)光的反射吸收

6、。通過(guò)優(yōu)化兩個(gè)端面的反射率形成共振諧振腔增強(qiáng)型RCE結(jié)構(gòu)可以有效地提高入射光的吸收。2.異質(zhì)結(jié)PIN圖3-10（a）是一個(gè)典型的異質(zhì)結(jié)PIN13，P型和N型區(qū)域均為InP，本征層In1-xGaxAs生長(zhǎng)在N型InP襯底上。當(dāng)X=0.47時(shí)InGaAs和InP之間晶格匹配，并且窄的禁帶寬度能使光譜響應(yīng)達(dá)到1.65 m。由于InP的禁帶較寬（1.34 eV），根據(jù)式（35）可知它的本征吸收截止波長(zhǎng)為0.92 m。因此對(duì)于波長(zhǎng)大于0.92 m的入射光InP呈透明狀態(tài)，如圖3-10（b）所示。通過(guò)消除表面pInP的吸收增加了入射光在本征區(qū)的吸收，有效地提高了響應(yīng)度。表面吸收的消除還使得在0.92 m和

7、1.65 m范圍內(nèi)波長(zhǎng)響應(yīng)曲線(xiàn)變得平坦。這是因?yàn)槲障禂?shù)隨入射光波長(zhǎng)減小而增大，相應(yīng)的吸收長(zhǎng)度隨入射光波長(zhǎng)減小而減小。在沒(méi)有消除表面吸收的情況下，對(duì)于短波長(zhǎng)的入射光有很大一部分在表面被吸收，對(duì)于表面吸收產(chǎn)生的載流子會(huì)由于表面態(tài)等原因很快被復(fù)合掉。由于這部分載流子未漂移到pn結(jié)就被復(fù)合掉，因此對(duì)光電流沒(méi)有貢獻(xiàn)，這樣就使得短波長(zhǎng)光的響應(yīng)度偏低，造成光譜吸收曲線(xiàn)不平坦。需要注意的是只有當(dāng)本征區(qū)寬度足夠大（比吸收長(zhǎng)度大得多）時(shí)，光譜吸收曲線(xiàn)才會(huì)平坦。當(dāng)本征區(qū)較窄時(shí)，響應(yīng)度還是會(huì)隨波長(zhǎng)的增加而下降，即光譜吸收曲線(xiàn)不再平坦。此外，這種結(jié)構(gòu)由于光吸收發(fā)生在本征耗盡層中，不含有本征區(qū)外的載流子擴(kuò)散，因此極大地

8、提高了速度。圖3-10 InGaAs/lnP異質(zhì)結(jié)PIN APD光電探測(cè)器雖然PIN結(jié)構(gòu)通過(guò)擴(kuò)展空間電荷區(qū)有效地提高了工作速度和量子效率，但是它無(wú)法將光生載流子放大，因此信噪比和靈敏度還不夠理想。為了能探測(cè)到微弱的入射光，我們希望光電探測(cè)器具有內(nèi)部增益，即少量的光生載流子在倍增電場(chǎng)作用下能產(chǎn)生較大的光生電流。雪崩光電二極管就是這樣一種光電探測(cè)器，它是一種具有內(nèi)部增益、能將探測(cè)到的光電流進(jìn)行放大的有源器件。APD的工作原理為雪崩電離效應(yīng)，即在np結(jié)附近有一高電場(chǎng)，光生電子和空穴在該區(qū)中被加速，獲得很高的能量。如果載流子能量足夠大則它將會(huì)去碰撞晶格原子，使束縛的電子電離，從而在導(dǎo)帶和價(jià)帶產(chǎn)生一對(duì)電

9、子空穴對(duì)。因碰撞產(chǎn)生的載流子也會(huì)被加速并繼續(xù)去碰撞其他晶格原子，進(jìn)一步產(chǎn)生電子空穴對(duì)，如圖3-16所示。內(nèi)置前放大電路型APD應(yīng)用：激光測(cè)距，醫(yī)學(xué)檢測(cè)，激光雷達(dá)等 圖3-16 APD雪崩電離示意圖 常用的APD為拉通型APD，如圖3-17所示，它在PIN的吸收區(qū)i層和n層之間插入了一薄層P型層，形成npIp+結(jié)構(gòu)，這一新加入的P型層是一雪崩區(qū)。所謂拉通指的是在較大的外加偏壓下耗盡區(qū)從np結(jié)拉通到p表面，使整個(gè)低摻雜的冗區(qū)都為空間電荷區(qū)。其工作原理如下：首先入射光在寬的耗盡區(qū)被吸收，產(chǎn)生的光生載流子在外電場(chǎng)作用下被分開(kāi)各自朝正、負(fù)兩極運(yùn)動(dòng)。對(duì)于圖3-17所示結(jié)構(gòu)，空穴被外電場(chǎng)掃向p區(qū)，電子則在外

10、電場(chǎng)作用下朝np結(jié)運(yùn)動(dòng)，在np區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)作用下發(fā)生雪崩倍增。圖3-17 拉通型APD這種拉通型APD具有穩(wěn)定的倍增系數(shù)，消除了APD的倍增系數(shù)隨偏壓改變而改變的特性。之所以倍增系數(shù)的大小依賴(lài)于外加偏壓值，是因?yàn)橐韵聝蓚€(gè)原因： （1）電子和空穴兩種載流子同時(shí)倍增引起了正反饋效應(yīng)； （2）載流子離化率隨電場(chǎng)的增大而指數(shù)增加。在圖3-17拉通結(jié)構(gòu)中只有電子參與了雪崩倍增過(guò)程，空穴只在耗盡區(qū)電場(chǎng)作用下向p區(qū)漂移，并不參與雪崩電離。因此消除了兩種載流子倍增引起的正反饋效應(yīng)。此外，拉通型APD具有很寬的耗盡區(qū)，I區(qū)比倍增區(qū)寬得多，外加電壓的變化部分加在了耗盡區(qū)從而保持倍增區(qū)電場(chǎng)的相對(duì)穩(wěn)定。拉通型APD還具有

11、高速、高響應(yīng)度等特點(diǎn)，在PIN中雖然在I區(qū)中載流子能以較大漂移速度運(yùn)動(dòng)，但在離本征區(qū)邊界一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)的載流子仍然需要經(jīng)過(guò)緩慢的擴(kuò)散才能到達(dá)耗盡區(qū)，這一部分載流子的擴(kuò)散時(shí)間就影響了PIN的工作速度。而在APD中所有的光吸收都發(fā)生在寬的耗盡區(qū)中，避免了載流子的擴(kuò)散，既提高了工作速度，又使得入射光被充分吸收，從而提高了響應(yīng)度。 MSM光電探測(cè)器MSM是一種平面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于和場(chǎng)效應(yīng)管單片集成實(shí)現(xiàn)OEIC光電子集成回路。如圖3-21所示。未摻雜的GaAs外延生長(zhǎng)在半絕緣襯底上，接著在GaAs表面淀積金屬形成肖特基二極管結(jié)構(gòu)，相互錯(cuò)開(kāi)的電極各自加正負(fù)電壓使電極間的GaAs耗盡，入射光在這個(gè)耗盡區(qū)

12、被吸收并在電場(chǎng)作用下向正負(fù)電極漂移形成光電流。通過(guò)優(yōu)化金屬電極數(shù)目和間距可以在適當(dāng)?shù)钠珘合率菇饘匐姌O間完全耗盡，從而既提高速度又提高響應(yīng)度。這種結(jié)構(gòu)還具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于制作且成品率高；寄生電容低，工作速度可以達(dá)到很高。圖3-21 MSM光電探測(cè)器3.3.4 GaN光電探測(cè)器GaAs基可見(jiàn)光電探測(cè)器及InGaAs/lnGaAsP基長(zhǎng)波長(zhǎng)光電探測(cè)器不同，GaN基紫外光電探測(cè)器的光響應(yīng)波長(zhǎng)是200360 nm的紫外波段。紫外探測(cè)技術(shù)可用于宇宙飛船、紫外天文學(xué)、導(dǎo)彈尾焰探測(cè)、環(huán)境污染監(jiān)視、火箭羽煙探測(cè)、火災(zāi)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中。目前常用的紫外光電探測(cè)器主要有紫外光電倍增管及Si基紫外光電二極管。光電倍

13、增管是真空器件，能探測(cè)單光子，具有高靈敏度、快響應(yīng)速度、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。但它體積龐大需要在高電壓下工作，易損壞且成本高，不利于推廣使用。Si基紫外光電二極管需要額外昂貴的濾光片，而紫外光電探測(cè)器大多工作在惡劣的條件下需要耐高溫，且其他一些應(yīng)用領(lǐng)域，像空氣質(zhì)量監(jiān)視、氣體敏感元件及紫外光劑量測(cè)量，都要利用寬禁帶光電探測(cè)器來(lái)完成。這樣人們迫切需要一種性能優(yōu)異的寬禁帶材料以應(yīng)用于這些領(lǐng)域。GaN為寬直接帶隙半導(dǎo)體材料（室溫禁帶寬度約3.4eV），其物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，高的熱導(dǎo)率。GaN基三無(wú)合金AlxGa1-xN，隨著Al組分的變化帶隙在3.46.2eV之間連續(xù)變化，帶隙變化對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)

14、范圍為200365nm，覆蓋了大氣臭氧層吸收光譜區(qū)（230280nm），是制作太陽(yáng)盲區(qū)紫外光電探測(cè)器的理想材料之一。因此，世界各國(guó)把GaN紫外探測(cè)技術(shù)列為研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)課題。 圖3-23 采用Si襯底利用AIN做緩沖層的光導(dǎo)型探測(cè)器Khan等人25在1992年報(bào)道了第一支高質(zhì)量GaN材料光電導(dǎo)探測(cè)器，它以藍(lán)寶石為襯底通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積（MOCVD）方法生長(zhǎng)而成。光響應(yīng)波長(zhǎng)為200365 nm，在365nm處最高增益達(dá)6×103。在5 V的偏壓下響應(yīng)度最高可達(dá)2000 A/W。隨后，由于Si材料成熟的工藝技術(shù)且易于集成等優(yōu)點(diǎn)，人們?cè)噲D將GaN材料生長(zhǎng)在Si襯底上以利于和電子器件的

15、集成。Stevens等人26在Si襯底上生長(zhǎng)P型GaN薄膜，但光響應(yīng)度較低，在14V偏壓下最高響應(yīng)度只有30 A/W。由于Si和GaN之間大的晶格失配（17%）和熱失配（20%），若直接在Si襯底上生長(zhǎng)GaN則會(huì)由于晶格失配位錯(cuò)等原因嚴(yán)重影響器件性能。為了解決這一問(wèn) 題，人們使用緩沖層，如圖3-23所示。在Si（111）方向上先用MOCVD方法生長(zhǎng)AIN緩沖層，然后在AIN緩沖層上生長(zhǎng)GaN，最后用真空淀積的方法淀積金屬制作歐姆接觸。此外，還可以在6H-SiC襯底上生長(zhǎng)GaN獲得較高響應(yīng)度的光電導(dǎo)型探測(cè)器。圖3-24 GaN基肖特基結(jié)構(gòu)紫外光電探測(cè)器GaN光電導(dǎo)型探測(cè)器的最大缺點(diǎn)是光電導(dǎo)的持續(xù)

16、性，即光生載流子不會(huì)隨入射光的消失而立刻消失，此效應(yīng)增加了光響應(yīng)時(shí)間降低了探測(cè)器工作速率。相比之下，GaN基肖特基結(jié)構(gòu)紫外光電探測(cè)器有較好的響應(yīng)度和更快的響應(yīng)速度。第一支GaN基肖特基紫外光電探測(cè)器于1993年被提出27，它具有如圖3-24（a）所示的結(jié)構(gòu)：它也是在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)GaN，通過(guò)摻雜Mg實(shí)現(xiàn)P型摻雜，最后再淀積電極形成肖特基勢(shì)壘和歐姆接觸，圖中Ti/Au為肖特基接觸，Cr/Au為歐姆接觸。零偏壓下光響應(yīng)是0.13A/W，響應(yīng)時(shí)間大約為1uS，光譜響應(yīng)也為200365 nm。Chen等人28則改用n-GaN制作了如圖3-24（b）所示的結(jié)構(gòu)，首先在藍(lán)寶石稱(chēng)底上生長(zhǎng)AIN緩沖層，

17、接著生長(zhǎng)載流子濃度為3×1018cm-3的n+-GaN，然后生長(zhǎng)載流子濃度為3×1016cm-3的n-GaN，最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸和肖特基結(jié)。此光電探測(cè)器在5 V反向偏壓下響應(yīng)度為18A/W，響應(yīng)的量子效率超過(guò)65%，在負(fù)載電阻為50時(shí)光響應(yīng)時(shí)間為118 ns。3.4基于硅基雙極工藝的光電探測(cè)器目前，長(zhǎng)距離通信用的光接收器探測(cè)器都是用III-V族化合物材料制作的，其傳輸速率已經(jīng)超過(guò)了40 Gb/s，然而，Ill-V族材料的光接收器和OEIC價(jià)格昂貴，對(duì)于短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，例如局域網(wǎng)、光纖入戶(hù)和板級(jí)光互連等并不適合。隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)于光信息存儲(chǔ)、光數(shù)據(jù)傳輸

18、等應(yīng)用，需要有大量低成本的光電集成電路（OEIC）投入使用。利用普通的硅基集成電路生產(chǎn)技術(shù)，在對(duì)這些工藝幾乎不作改動(dòng)或者是僅僅作微小調(diào)整的基礎(chǔ)上，將光電子器件與電信號(hào)處理電路集成在一起，無(wú)疑是最為理想的光電集成方式。目前硅基集成電路技術(shù)主要可分為雙極bipolar、CMOS及BiCMOS工藝。本節(jié)介紹利用雙極工藝實(shí)現(xiàn)的硅基光電探測(cè)器，下節(jié)介紹CMOS和BiCMOS工藝實(shí)現(xiàn)的硅基光電探測(cè)器。在介紹完標(biāo)準(zhǔn)硅基集成電路工藝實(shí)現(xiàn)的光電探測(cè)器后，我們通過(guò)改變襯底濃度或是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行適當(dāng)改正，以試圖提高這些光電探測(cè)器的性能。1.光電二極管（介紹pn結(jié)型；PIN型兩種）圖3-28中給出了一種基于標(biāo)準(zhǔn)雙極工

19、藝的N+-p型光電二極管36，其中的N+區(qū)是由N+埋層以及插入的N+集電極注入形成，P區(qū)則是直接利用輕摻雜的P型襯底。圖中N+區(qū)與P區(qū)的間距為5 m，N+區(qū)的面積被定義為光電探測(cè)器的面積。圖3-28 雙極工藝N+-P型光電二極管這種結(jié)構(gòu)能夠高效地進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，在外加偏壓為雙極電路工作電壓（4.2 V）時(shí)的量子效率=30%。但是由于受前面敘述的耗盡區(qū)外光生載流子緩慢擴(kuò)散的影響，其響應(yīng)速度較慢。該探測(cè)器與一跨阻抗為1.8 k的雙極型前置放大器單片集成，當(dāng)探測(cè)器面積為100×100m2，入射光波長(zhǎng)850 nm時(shí)，可以測(cè)得開(kāi)眼圖比特率達(dá)到150 Mb/s。當(dāng)N區(qū)的面積減小到10×1

20、0m2時(shí)，該光電二極管的瞬態(tài)特性將得到顯著改善，入射光波長(zhǎng)820nm時(shí)，上升時(shí)間和下降時(shí)間分別為40 ps和400 ps。這種指標(biāo)的探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)850 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸能力。在不對(duì)工藝做任何修改的情況下，N埋層集電極可以被用做光電二極管的陰極，N型外延集電區(qū)可用做PIN光電二極管中的I層，而基極注入?yún)^(qū)則可以被用做陽(yáng)極，如圖3-29所示。這樣就使得在標(biāo)準(zhǔn)的雙極工藝中能夠集成帶有薄本征層的光電二極管3738。圖3-29 基極集電極形成的PIN光電二極管高速雙極工藝中N型外延層厚度大約在1 m左右，這樣小的厚度會(huì)使得探測(cè)器在黃色到紅外光譜范圍（5801100 nm）內(nèi)量子效率較低。而光脈沖信號(hào)引

21、起的光生電流的上升時(shí)間和下降時(shí)間同樣會(huì)由于薄外延層的原因變得非常短，從而有利于改善響應(yīng)速度。這種光電二極管的數(shù)據(jù)傳輸能力可達(dá)到10 Gb/s，但是其在肛850 nm下的響應(yīng)度僅有R48 mA/W37。780850 nm波長(zhǎng)范圍在最長(zhǎng)幾千米的短程光數(shù)據(jù)傳輸中被廣泛應(yīng)用，在此波長(zhǎng)范圍下較低的響應(yīng)度是標(biāo)準(zhǔn)雙極工藝0EIC的主要缺陷。另有一種類(lèi)似結(jié)構(gòu)采用0.8 m硅雙極工藝制作的光電集成電路在入射光850 nm時(shí)，速率達(dá)到5 Gb/s，但響應(yīng)度只有R45 mA/W38。總的來(lái)說(shuō)，這些單片集成的硅0EIC可以達(dá)到的工作速率已經(jīng)超過(guò)了采用族化合物光電探測(cè)器與硅基放大電路混合集成的方式，這充分顯示了光電探測(cè)

22、器單片集成的優(yōu)越性。2.光電晶體管基區(qū)集電區(qū)pn結(jié)面積被擴(kuò)大了的NPN晶體管顯然可以被用做光電晶體管，結(jié)構(gòu)如圖3-30所示40。圖3-30 一種基于SBC工藝的光電晶體管簡(jiǎn)單地說(shuō)，雙極工藝制作的光電晶體管利用基區(qū)集電區(qū)pn結(jié)作為一個(gè)光吸收的耗盡層，并且將其光生電流放大。在標(biāo)準(zhǔn)埋層集電極（SBC）雙極工藝中光電二極管的P區(qū)和NPN晶體管的P型基區(qū)是同一個(gè)P型區(qū)，而光電二極管的陰極和NPN晶體管的集電極都是由同一個(gè)N注入?yún)^(qū)構(gòu)成，基極接觸可以被省略。在基區(qū)集電區(qū)pn結(jié)空間電荷區(qū)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)被加在結(jié)上的電場(chǎng)分開(kāi)。在空間電荷區(qū)電場(chǎng)的作用下，空穴向基區(qū)漂移，而電子向集電區(qū)漂移。在基區(qū)積累的空穴使得基區(qū)

23、處于高電勢(shì)，基極發(fā)射極勢(shì)壘降低，發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子，并且在電場(chǎng)作用下，向集電極漂移。這個(gè)過(guò)程與晶體管的電流放大機(jī)理相似。因此，光電二極管所產(chǎn)生的光生電流Ipd被NPN型晶體管放大了倍（為晶體管的電流增益）。3.紫外（UV）光探測(cè)器硅基光電二極管在紫外光譜范圍內(nèi)一般來(lái)說(shuō)量子效率偏低，然而，從成本、速度及信噪比等角度考慮，迫切需要將探測(cè)器和電子電路在硅基工藝下單片集成。目前已采用雙極工藝實(shí)現(xiàn)了如圖3-31所示結(jié)構(gòu)的集成UV傳感器41。淺P+和N注入?yún)^(qū)形成的耗盡區(qū)非常接近芯片表面，注入光子在這個(gè)區(qū)域里被吸收并產(chǎn)生光生載流子。這種P+-N型UV敏感光電二極管制作在NPN晶體管的島型基區(qū)內(nèi)，該區(qū)由AIR電極接出。由基區(qū)和附加的N區(qū)形成的二極管是用來(lái)削減透射更深的綠色、紅色及紅外等成分的光對(duì)光生電流的影響。陽(yáng)極電流被用做紫外光產(chǎn)生的信號(hào)電流，而長(zhǎng)波長(zhǎng)光產(chǎn)生的流向陰極和AIR極的光生電流并不會(huì)對(duì)整個(gè)傳感系統(tǒng)造成影響。圖3-31