UTC-PD 基础知识：单向载流子光电探测器（视频版）

本期视频 2 分 40 秒，讲清单向载流子光电探测器（UTC-PD）：传统 PIN 为什么会遇到带宽瓶颈、UTC-PD 怎么绕开它、以及波导型结构如何提升吸收效率。

传统 PIN 探测器

传统 Si-PIN 光电二极管在 P 型和 N 型半导体之间加了一层 I 层（本征层），通常用作吸收层。

I 层吸收光子后产生电子-空穴对。在反向偏置电场下，电子向 N 侧漂移，空穴向 P 侧漂移，两种载流子一起形成光生电流。

吸收层不一定用硅：磷化铟体系的铟镓砷 PIN 用 InGaAs 做吸收层；硅基集成的 Ge-PIN 探测器则用 Ge 薄膜做吸收层。

带宽瓶颈：慢空穴

传统 PIN 里，电子和空穴都会贡献光生电流，它们在耗尽层中向两侧运动的速度，决定了光响应速度，也就是带宽。由于电子漂移速度比空穴快很多，载流子渡越时间的限制主要来自空穴。

让空穴漂移更快的办法之一，是用轻 N 型背景掺杂：耗尽区内的电场不再平直均匀，而是从 N 侧向 P 侧逐渐增强，空穴往 P⁺ 漂移时经过更强的电场，漂移速度也就更快。

UTC-PD：只让电子参与光生电流

空穴始终是带宽的主要限制，而且无法完全消除。更彻底的做法是：只收集电子，让电子作为主要载流子，空穴不参与导电。

在外加电压下，电子收集层产生强电场，光生电子从吸收层向收集层运动，光生电流基本完全由电子产生。漂移阻挡层阻挡空穴进入漂移区，电子则进入漂移层，最终被收集层收集。

这种只有电子参与光生电流的探测器，就是单向载流子光电探测器（Uni-Traveling-Carrier Photodiode，简称 UTC-PD）。和传统 PIN 不同，UTC-PD 把吸收区和漂移收集区分开：吸收区是 p⁺-InGaAs，漂移收集区是 n-InP。

空穴不需要经过长漂移路径，慢空穴对带宽的限制被消除，因此可以实现很高的带宽。

波导型 UTC-PD

缩短载流子渡越路径虽然能提升带宽，但也会降低光吸收。解决办法是让光以边缘耦合方式进入探测器，即波导型 UTC-PD：光入射到斜面发生折射，以一定角度斜入射到吸收层中，相比直接背入射增大了光吸收面积。

视频由本站出品，口播：李东霏。想看某一节的细节，直接拖进度条。