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在分析光电二极管工作原理,特别是PIN光电二极管和SOI基横向PIN光电二极管(Lateral PIN Photodiode,LPIN PD)结构与工作原理的基础上,结合双极器件、MOS器件与SOI薄膜器件的优点,本文提出了一种透明电极压控横向PIN光电二极管(Lateral PIN Photodiode Gated by Transparent Electrode, LPIN PD-GTE)。采用第一性原理计算方法对透明电极进行研究,通过求解基本半导体物理方程,建立该器件的物理模型,解析模型和等效电路模型,对该器件的各特性进行分析,并与实验结果进行对比研究。在LPIN PD-GTE中,栅极对入射光的吸收是入射光的主要损耗。因此,设计一种高透射率的透明电极作为栅极是LPIN PD-GTE获得良好光电特性和高量子效率的关键。本文首先采用第一性原理计算方法对纯ZnS及镧(La)掺杂ZnS的电学特性和光学特性进行了研究。采用2×1×1与3×2×1两种ZnS超胞模型,以实现不同摩尔比的La掺杂,应用Material Studio4.0中的CASTEP软件包进行计算。计算结果显示：La掺杂使得ZnS的禁带宽度变窄,并发生了Mott转变,系统从半导体转变为金属；随着La掺杂浓度的增大,ZnS的吸收系数减小,并出现了吸收边的红移。接着,在导电玻璃衬底上制备纯ZnS和La掺杂ZnS薄膜,并进行测试,结果显示：随着La掺杂浓度的增加,ZnS薄膜的吸收率减小,并且吸收光谱出现了红移,与计算结果相吻合；在光波长大于360nm时,ZnS薄膜的透射率大于80%,并且随着La掺杂浓度的增大,透射率增大。因此,La掺杂ZnS薄膜可以用作为λ=400nm时LPIN PD-GTE的栅电极。在LPIN PD-GTE中,栅极电压VGK起着非常重要的作用。本文通过求解基本的半导体物理方程,建立部分耗尽SOI器件和全耗尽SOI器件的栅极电压VGK模型,并采用ATLAS软件对模型进行验证。为获得小的暗电流和好的频率特性,通过对比,本文重点研究基于全耗尽SOI的LPIN PD-GTE.采用ATLAS对全耗尽SOI LPIN PD-GTE的光电特性进行研究,并与LPIN PD的光电特性进行比较。栅极电压VGK在0V-0.5V范围内,随着栅极电压的增大,LPIN PD-GTE的光电流增大；并且随着沟道长度L的增加,光电流增大的幅度越大。在L=2μm时,LPINPD-GTE的光电流相对于LPIN PD变化不大；随着沟道长度的增加,栅极电压VGK的作用越显著,相对于LPIN PD而言,LPIN PD-GTE光电流增加的幅度也越大。在栅极电压VGK的作用下,与LPIN PD不同,随着沟道长度的增加,LPIN PD-GTE的暗电流增大；在同样的工艺参数条件下,相对于LPIN PD而言,LPIN PD-GTE的暗电流增大,但其光-暗电流之比仍然大于106。由于栅极电压VGK的作用,LPINPD-GTE的响应度比LPIN PD的大的多。另外,对于不同的栅极电压VGK,LPINPD-GTE的FWHM值(Full-Widths at Half-Maximum)范围都是290nm-490nm,峰值出现在λ=400nm左右。通过求解拉普拉斯方程,建立LPIN PD-GTE的内量子效率(Internal Quantumn Efficiency,QI)和量子效率(Quantumn Efficiency,QE)的解析模型。采用SILVACO软件中的ATLAS对LPIN PD-GTE的量子效率进行研究。在VGK=0V时,随着沟道长度的增大,内量子效率减小。当VGK>0V时,内量子效率随着VGK的增大而增大,并且沟道长度越大,增加的幅度也越大。但当VGK>0.5V时,由于沟道表面出现了弱反型,QI不再增大。在VGK=0.5V时,ATLAS的模拟结果和1-D模型的计算结果吻合较好。在LPIN PD-GTE中,QE和QI随VGK的变化趋势是一样。在λ=400nm时,采用透射率大于80%的透明薄膜作为LPIN PD-GTE的栅极。相同工艺参数条件下,由于LPIN PD-GTE中栅极电压VGK的作用,LPIN PD-GTE的量子效率比LPIN PD的量子效率大,并且随着沟道长度的增加,增加的幅度越大,在L=50μm时,增大的幅度几乎达到了50%。LPIN PD-GTE的频率特性是沟道载流子的渡越时间和RC常数的折衷。本文采用传输线方程建立LPIN PD-GTE的小信号等效电路模型,相对于传统MOSFET而言,LPIN PD-GTE具有更小的A极输出电容。随着VGK的增大,LPIN PD-GTE的截止频率fT增大。随着沟道长度L的增大,LPIN PD-GTE的截止频率fT降低。相对于LPIN PD而言,LPIN PD-GTE的A极电容由栅极电容控制,因此LPIN PD-GTE的A极输出电容比LPIN PD大。尽管如此,LPIN PD-GTE的输出电容的绝对值仍然很小,其频率特性主要由载流子的渡越时间决定。栅极电压VGK的作用,使得在相同沟道长度下,相对于LPIN PD,LPIN PD-GTE具有较小的渡越时间,因此LPIN PD-GTE具有大的截止频率和最高频率。在L=10μm,VGK=0.5V时,LPIN PD-GTE的截止频率和最高频率分别为30MHz和50GHz,而LPIN PD分别只有3MHz和1GHz。另外,随着沟道长度L的增大,RC常数对频率特性的贡献越来越大,此时,LPIN PD-GTE相对于LPIN PD的频率增幅越来越小。在L=4μm,VGK=0.5V时,LPIN PD-GTE的带宽达到250MHz,满足蓝光DVD系统的应用要求。由此可见,采用透明薄膜作为栅极,在栅极电压VGK的作用下,LPIN PD-GTE可以获得大的光电流,高的量子效率和好的频率特性。可以应用于对灵敏度、频率特性要求较高的光电存储或通信系统中,比如蓝光DVD系统。但是,从上面分析可知,量子效率和频率特性随沟道长度的变化趋势不同,在具体应用中,需在量子效率和频率特性两者之间折衷。