第十三讲 光电二极管
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通常APD响应速度特别快，响应时间(上升时间)为0.5～2ns。
2
五 、雪崩光电二极管（APD）
5、典型应用 光的波粒二象性的实验
1
本讲小结
1、光电二极管的基本结构、工作原理、特性参量
2、PIN光电二极管的工作原理、基本结构、基本性质 3、雪崩光电二极管（APD)的基本结构、工作原理、性能参数等
10
五 、雪崩光电二极管（APD）
2、基本结构 (a) 在P型硅基片上扩散杂质浓度大的N+层，制成P型N结构； (b) 在N型硅基片上扩散杂质浓度大的P+层，制成N型P结构； (c) PIN型雪崩光电二极管
9
五 、雪崩光电二极管（APD）
3、工作原理
输出端受光照时，P+层受光子能量激发跃迁 至导带的载流子，在内部加速电场作用下，高速 通过P层，使P层发生碰撞电离而产生电子一空穴 对。而它们又从强电场中获得足够的能量，再次
fc
11
五 、雪崩光电二极管（APD）
1、基本概念 在硅（或锗）光电二极管PN结上加反向偏压后，射入光被PN结吸收形 成光电流。当加大反向偏压时会产生“雪崩”（即光电流成倍地激增）的 现象-称为“雪崩光电二极管”。
具有三高（响应度、信噪比、响应速度）等特点，
广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测 距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。
34
一、基本结构
2、结构类型 2CU系列光电二极管只有两个引出线； 2DU系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，还设 了一个环极（其目的：减少暗电流和噪声）
33
二、工作原理
1、感应电子层 受光面一般都涂有SiO2防反射膜（少量的钠、钾、氢等正离子）。 使P-Si表面产生一个感应电子层，从而使P-Si表面与N－Si连通起来。 当加反偏压时，从前极流出的暗电子流，有通过表面感应电子层产生的
这一转变过程是光信号变成电信号，也是一个
吸收过程。 硅光电二极管是最简单、使用最广泛、最具有代表性的光伏效应的光半 导体器件。
35
一、基本结构
2、结构类型 2DU型--以P型硅为衬底的光电二极管 2CU型--以N型硅为衬底的光电二极管
a) 2DU型光电二极管结构
b) 光电二极管符号
c) 光电特性测量电路
三、特性参量
5 时间特性(频率响应) (2)耗尽层外生成的载流子的扩散时间t2 入射光从受光部分开始到比外部边缘和耗尽层更深的基板处被吸收 。这种载流子即使扩散的话，时间也有几微秒(μs)以上。 (3)载流子通过耗尽层时间t3 载流子在耗尽层中移动速度Vd是用载流子的移动速度(μ)和耗尽层中的 电场(E)决定的（Vd=μE），因平均电场E=VR/d，则t3可近似表示： t3=d / Vd=d 2/ (μVR)
《光电子技术》
Photoelectronic Technique
光电二极管 周自刚
本讲主要内容 一、基本结构
二、工作原理
三、特性参量 四、PIN管 五、APD管
36
一、基本结构
1、基本概念 当光照PN结，并在半导体加有反向电压时， 产生的反向电流将随光照强度和光波长的改变而 改变，这种半导体器件叫光电二极管。
20
三、特性参量
5、时间特性(频率响应) 响应速度-时间特性常用上升时间或截止频率来表示。 上升时间：输出信号的波形前沿幅度的10%与90%的两点时间间隔，用tr
表示。
(1)极间电容Ct和负载电阻RL的时间常数t1 t1=2.2×Ct×RL
Ct：封装电容和光电二极管结电容Cj之和，RL：负载电阻
19
2、基本特性 (4)响应特性
响应特性通常用上升时间或截止频率来表示，上升时间是指输出信号 峰值从10%到90%的建立时间： tr=2.2Ct(RL+RS)
Ct：封装电容和结电容Cj之之和；RL：负载电阻；RS：串联阻抗 通常RL>> RS，RS可以忽略不计。为了减小上升时间，则Ct、RL值要求 很小是非常必要的。 上升时间和截止频率的关系： t r 0.3 5
4
五 、雪崩光电二极管（APD）
4、性能参数 （3） 噪声特性
雪崩效应是大量载流子电离过程的累加，本身就是一个随机过程，因 此雪崩光电二极管的噪声应该包括散粒噪声、由雪崩过程中引入的附加噪 声和负载电阻RL的热噪声。
in 2eIM K f
2
4kTf 4kTf 2eI d I P M k f RL RL
晶格原子碰撞，又产生出新的电子一空穴对。这
种过程不断重复，使PN结内电流急剧倍增放大 (雪崩)，形成强大的光电流。
8
五 、雪崩光电二极管（APD）
3、工作原理
7
五 、雪崩光电二极管（APD）
4、性能参数 （1） 增益(放大倍数)
电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数，这时雪崩 光电二极管的输出电流迅速增加，其电流倍增系数M定义为
27
二、工作原理
4、电流方程 光辐射时，光电二极管的全电流方程为：
I
e
hc
1 e
d
e ,
I D 1 e eU / kT
η：光电材料的光电转换效率，
α ：材料对光的吸收系数。
26
三、特性参量
光电二极管的工作区域： 第3象限与第4象限
25
三、特性参量
1、光电特性（光电灵敏度） 定义为输出电流与入射到光敏面上辐射通量之比 。
I M I0
I为倍增输出的电流，I0为倍增前输出的电流。
6
五 、雪崩光电二极管（APD）
4、性能参数 （1） 增益(放大倍数)
增益与温度、反向偏压的 关系曲线
增益M与PN结的反向偏压、材料及结构有关
M 1 U 1 U BR
n
UBR：击穿电压；U：管子外加反向偏压；n：材
漏电子流，从而使从前极流出的暗电子流增大。
32
二、工作原理
1、感应电子层 2CU管子，因为是以N-Si为衬底，虽然受光面的SiO2防反射膜中也含有 少量的正离子，而它的静电感应不会使N-Si表面产生一个和P-Si导电类型 相同的导电层，从而也就不可能出现表面漏电流，所以不需要加环极。
31
二、工作原理
不足：I层较厚，电阻大，输出电流较小。
16
四、 PIN光电二极管
1、原理与结构
15
四、 PIN光电二极管
2、基本特性 (1)结电容 与激发面积和反向偏压有关。
反向偏压VR(V)
14
四、 PIN光电二极管
2、基本特性 (2)电流-电压特性(伏安特性)
E0无光照条件下，E1有光照射下，E2是增加光强的曲线
18
四、 PIN光电二极管
1、原理与结构
为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，消除在PN结外光生载流子 的扩散运动时间，常采用在P区与N区之间生成没有杂质的本征层(I型层)。
Байду номын сангаас
17
四、 PIN光电二极管
1、原理与结构 结构图 外形图
光吸收区 雪崩区
电场分布
特点：(1) 时间响应快(2) 光谱响应向长波方向移动 (3) 输出线性范围宽。
Ip：光电流，V：理想二极管，Cf：结电容，Rsh： 漏电阻，Rs：体电阻，RL：负载电阻
28
二、工作原理
4、电流方程 无辐射时，电流方程为
eU I I D e kT 1
ID为U为负值（反向偏置时）且 U >> kT 时(室温下kT/e≈0.26mV，很容易满足这
e
个条件)的电流，称为反向电流或暗电流。
温度 (℃）
在环境温度变化较大的情况下，为了使电路能稳定工作，必须把暗电流 对输出特性的影响减到最小。
21
三、特性参量
4、光谱响应 以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光电二极管时，其响应程 度或电流灵敏度与波长的关系称为光电二极管的光谱响应。
典型硅光电二极管光谱响应长波限
为1.1μm左右，短波限接近0.4μm，峰值 响应波长为0.9μm左右。
13
四、 PIN光电二极管
2、基本特性 (3)线性
下限由噪声决定，上限由感光面电极的结构决定。 为了使上限延伸，可通过增加反向偏压来实现。
InGaAS PIN光电二极管不同激活面积的线性曲线 GaAs PIN光电二极管的线性
入射光辐射通量(mw) 入射光辐射通量(mw)
12
四、 PIN光电二极管
第一项：散粒噪声和雪崩过程中的附加噪声之和；Id：暗电流；k：与器件 材料有关的系数。
3
五 、雪崩光电二极管（APD）
4、性能参数 （4） 响应速度
响应速度的主要因素是CR（C主要是器件的结电容）和耗尽层内载流 子的运动时间。
为了能达到高速响应，必须减小极间电容，而且减小受光面积，加宽 耗尽层厚度也是有必要的。
料、掺杂和结构有关常数，硅器件，n＝1.5～4，
锗器件n＝2.5 ～ 8 当U→UBR时，M→∞，PN结将发生击穿。
反向偏压 (V)
5
五 、雪崩光电二极管（APD）
4、性能参数 （2） 光谱响应特性
光谱灵敏度特性在没有加偏压时和普通光电二极管特性相同。当加 偏压时，光谱灵敏度特性的波形会发生变化。
Si dI q 1 e ad d hc
与材料对光的吸收系数a、入射光辐射波长λ 等有关系。通常将其峰值波长的电流灵敏度作 照度(lx)
为光电二极管的电流灵敏度。
24
三、特性参量
2、伏安特性
在无光照的条件下，给硅光电二极管加电压， 电流-电压（伏-安）特性，如图中曲线G1。受到 光的照射事曲线G1会向曲线G2的方向移动，光再 变强向曲线G3平行移动。
，加反向电压，Rsh很大，Rs很小
，V、Rsh、Rs都可以不计；
Ip：光电流，V：理想二极管，Cf：结电容，Rsh： 漏电阻，Rs：体电阻，RL：负载电阻
29
二、工作原理
3、微变等效电路 图d是图c的简化，因为Cf很小 ，除了高频情况要考虑它的分流作 用外，在低频情况下，它的阻抗很 大，可不计。
一般采用图d和图c两种形式。
23
三、特性参量
2、伏安特性 在低反向偏压下光电流随反向偏 压的变化较为明显；当进一步增加 反向偏压时，光电流趋于饱和。这 时光电流仅决定入射光的功率，而 几乎与反向偏压无关。
22
三、特性参量
3、暗电流 在无光照射时的暗电流就是二极管的反向 饱和光电流I0，暗电流对温度变化非常敏感。 暗电流与所加偏压有关。
2、等效电路 一种是不加外电压，直接与负载相接；另一种是加反向电压 不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二极管一样，只有单 向导电性，而表现不出它的光电效应。
为什么一般 加反偏压？
a) 不加外电源 b) 加反向外电源 c) 2DU环极接法
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二、工作原理
3、微变等效电路 图a为实际电路； 图b为考虑结构、功能后的微 变等效电路； 图c是图b的简化。正常运用时
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五 、雪崩光电二极管（APD）
5、典型应用 光的波粒二象性的实验
1
本讲小结
1、光电二极管的基本结构、工作原理、特性参量
2、PIN光电二极管的工作原理、基本结构、基本性质 3、雪崩光电二极管（APD)的基本结构、工作原理、性能参数等
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五 、雪崩光电二极管（APD）
2、基本结构 (a) 在P型硅基片上扩散杂质浓度大的N+层，制成P型N结构； (b) 在N型硅基片上扩散杂质浓度大的P+层，制成N型P结构； (c) PIN型雪崩光电二极管
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五 、雪崩光电二极管（APD）
3、工作原理
输出端受光照时，P+层受光子能量激发跃迁 至导带的载流子，在内部加速电场作用下，高速 通过P层，使P层发生碰撞电离而产生电子一空穴 对。而它们又从强电场中获得足够的能量，再次
fc
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五 、雪崩光电二极管（APD）
1、基本概念 在硅（或锗）光电二极管PN结上加反向偏压后，射入光被PN结吸收形 成光电流。当加大反向偏压时会产生“雪崩”（即光电流成倍地激增）的 现象-称为“雪崩光电二极管”。
具有三高（响应度、信噪比、响应速度）等特点，
广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测 距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。
34
一、基本结构
2、结构类型 2CU系列光电二极管只有两个引出线； 2DU系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，还设 了一个环极（其目的：减少暗电流和噪声）
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二、工作原理
1、感应电子层 受光面一般都涂有SiO2防反射膜（少量的钠、钾、氢等正离子）。 使P-Si表面产生一个感应电子层，从而使P-Si表面与N－Si连通起来。 当加反偏压时，从前极流出的暗电子流，有通过表面感应电子层产生的
这一转变过程是光信号变成电信号，也是一个
吸收过程。 硅光电二极管是最简单、使用最广泛、最具有代表性的光伏效应的光半 导体器件。
35
一、基本结构
2、结构类型 2DU型--以P型硅为衬底的光电二极管 2CU型--以N型硅为衬底的光电二极管
a) 2DU型光电二极管结构
b) 光电二极管符号
c) 光电特性测量电路
三、特性参量
5 时间特性(频率响应) (2)耗尽层外生成的载流子的扩散时间t2 入射光从受光部分开始到比外部边缘和耗尽层更深的基板处被吸收 。这种载流子即使扩散的话，时间也有几微秒(μs)以上。 (3)载流子通过耗尽层时间t3 载流子在耗尽层中移动速度Vd是用载流子的移动速度(μ)和耗尽层中的 电场(E)决定的（Vd=μE），因平均电场E=VR/d，则t3可近似表示： t3=d / Vd=d 2/ (μVR)
《光电子技术》
Photoelectronic Technique
光电二极管 周自刚
本讲主要内容 一、基本结构
二、工作原理
三、特性参量 四、PIN管 五、APD管
36
一、基本结构
1、基本概念 当光照PN结，并在半导体加有反向电压时， 产生的反向电流将随光照强度和光波长的改变而 改变，这种半导体器件叫光电二极管。
20
三、特性参量
5、时间特性(频率响应) 响应速度-时间特性常用上升时间或截止频率来表示。 上升时间：输出信号的波形前沿幅度的10%与90%的两点时间间隔，用tr
表示。
(1)极间电容Ct和负载电阻RL的时间常数t1 t1=2.2×Ct×RL
Ct：封装电容和光电二极管结电容Cj之和，RL：负载电阻
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2、基本特性 (4)响应特性
响应特性通常用上升时间或截止频率来表示，上升时间是指输出信号 峰值从10%到90%的建立时间： tr=2.2Ct(RL+RS)
Ct：封装电容和结电容Cj之之和；RL：负载电阻；RS：串联阻抗 通常RL>> RS，RS可以忽略不计。为了减小上升时间，则Ct、RL值要求 很小是非常必要的。 上升时间和截止频率的关系： t r 0.3 5
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五 、雪崩光电二极管（APD）
4、性能参数 （3） 噪声特性
雪崩效应是大量载流子电离过程的累加，本身就是一个随机过程，因 此雪崩光电二极管的噪声应该包括散粒噪声、由雪崩过程中引入的附加噪 声和负载电阻RL的热噪声。
in 2eIM K f
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4kTf 4kTf 2eI d I P M k f RL RL
晶格原子碰撞，又产生出新的电子一空穴对。这
种过程不断重复，使PN结内电流急剧倍增放大 (雪崩)，形成强大的光电流。
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五 、雪崩光电二极管（APD）
3、工作原理
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五 、雪崩光电二极管（APD）
4、性能参数 （1） 增益(放大倍数)
电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数，这时雪崩 光电二极管的输出电流迅速增加，其电流倍增系数M定义为
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二、工作原理
4、电流方程 光辐射时，光电二极管的全电流方程为：
I
e
hc
1 e
d
e ,
I D 1 e eU / kT
η：光电材料的光电转换效率，
α ：材料对光的吸收系数。
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三、特性参量
光电二极管的工作区域： 第3象限与第4象限
25
三、特性参量
1、光电特性（光电灵敏度） 定义为输出电流与入射到光敏面上辐射通量之比 。
I M I0
I为倍增输出的电流，I0为倍增前输出的电流。
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五 、雪崩光电二极管（APD）
4、性能参数 （1） 增益(放大倍数)
增益与温度、反向偏压的 关系曲线
增益M与PN结的反向偏压、材料及结构有关
M 1 U 1 U BR
n
UBR：击穿电压；U：管子外加反向偏压；n：材
漏电子流，从而使从前极流出的暗电子流增大。
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二、工作原理
1、感应电子层 2CU管子，因为是以N-Si为衬底，虽然受光面的SiO2防反射膜中也含有 少量的正离子，而它的静电感应不会使N-Si表面产生一个和P-Si导电类型 相同的导电层，从而也就不可能出现表面漏电流，所以不需要加环极。
31
二、工作原理
不足：I层较厚，电阻大，输出电流较小。
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四、 PIN光电二极管
1、原理与结构
15
四、 PIN光电二极管
2、基本特性 (1)结电容 与激发面积和反向偏压有关。
反向偏压VR(V)
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四、 PIN光电二极管
2、基本特性 (2)电流-电压特性(伏安特性)
E0无光照条件下，E1有光照射下，E2是增加光强的曲线
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四、 PIN光电二极管
1、原理与结构
为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，消除在PN结外光生载流子 的扩散运动时间，常采用在P区与N区之间生成没有杂质的本征层(I型层)。
Байду номын сангаас
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四、 PIN光电二极管
1、原理与结构 结构图 外形图
光吸收区 雪崩区
电场分布
特点：(1) 时间响应快(2) 光谱响应向长波方向移动 (3) 输出线性范围宽。
Ip：光电流，V：理想二极管，Cf：结电容，Rsh： 漏电阻，Rs：体电阻，RL：负载电阻
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二、工作原理
4、电流方程 无辐射时，电流方程为
eU I I D e kT 1
ID为U为负值（反向偏置时）且 U >> kT 时(室温下kT/e≈0.26mV，很容易满足这
e
个条件)的电流，称为反向电流或暗电流。
温度 (℃）
在环境温度变化较大的情况下，为了使电路能稳定工作，必须把暗电流 对输出特性的影响减到最小。
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三、特性参量
4、光谱响应 以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光电二极管时，其响应程 度或电流灵敏度与波长的关系称为光电二极管的光谱响应。
典型硅光电二极管光谱响应长波限
为1.1μm左右，短波限接近0.4μm，峰值 响应波长为0.9μm左右。
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四、 PIN光电二极管
2、基本特性 (3)线性
下限由噪声决定，上限由感光面电极的结构决定。 为了使上限延伸，可通过增加反向偏压来实现。
InGaAS PIN光电二极管不同激活面积的线性曲线 GaAs PIN光电二极管的线性
入射光辐射通量(mw) 入射光辐射通量(mw)
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四、 PIN光电二极管
第一项：散粒噪声和雪崩过程中的附加噪声之和；Id：暗电流；k：与器件 材料有关的系数。
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五 、雪崩光电二极管（APD）
4、性能参数 （4） 响应速度
响应速度的主要因素是CR（C主要是器件的结电容）和耗尽层内载流 子的运动时间。
为了能达到高速响应，必须减小极间电容，而且减小受光面积，加宽 耗尽层厚度也是有必要的。
料、掺杂和结构有关常数，硅器件，n＝1.5～4，
锗器件n＝2.5 ～ 8 当U→UBR时，M→∞，PN结将发生击穿。
反向偏压 (V)
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五 、雪崩光电二极管（APD）
4、性能参数 （2） 光谱响应特性
光谱灵敏度特性在没有加偏压时和普通光电二极管特性相同。当加 偏压时，光谱灵敏度特性的波形会发生变化。
Si dI q 1 e ad d hc
与材料对光的吸收系数a、入射光辐射波长λ 等有关系。通常将其峰值波长的电流灵敏度作 照度(lx)
为光电二极管的电流灵敏度。
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三、特性参量
2、伏安特性
在无光照的条件下，给硅光电二极管加电压， 电流-电压（伏-安）特性，如图中曲线G1。受到 光的照射事曲线G1会向曲线G2的方向移动，光再 变强向曲线G3平行移动。
，加反向电压，Rsh很大，Rs很小
，V、Rsh、Rs都可以不计；
Ip：光电流，V：理想二极管，Cf：结电容，Rsh： 漏电阻，Rs：体电阻，RL：负载电阻
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二、工作原理
3、微变等效电路 图d是图c的简化，因为Cf很小 ，除了高频情况要考虑它的分流作 用外，在低频情况下，它的阻抗很 大，可不计。
一般采用图d和图c两种形式。
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三、特性参量
2、伏安特性 在低反向偏压下光电流随反向偏 压的变化较为明显；当进一步增加 反向偏压时，光电流趋于饱和。这 时光电流仅决定入射光的功率，而 几乎与反向偏压无关。
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三、特性参量
3、暗电流 在无光照射时的暗电流就是二极管的反向 饱和光电流I0，暗电流对温度变化非常敏感。 暗电流与所加偏压有关。
2、等效电路 一种是不加外电压，直接与负载相接；另一种是加反向电压 不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二极管一样，只有单 向导电性，而表现不出它的光电效应。
为什么一般 加反偏压？
a) 不加外电源 b) 加反向外电源 c) 2DU环极接法
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二、工作原理
3、微变等效电路 图a为实际电路； 图b为考虑结构、功能后的微 变等效电路； 图c是图b的简化。正常运用时