第十三讲光电二极管
第十三讲 光电二极管资料
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)
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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)。
四、 PIN光电二极管
1、原理与结构 结构图
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外形图
雪崩区
光吸收区
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。
(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：
4、性能参数
（1） 增益(放大倍数)
增益M与PN结的反向偏压、材料及结构有关
M
1
n
1
U U BR
UBR：击穿电压；U：管子外加反向偏压；n：材
料、掺杂和结构有关常数，硅器件，n＝1.5～4，
《光电二极管》PPT课件
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2.时间特性
由于耗尽层宽度小，度越时间小但量子效率将变 低，决定了频率特性（带宽）与响应度之间的矛 盾关系。
耗尽层宽度的选取，在保证响应度的情况下，Si 和Ge材料，一般为20-50μm，渡越时间大于200ps； InGaAs材料，一般为3-5μm，渡越时间30-50ps。
npn称3DU型光电三极管
pnp称3CU型光电三极管
37
（npn）型
•结构：以n型硅片作为衬底，扩散硼而形成p型，再扩散 磷而形成重掺杂n＋层，并涂sio２作为保护层。在重掺杂 n+引出一个电极称为集电极，由中间的p型层引出一个基 极b，也可以不引出，而在n型硅片的衬底上引出发射极e。
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3DU型光电三极管是以p型硅为基极的三极管。结构和普通晶体管类似，只是在材 料的掺杂情况、结面积的大小和基极引线的设置上和普通晶体管不同。因为光电 三极管要响应光辐射，受光面即集电结(bc结)面积比一般晶体管大。另外，它是 利用光控制集电极电流的，所以在基极上既可设置引线进行电控制，也可以不设， 完全由光来控制。
2.雪崩倍增过程
当光电二极管的pn结加相当大的反向偏压时，在耗尽层内将产生一个很高的电场， 它足以使在强电场区漂移的光生载流子于获得充分的动能，通过与晶格原子碰 撞将产生新的电子－空穴对。新的电子－空穴对在强电场作用下。分别向相反 的方向运动，在运动过程中又可能与原子碰撞再一次产生新的电子—空穴对。 如此反复，形成雪崩式的载流子倍增。这个过程就是APD的工作基础。
3. 光谱响应
光电二极管的光谱响应定义：以等功率的不同单色 辐射波长的光作用于光电二极管时，其电流灵敏度与波 长的关系称为其光谱响应。
光电二极管应用电路
光电二极管应用电路二极管应用电路――摘自《传感器及其应用电路》P66图4-1是采用光敏二极管的最简单的光检测电路，图(a)是二极管输出端为开路方式，其输出电压随入射光量的对数呈线性变化，但容易受温度变化的影响。
图(b)是二级管输出端为短路方式(输出电流随入射光量的对数呈线性变化(一般采用输出端短路的工作方式。
然而，这两种电路都是光电二极管单个使用，其输出电压(或电流)非常小，一般要与晶体管或IC等放大器组合使用。
图4-2是无偏置电路实例、其中图(a)接高阻抗负载(图(b)接低阻抗负载。
负载阻抗越高其特性越接近输出端开路方式，负载阻抗越低则越接近输出端短路方式。
然而因二级管都是单个使用，所以输出信号极小(一般需要接放大电路。
图4-3是反向偏置电路实例。
光敏二极管加反向偏置，则响应速度可提高几倍以上。
图4-3(a)是接有较大负载电阻的电路(图4-3(b)是接有较小负载电阻的电路。
图4-3(n)所示电路的输出电压比图4-3(b)所示电路大，但响应特性不如图4-3(b)。
图4-3(b)所示电路的输出电压比图4-3(a)小，但响应速度比图4-3(a)快。
它们的响应特性都比无偏置电路好，但暗电流比无偏置电路大。
图4-4是光敏二极管与晶体管组合应用电路实例。
图4-4(a)为典型的集电极输出电路形式，而图4-4(b)为典型的发射极输出电路形式。
集电极输出电路适用于脉冲入射光电路，输出信号与输入信号的相位相反，输出信号一般较大。
而发射极输出电路适用于模拟信号电路，电阻RB可以减小暗电流，输出信号与输入信号的相位相同，输出信号一般较小。
图4-5是光敏二极管VD与运放A组合应用实例(团4-5(a)为无偏置方式，图4-5(b)为反向偏置方式。
无偏置电路可以用于测量宽范围的入射光，例如照度计等，但响应特性比不上反向偏置的电路，可用反馈电阻Rf调整输出电压，如果Rf用对数二极管替代(则可以输出对数压缩的电压。
反向偏置电路的响应速度快(输出信号与输入信号同相位。
光电二极管放大电路工作原理
光电二极管放大电路工作原理在用于光检测的固态检波器中，光电二极管仍然是基本选择。
光电二极管广泛用于光通信和医疗诊断。
其他应用包括色彩测量、信息处理、条形码、相机曝光控制、电子束边缘检测、传真、激光准直、飞机着陆辅助和导弹制导。
设计过程中，经常会优化用于光电模式或光敏模式的光电二极管。
响应度是检波器输出与检波器输入的比率，是光电二极管的关键参数。
其单位为A/W 或V/W。
前置放大器在高背景噪声环境中提取传感器生成的小信号。
光电导体的前置放大器有两类：电压模式和跨导（图2）。
图3c 所示的跨导放大器结构产生的精密线性传感性能是通过“零偏压”光电二极管实现的。
在此配置中，光电二极管发现输出间存在短路，按照公式3 （Isc =Ilight），基本上不存在“暗”电流。
光电二极管暴露在光线下且使用图2c 的电路时，电流将流到运算放大器的反相节点，如图 3 所示。
若负载（RL）为0 Ω且VOUT = 0 V，则理论上光电二极管会出现短路。
实际上，这两种状况都绝对不会出现。
RL 等于Rf/Aopen_loop_Gain，而VOUT 是放大器反馈配置施加的虚拟地。
图4所示电路是一个高速光电二极管信号调理电路，具有暗电流补偿功能。
系统转换来自高速硅PIN光电二极管的电流，并驱动20 MSPS模数转换器（ADC）的输入。
该器件组合可提供400 nm至1050 nm的频谱敏感度和49 nA的光电流敏感度、91 dB的动态范围以及2 MHz的带宽。
信号调理电路采用±5 V电源供电，功耗仅为40 mA，适合便携式高速、高分辨率光强度应用，如脉搏血氧仪。
光电二极管工作时采用零偏置（光伏）模式或反向偏置（光导）模式。
光伏模式可获得最精确的线性运算，而让二极管工作在光导模式可实现更高的开关速度，但代价是降低线性度。
在反向偏置条件下，存在少量的电流（称为暗电流），它们甚至在没有光照度的情况下也会流动。
可在运算放大器的同相输入端使用第二个同类光电二极管消除暗电流误差，如图4所示。
光电二极管有光输出低电平无光输出高电平
光电二极管是一种用于将光信号转换为电信号的器件，其在现代电子技术领域有着广泛的应用。
光电二极管基本工作原理是在光照射下产生电流，从而改变电阻，使得电压输出发生变化。
具体来说，光电二极管有光输出低电平无光输出高电平的特性，这一特性使得它在光敏电路中被广泛应用。
以下就光电二极管的工作原理、特性以及应用进行详细介绍：一、光电二极管的工作原理1. 光电二极管利用半导体材料的光电效应来产生电流。
当光照射到光电二极管上时，光子能量会被半导体材料吸收，激发其中的电子，使得电子从价带跃迁到导带，从而在外加电压的作用下产生电流。
2. 光电二极管通常由P-N结构构成，当光照射到P-N结的P区时，产生电子-空穴对，从而引起电流的变化。
二、光电二极管的特性1. 光电二极管具有快速的响应速度。
由于光电二极管利用光信号直接产生电流，因此其响应速度非常快，能够满足各种高速信号的需求。
2. 光电二极管的灵敏度较高。
光电二极管对光的响应灵敏度较高，能够捕捉到微弱的光信号，并将其转换为电信号输出。
3. 光电二极管的输出特性。
根据光照强度的不同，光电二极管的输出电压也有所不同。
在有光照射的情况下，光电二极管的输出电压较低，而无光照射时，其输出电压较高。
三、光电二极管的应用1. 光电传感器。
光电二极管常被用于光电传感器中，通过光电二极管对光信号的敏感特性，可以实现对于光信号的捕捉和测量，广泛应用于光电开关、光电计数器等领域。
2. 光通信。
光电二极管也被广泛应用于光通信领域，通过将光信号转换为电信号，实现了光通信系统中的信号检测和接收。
3. 光电显示。
光电二极管还可以用于光电显示器件中，通过其对光信号的转换作用，实现了光电显示应用。
总结：光电二极管具有光输出低电平无光输出高电平的特性，这一特性使得其在光敏电路中有着广泛的应用，包括光电传感器、光通信、光电显示等领域。
随着现代电子技术的不断发展，光电二极管的应用前景将更加广阔。
光电二极管（Photodiode）是一种用于将光信号转换为电信号的器件，其在现代电子技术领域具有极其广泛的应用。
光电二极管
光电二极管光电二极管又名：photodiode光电二极管是一种能够将光根据使用方式，转换成电流或者电压信号的光探测器。
光电二极管与常规的半导体二极管基本相似，只是光电二极管可以直接暴露在光源附近或通过透明小窗、光导纤维封装，来允许光到达这种器件的光敏感区域来检测光信号。
许多用来设计光电二极管的二极管使用了一个PIN结，而不是一般的PN结，来增加器件对信号的响应速度。
光电二极管常常被设计为工作在反向偏置状态。
工作原理一个光电二极管的基础结构通常是一个PN结或者PIN结。
当一个具有充足能量的光子冲击到二极管上，它将激发一个电子，从而产生自由电子（同时有一个带正电的空穴）。
这样的机制也被称作是内光电效应。
如果光子的吸收发生在结的耗尽层，则该区域的内电场将会消除其间的屏障，使得空穴能够向着阳极的方向运动，电子向着阴极的方向运动，于是光电流就产生了。
实际的光电流是暗电流和光照产生电流的综合，因此暗电流必须被最小化来提高器件对光的灵敏度。
光电压模式当偏置为0时，光电二极管工作在光电压模式，这是流出光电二极管的电流被抑制，两端电势差积累到一定数值。
光电导模式当工作在这一模式时，光电二极管常常被反向偏置，急剧的降低了其响应时间，但是噪声不得不增加作为代价。
同时，耗尽层的宽度增加，从而降低了结电容，同样使得响应时间减少。
反向偏置会造成微量的电流（饱和电流），这一电流与光电流同向。
对于指定的光谱分布，光电流与入射光照度之间呈线性比例关系。
尽管这一模式响应速度快，但是它会引发更大的信号噪声。
一个良好的PIN二极管的泄漏电流很小（小于1纳安），因此负载电阻的约翰逊&mid dot;奈奎斯特噪声（Johnson–Nyqu ist noise）会造成较大的影响。
其他工作模式雪崩光电二极管具有和常规光电二极管相似的结构，但是需要高得多的反向偏置电压。
这将允许光照产生的载流子通过雪崩击穿大量增加，在光电二极管内部产生内部增益，从而进一步改善器件的响应率。
光电二极管专题知识课件
3 光电流推导
简介 物理过程 光电流推导
光电流体现式旳物理含义
IL qAG(Ln xd Lp )
从光电流旳体现式能够看出，光电流能够等效为在二极管 耗尽区及其两侧一种少子扩散长度内光生载流子旳贡献之和。
应用拓展 特征有关
4 应用拓展
简介 物理过程
一、微型光电池 主要利用旳是光生伏特效应。
光电流推导
光耦合器一般由三部分构成：光旳发射、光旳接受及信号放 大。输入旳电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长 旳光，被光探测器接受而产生光电流，再经过进一步放大后输出 。这就完毕了电—光—电旳转换，从而起到输入、输出、隔离旳 作用。因为光耦合器输入输出间相互隔离，电信号传播具有单向 性等特点，因而具有良好旳电绝缘能力和抗干扰能力。
硅光电二极管旳光谱范围为400至1100nm，其峰值波长为 880至900nm。恰好与砷化镓发光二极管波长相匹配，能够取得 很高旳传播效率（光电耦合）。
12/5/2023
谢谢大家！
光电耦合器旳应用十分广泛。例如，能够用来连接高频和低 频电路，起到隔离作用，阻绝频率旳不同对其他电路可能造成旳 影响。
特征有关
5 特征有关
简介 物理过程 光电流推导 应用拓展 特征有关
一、部分主要性能参数
响应率 响应度是光生电流与产生该事件光功率旳比。工作于光导
模式时旳经典体现为A/W。响应度也常用量子效率表达，即光生 载流子与引起事件光子旳比。
一、扩散电流 连续性方程
因为电子和空穴旳讨论是相同旳，我们仅对空穴电流作分 析。稳态情况下，空穴满足连续性方程：
Dp
d 2p dx2
p p
G
0
这是一种二阶常系数非齐次线性微分方程。能够得到该方 程旳通解为：
第十三讲光电二极管
4、性能参数
（1） 增益(放大倍数)
增益M与PN结的反向偏压、材料及结构有关
M
1
1
U U BR
n
UBR：击穿电压；U：管子外加反向偏压；n：材
料、掺杂和结构有关常数，硅器件，n＝1.5～4，
增益与温度、反向偏压的 关系曲线
锗器件n＝2.5 ～ 8 当U→UBR时，M→∞，PN结将发生击穿。
反向偏压 (V)
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
MI 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）
载流子在耗尽层中移动速度v是用载流子的移动速度和耗尽层中的电场e决定的v时间特性频率响应19三特性参量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
《光电子技术》
Photoelectronic Technique
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 漏电子流，从而使从前极流出的暗电子流增大。
(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：
光电二极管的工作原理及应用特性分析
技术研发TECHNOLOGY AND MARKETVol.23, No.12,2016光电二极管的工作原理及应用特性分析胡静(贵州职业技术学院，贵州贵阳550023)摘要：光电二极管是一种重要的光伏探测器件，详细分析了它的工作原理和伏安特性，并简要介绍了它的应用。
关键词：光伏效应；光电二极管；伏安特性；应用doi：10.3969/j.issn.1006 - 8554. 2016. 12.0151光电二极管的工作原理光照射到半导体时，如果入射光子的能量E小于半导体的 禁带宽度Eg，光会透射过此物质，半导体表现为透明状;反之，光子将被半导体吸收，光子流和半导体内的电子相互作用，从 而改变电子的能量状态，引起各种电学效应，统称为光子效应。
P型半导体和N型半导体接触时会产生PN结，又称为空 间电荷区、势垒区等，这些空间电荷在结区形成了一个从N区指向P区的电场，称为内建电场。
PN结开路时(零偏状态），在 热平衡下，由于浓度梯度而产生的扩散电流与由于内电场作用 而产生的漂移电流相互抵消，总电流为零，也就是说没有净电 流流过PN结。
这时如果有光辐射到半导体上，且E> E g，光子 将被吸收，光子流强度随着深入半导体材料的距离指数衰减。
定义单位距离内所吸收的相对光子数为吸收系数a它是入射 光能和禁带宽度的函数。
随着入射光能增加吸收系数迅速增 大，以至于在半导体表面很薄的一层内光能就被完全吸收。
以娃为例，如果入射光波长\ = 1.0 ，则对应的吸收系数a= 102cm-1，可以算出入射光子流被吸收90%处的距离是0.23 mm;如果人=0. 5 jxm，则对应的吸收系数a。
104cm_1，入射光子流被吸收90%处的距离是2.3 jxm，表明光的吸收实 际上集中在半导体很薄的表层内。
光辐射到半导体时，入射光子流与价电子相互作用，把电 子激发到导带，在价带里产生空穴，形成电子一空穴对，称为非 平衡载流子或过剩少子，其产生率与光强有关。
光电二极管简介
光电二极管简介我们日常生活中离不开家用电器，而大多数家用电器都离不开光电二极管半导体器件，在家用电器中光电二极管的应用范围十分广泛，电视机和空调等等的家用电器的遥控器都离不开光电二极管。
并且，在医疗设备、工业设备和科学研究设备中的应用也有着十分广泛的应用。
下面我们就来简单的介绍一下光电二极管。
光电二极管和其他的感光元件都差不多，在感光元件和光敏电阻的作用都和光电二极管都有着不少的应用。
光电二极管实际上和普通的二极管差不多，但是，它具有一般二极管所不具有的功能，普通的二极管只是能够单方向的导电，但是，光电二极管能够接受反向电压进行工作，并且能把光信号转变成电信号。
是一种应用极为广泛的光电元件。
光电二极管大致有以下四种类型，分别是pin型、雪崩型、pn型和发射键型。
每种类型都有着其不一样的的特性和用途，能应用在不同的的电器之中。
一般来说，光电二极管是在反向电压之中工作的。
光电二极管在反向电压的作用下进行工作，并且在反向电压中进行漂移运动，期间光电二极管的反向电流会显著增加，而且，光电二极管有着光电导这种特性，这种特性表象为光的强度越大，反向电流也就会跟着光的强度增大。
光电二极管在光线照射的情况下会产生一种电流，这种电流叫做光电流。
光电二极管和普通的二极管有一个共同的特性，那就是都有一个叫做pn结的东西，而正是这个pn结使光电二极管实现了光电二极管的光电转换。
光电二极管和光电三极管一样都是我们在电子电路中经常用到的光敏半导体器件，一般在电路中的符号都为vd。
光电二极管性能的好坏主要看一下这几个方面，分别是等效噪声功率、暗电流和响应率这几项数据。
这几项数据决定了光电二极管性能的好坏。
量变产生质变，光电二级管也是如此，一个光电二极管可能起不到什么作用，但是，上千个光电二极管就可以组成角度传感器和位置传感器等等器材。
最好，装修界小编提醒大家购买光电二极管需要注意制作光电二极管的材料，因为制成光电二极管的材料对于光电二极管的质量性能有着非常重要的作用，不可小视。
光电二极管-光电三极管-光耦识别与检测方法图解
光电二极管-光电三极管-光耦识别与检测方法图解[1]光电器件是指能将光信号转换为电信号的电子元器件，包括光电二极管、光电三极管、光电耦合器等。
光电二极管有一个PN结，光电三极管有两个PN结，图1所示为金属壳封装、透亮塑封、树脂封装光电二、三极管形状。
[2]光电二极管的为“VD”、图形符号见图2。
靠近管键或色点长脚是正极，短脚是负极。
[3]光电二极管的最高工作电压URM是指在无光照、反向电流不超过规定值（常为0.1μA）的前提下允许加的最高反向电压，光电流IL是指在受到光照时加有反向电压时所流过的电流，如图3所示。
光电灵敏度Sn是指光电二极管的光电流IL与入射光功率之比，Sn越高越好。
[4]光电二极管通常工作在反向电压状态，如图4所示。
无光照时，VD截止，反向电流I=0，负载电阻RL上的电压UO=0。
有光照时，VD的反向电流I明显增大并随光照强度的变化而变化，这时UO也随光照强度的变化而变化，从而实现了光电转换。
[5]光电三极管的为“VT”、图符如图5所示，有NPN、PNP型光电三极管两类。
其基极即为光窗口，因此它只有放射极e和集电极c两个管脚，靠近管键或色点的是放射极e（长脚），另一脚是集电极c（短脚）；少数光电三极管基极b有引脚，用作温度补偿。
[6]光电三极管可以等效为光电二极管和一般三极管的组合元件，如图6所示。
光电三极管基极与集电极间的PN结相当于一个光电二极管，在光照下产生的光电流IL又从基极进入三极管放大，因此光电三极管输出的光电流可达光电二极管的β倍。
光电二极管和光电三极管各有特点，要求线性好、工作频率高的场合应选用光电二极管；要求灵敏度高时，应选用光电三极管。
[7]光电二极管和光电三极管可用万用表检测：万用表置“R×1k”挡，红表笔（表内电池负极）接光电二极管正极或光电三极管放射极e（NPN型，下同），黑表笔接光电二极管负极或光电三极管集电极c。
用一遮光物遮住透亮窗口，如图7所示，这时表针应指无穷大。
光电二极管原理
光电二极管原理
光电二极管，又称为光敏二极管或光电电池，是一种能将光信号转换成电信号的电子元件。
其工作原理基于光电效应，也就是光子与物质之间的相互作用。
在光电二极管的结构中，有一个p-n结。
在这个结构中，p区
富集正电荷，n区富集负电荷，而p-n结的中间区域则形成了
一个障垒。
当有光照射在p-n结上时，光子携带的能量被转移
给了p-n结中的电子。
这些光子被吸收后，会使得电子跃迁到
更高的能级。
这个过程会在p-n结产生一些电子空穴对。
而这
些电子空穴对会被障垒的电场分离，从而形成一个电压差。
当隔离电压达到一定程度时，光电二极管的电流便会开始增加。
这个电流与光照强度成正比，并能通过信号处理器进行进一步放大和处理。
光电二极管通常用作光电探测器、光电转换器、光电放大器等等。
总的来说，光电二极管的原理就是利用光电效应将光信号转换成电信号。
通过合理的结构设计和光电二极管材料的选择，可以实现对不同波长范围内的光信号的检测和转换。
光电二极管工作原理
光电二极管工作原理
光电二极管（Photodiode）是一种能够将光信号转换为电信号的器件。
其主要工作原理是光电效应。
光电效应是指当光线照射到物质表面时，光子的能量被吸收，使得物质中的电子获得足够的能量从束缚态跃迁到导带态，产生自由载流子。
在光电二极管中，采用的是PN结的结构，其中P区域富含空穴（正电荷），N区域富含电子（负电荷）。
当光线照射到PN结上时，光子被吸收，其中的光能量被转移给被激发的电子和空穴。
具体来说，当光线进入光电二极管时，光子的能量被传递给被激发的电子和空穴，使得这些载流子获得能量足够大以克服PN结内部的势垒。
这样，在PN结上就会形成一个光生电势差，产生光电流。
由于PN结的特性，电子会向N区域运动，而空穴会向P区域运动，从而形成电流。
这个光电流的大小与光线的强度成正比。
通过控制PN结的工作电压，可以调节光电二极管的灵敏度。
当电压增加时，光电二极管的灵敏度也会增加。
总的来说，光电二极管的工作原理是利用光电效应，将光信号转换为电信号。
这种原理使得光电二极管在光电测量、成像以及光通信等领域得到广泛应用。
《光电二极管光电池》PPT课件
一、光电二极管 光电二极管等效电路示图 (d) 中。 因为光电二极管总是在反向偏 压下工作，所以iD ＝iS，iS和 光电流iφ都是反向电流。
为了符合人们通常的观察习 惯，把图中第三象限的伏安 特性在i和u倒转后变到第一 象限中,如图 (a)所示。其 中，弯曲点M′所对应的电 压 值 V″ 称 为 曲 膝 电 压 。 为 分析方便，经线性化处理后 的特性曲线如图所示。
这是一种由金属和半导 体接触所制成的光电二 极管，所以这种光电二 极管也称为金属半导体 光电二极管：
M
-
++ ++ ++ ++ ++
S
当金属和n型半导体接触时， 由于金属的费米能级比半导 体的费米能级低，n型半导体 内的电子便向金属内移 动．结果金属一侧带负电。
半导体一侧带正电，形 成内电场。由于内电场 的存在，它将阻止n型 半导中的电子继续移向 金属．直至建立起稳定 的内部电场。
异质结光电二极管有Si-PbS， CdS-PbS，Pb1xSxSb-Pbs，Pb1-xSnxTe-PbTe…等。
四、雪崩光电二极管(APD)
雪崩光电二极管是利用二极管在 高的反向偏压下发生雪崩倍增效 应而制成的光电探测器。
这种器件有电流内增益，一般硅 或锗雪崩光电二极管电流内增益 可达102--103，灵敏度高，响应 速度快，在超高频的调制光照射 下仍有很显著的增益。
要的。图是光电二极管的噪声等效电路。对高频应用，两个主要的噪声源是
散粒噪声
和电阻热噪声
。
i2 nTຫໍສະໝຸດ ins 2所以输出噪声电流的有效值为
I n (ins 2 inT 2 )1/ 2
[2e(is
光电探测器（光电二极管）
光电探测器（光电二极管）光电探测器(光电二极管)本文介绍了光电与系统的组成，阐述了光电二极管的分类及原理，本文着重介绍了pn 光电二极管，及其结构原理。
1引言自年第一台红宝石激光器问世以来,古老的光学发生了革命性的变化与此同时,电子学也突飞猛进地向前发展.光学和电子学紧密联合形成了光电子学这一崭新的学科.由此发展起来的光电子高新技术, 已深入到人们生活的各个领域, 从光纤通信, 镭射唱盘到海湾战争中的现代化武器, 都和光电子技术密切相关.而光电探测器则是光电子系统中不可缺少的重要器件.可以毫不夸大地说, 没有光电探测器件, 就没有今天的光电子学系统2工作原理光电探测器的机理是光电效应原理，光电效应有三种：光电导效应，光生伏特效应，光电子发射效应。
光电导效应：在光照下，半导体吸收光子能量后，载流子的浓度增大，使材料的电导率增大，电阻率减小。
光生伏特效应：在光照下，p-n 结的两端产生电势差，当材料短接时能得到短路电流。
光电子发射效应：金属或半导体受光照射，如果光子能量足够大，可以使电子从材料表面逸出，成为真空中的自由电子。
利用这三种效应制作的光电探测器称为光子探测器。
除光子探测器外，光电探测器还有热探测器，其机理是材料因吸收光辐射能量使其自身温度升高，从而改变它的电学性能。
光电探测器的分类：2.1．pn 光电二极管2.1.1、空间电荷区考虑两块半导体晶体，n 型和p 型。
n 型：电子很多而空穴很少；p 型: 空穴很多而电子很少。
单独的n 型和p 型半导体是电中性的。
光电二极管pin 光电二极管雪崩光电二极管光电三极管光电池光敏电阻光电倍增管热释电探测器热敏电阻热电偶气动管当两块半导体结合形成p-n结时，由于存在载流子浓度梯度，导致了空穴从p 区到n区，电子从n区到p区的扩散运动。
从而在pn 结附近p区和n区两侧各自形成了一个负电荷区和正电荷区，这两个区域称为空间电荷区。
2.1.2．pn结光电探测器工作原理通常pn光电探测器要加反向偏压。
光电二极管原理
光电二极管原理光电二极管是应用广泛的光电转换设备之一，常常用于将光信号转换成电信号的过程。
光电二极管的工作原理基于光能转化为电能的基础上，利用光电效应产生电子和空穴，经过PN结的作用下形成电流。
接下来将阐述光电二极管原理的具体步骤。
第一步，原理解释。
光电二极管是一种半导体器件，主要由PN结、M 金属电极两部分组成，其中PN结是指由不同掺杂材料所构成的半导体区域。
PN结具备单向导电性，在正向电压作用下通电、反向电压作用下截止。
光电二极管的工作原理基于光电效应，即当光子（光能）碰撞半导体时，光能转化为电能，并产生电子和空穴，经过PN结作用下形成电流。
第二步，光电二极管特性。
光电二极管有许多不同特性，其中一项是它的灵敏度。
灵敏度程度受制于光电二极管伏安特性曲线，这个曲线代表了光电二极管在不同光强度下的反应速度，即响应快慢程度。
此外，光电二极管还有指向性，在光照射方向上反应更强烈，而在光照射角度偏离方向时响应变弱。
这些性能使光电二极管广泛应用于微控制器、数码照相机和医疗设备等领域。
第三步，光电转换应用。
光电二极管的主要应用是将光信号转换成电信号，常常用于测量光强度和光波长，同时可以用于图像传感器和光电子扫描器中。
光电二极管的另一个应用是作为光电开关，用于测量环境光照强度，将开关输出相应的数字信号，从而实现光敏控制。
此外，光电二极管还可以应用于光纤通讯系统、红外线传感技术和安全传感器等领域中。
第四步，光电二极管必须满足条件。
光电二极管的工作必须满足以下几个条件：（1）输入光频必须在光电二极管的光谱响应范围内；（2）光电二极管必须与负载电路配合使用；（3）光电二极管的输出电流和输入光强度成正比；（4）光电二极管的响应速度必须高于输入光频。
只有满足以上条件，光电二极管才能正常工作，产生准确的测量结果。
综上所述，光电二极管是一种重要的光电转换设备，是将光能转化为电能的主要手段之一，其工作原理基于光电效应与PN结特性的结合，具备反应快速、灵敏度高、指向性等特点，广泛应用于图像传感器、光敏控制、光纤通讯系统等领域。
光电二极管检测电路的组成及工作原理
光电二极管及其相关地前置放大器是基本物理量和电子量之间地桥梁.许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用地数字信号.光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中.在这些电路中,光电二极管产生一个与照明度成比例地微弱电流.而前置放大器将光电二极管传感器地电流输出信号转换为一个可用地电压信号.看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单地电流至电压地转换,但这种应用电路却提出了一个问题地多个侧面.为了进一步扩展应用前景,单电源电路还在电路地运行、稳定性及噪声处理方面显示出新地限制.本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路地稳定性及噪声性能.首先探讨电路工作原理,然后如果读者有机会地话,可以运行一个SPICE模拟程序,它会很形象地说明电路原理.以上两步是完成设计过程地开始.第三步也是最重要地一步<本文未作讨论）是制作实验模拟板.1 光检测电路地基本组成和工作原理设计一个精密地光检测电路最常用地方法是将一个光电二极管跨接在一个CMOS输入放大器地输入端和反馈环路地电阻之间.这种方式地单电源电路示于图1中.在该电路中,光电二极管工作于光致电压<零偏置）方式.光电二极管上地入射光使之产生地电流I SC从负极流至正极,如图中所示.因为CMOS放大器反相输入端地输入阻抗非常高,二极管产生地电流将流过反馈电阻R F.输出电压会随着电阻R F两端地压降而变化.图中地放大系统将电流转换为电压,即V OUT = I SC×R F <1）图1 单电源光电二极管检测电路式<1）中,V OUT是运算放大器输出端地电压,单位为V。
I SC是光电二极管产生地电流,单位为A。
R F是放大器电路中地反馈电阻,单位为W .图1中地C RF是电阻R F地寄生电容和电路板地分布电容,且具有一个单极点为1/<2p R F C RF）.用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压地转换关系.模拟中可选地变量是放大器地反馈元件R F.用这个模拟程序,激励信号源为I SC,输出端电压为V OUT.此例中,R F地缺省值为1MW ,C RF为0.5pF.理想地光电二极管模型包括一个二极管和理想地电流源.给出这些值后,传输函数中地极点等于1/<2p R F C RF）,即318.3kHz.改变R F可在信号频响范围内改变极点.遗憾地是,如果不考虑稳定性和噪声等问题,这种简单地方案通常是注定要失败地.例如,系统地阶跃响应会产生一个其数量难以接受地振铃输出,更坏地情况是电路可能会产生振荡.如果解决了系统不稳定地问题,输出响应可能仍然会有足够大地“噪声”而得不到可靠地结果.实现一个稳定地光检测电路从理解电路地变量、分析整个传输函数和设计一个可靠地电路方案开始.设计时首先考虑地是为光电二极管响应选择合适地电阻.第二是分析稳定性.然后应评估系统地稳定性并分析输出噪声,根据每种应用地要求将之调节到适当地水平.这种电路中有三个设计变量需要考虑分析,它们是：光电二极管、放大器和R//C反馈网络.首先选择光电二极管,虽然它具有良好地光响应特性,但二极管地寄生电容将对电路地噪声增益和稳定性有极大地影响.另外,光电二极管地并联寄生电阻在很宽地温度范围内变化,会在温度极限时导致不稳定和噪声问题.为了保持良好地线性性能及较低地失调误差,运放应该具有一个较小地输入偏置电流<例如CMOS工艺）.此外,输入噪声电压、输入共模电容和差分电容也对系统地稳定性和整体精度产生不利地影响.最后,R//C反馈网络用于建立电路地增益.该网络也会对电路地稳定性和噪声性能产生影响.2 光检测电路地SPICE模型2.1 光电二极管地SPICE模型一个光电二极管有两种工作方式：光致电压和光致电导,它们各有优缺点.在这两种方式中,光照射到二极管上产生地电流I SC方向与通常地正偏二极管正常工作时地方向相反,即从负极到正极.光电二极管地工作模型示于图2中,它由一个被辐射光激发地电流源、理想地二极管、结电容和寄生地串联及并联电阻组成.图2 非理想地光电二极管模型当光照射到光电二极管上时,电流便产生了,不同二极管在不同环境中产生地电流I SC、具有地C PD、R PD值以及图中放大器输出电压为0~5V所需地电阻R F值均不同,例如SD-020-12-001硅光电二极管,在正常直射阳光<1000fc[英尺-烛光]）时,I SC=30m A、C PD=50pF、R PD=1000MW 、R F=167kW 。
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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，所以不需要环极。
图c是图b的简化。正常运用时 ，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。
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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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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。
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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
或
b) 光电二极管符号
光输入
+
U
R 输出
《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
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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。
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
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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
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：
-
c) 光电特性测量电路
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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。
一般采用图d和图c两种形式。
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
I IDeeUkT1
ID为U为负值（反向偏置时）且 U >> kT e 时(室温下kT/e≈0.26mV，很容易满足这 个条件)的电流，称为反向电流或暗电流。
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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。
Si d dIh qc1ead
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 为光电二极管的电流灵敏度。
照度(lx)
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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。
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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二、工作原理
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；
t3=d / Vd=d 2/ (μVR)
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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)。
四、 PIN光电二极管
1、原理与结构 结构图
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外形图
雪崩区
光吸收区
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。
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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：
Ih ec 1e d e,ID 1eeU /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
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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 。