第十三讲 光电二极管

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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
通常APD响应速度特别快，响应时间(上升时间)为0.5～2ns。
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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
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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
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。
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。
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
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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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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。
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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)。
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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。
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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
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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 。
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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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
，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。
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
温度 (℃）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
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
2
4kTf 4kTf 2eI d I P M k f RL RL
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)
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。
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。
《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。
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