《光电二极管》PPT课件

10GHz
10-
10s
1.结构与工作原理
1.本征半导体近似于介质，这就相当于增大了pn结结电容 两个电极之间的距离，使结电容变得很小。
2.p型半导体和n型半导体中耗尽层的宽度是随反向电压增 加而加宽的，随着反偏压的增大，结电容也要变得很小。
3.由于i层的存在，而p区一般做得很簿，入射光子只能在 i层内被吸收，而反向偏压主要集中在i区，形成高电场 区，i区的光生载波子在强电场作用下加速运动，所以 载流子渡越时间非常短，即使i层较厚，对渡越时间影 响也不大，这样使电路时间常量减小，从而改善了光电 二极管的频率响应。
式中Ip为光电流：Ip=Ri•P
二、 光电二极管的基本特性
1.伏安特性 由光电二极管的电流方程可以得到光电二极管在 不同偏置电压下的输出特性曲线。
光电二极管的工作区 域应在图的第3象限与第 4象限。
在光电技术中常采用重新定义电流与电压正方向的方 法把特性曲线旋转成下面右图所示。重新定义的电流与电 压的正方向均以PN结内建电场的方向相同的方向为正向。
Ic Ib I p SE E
•工作原理分为两个过程：一是光电转换；二是光电流 放大。光转换过程和一般光电二极管是相同的，在集－ 基结区进行。光激发电子－空穴对，电子流向集电区被 集电极所吸收,而空穴作为基极电流被晶体管放大。
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二、硅光电三极管与硅光电二极管特性比较 １.光照特性 光电流与照度之间的关系曲线
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2.伏安特性
•光电三极管在偏置电压为零 时，无论光照度有多强，集电 极电流都为零。偏置电压要保 证光电三极管的发射结处于正 向偏置，而集电结处于反向偏 置。随着偏置电压的增高伏安 特性曲线趋于平坦。
•光电三极管的伏安特性曲线向上偏斜，间距增大。这是因为光
电三极管除具有光电灵敏度外，还具有电流增益β，并且，β
为恰当。
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5.应用
雪崩光电二极管在光纤通信、激光测距及光纤传感等光电变换系统中得到了 广泛应用。由于具有内增益，大大降低了对前置放大器的要求。但APD管需要 上百伏的工作电压．影响了它的推广使用。
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常用的APD特性
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通信用PIN与APD比较
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课堂练习1
1.有Si基光伏探测器，圆形光敏面直径0.4mm，有波长700nm光波入射，光敏面辐照 度为0.1mW/cm2，此时输出光电流为Ip＝56.6nA，求该探测器此时的灵敏度和量 子效率？
•工作区的选择
低反偏压下光电流随光电压变化非常敏感，这是 由于反偏压增加使耗尽层加宽。结电场增强，这 对于结区光的吸收率及光生载流子的收集效率影 响很大。
当反偏压进一步增加时，光生载流子的收集已达 极限，光电流就趋于饱和，特性曲线近似于乎直， 而且在低照度部分比较均匀。利用光电二极管作 线性测量时，主要是用特性曲线平直、均匀的这 部分。通过选取适当的负载电阻，可得较大的线 性输出范围。
值随光电流的增大而增大。
•与光电二极管的不同
1.在相同照度下，由于光电三极管的放大作用，使三极 管的输出电流要比二极管大得多。
2.在零偏置下，光电三级管没有电流输出，而二极管有 电流输出。
3.是在照度低时比较均匀，而随照度增加，曲线变密。 这主要是光照特性的反映，这种现象二极管也有，但 不如三极管严重，这是因为三极管的电流增益是信号 电流的函数。
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课堂练习2
2.有InGaAs APD探测器，量子效率为60％，有波长1550nm 光波入射，入射通量为 20nW，求
1）电流倍增系数为1时的光电流。 2）当电流倍增系数为12时，该探测器此时的响应率。
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3.4.4 光电三极管(Photo triode)
一、光敏三极管的结构与工作原理
光电三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光 电二极管的普通三极管，其结构和普通三极管相似。 光电三极管有三根引线的也有两根引线的，管型分为 pnp和npn型两种硅光电三极管。
因此散粒噪声为
:
I
2 ns
2q(Id
IS
Ib ) f
5.时间响应
PN结硅光电二极管的电流产生要经过三个过程：
1) 在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间，称
为漂移时间记为τdr ；
2) 在PN结区外产生的光生载流子扩散到PN结区内所需
要的时间，称为扩散时间记为τp；
3) 由PN结电容Cj和管芯电阻Ri及负载电阻RL构成的
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实验发现，在略低于击穿电压时，发生雪崩倍
增现象，M随反向偏压U的变化可用经验公式近
似表示：
M
1
1 (U/U BR )n
3.噪声
由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的， 碰撞后的运动方向更是随机的，所以它的噪声比一般光电 二极管要大些。
雪崩光电二极管的噪声可近似由下式计算：
I
2 n
2qIM
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2.工作原理
雪崩光电二极管为具有内增益的一种光生伏特器件。它利 用光生载流子在强电场内的定向运动，产生的雪崩效应获得光 电流的增益。
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 ：
M I I0
式中，I为倍增输出的电流，I0为倍增前输出的电流。
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。
4.噪声
•低频噪声Inf、散粒噪声Ins和热噪声InT
•散粒噪声是光电二极管的主要噪声
散粒噪声:
I2 ns
2qIf
•光电二极管的电流应包括暗电流Id、信号电流 Is和背景辐射引起的背景光电流Ib，
4. i层的引入加大了耗尽区，展宽了光电转换的有效工作 区域，从而使灵敏度得以提高。
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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。
n f
式中指数n与雪崩光电二极管的材料有关。
对于锗管，n=3；对于硅管为2.3<n<2.5。
4.线性区
当入射光功率在1nw到几个μw时，倍增电流与入射光具有较好的线性。 当入射光功率过大时，倍增系数凡反而会降低，从而引起光电流的畸变。 当入射光功率较小时，多采用APD。在入射光功率较大时，采用PIN管更
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2.光电二极管的基本结构
光电二极管可分为两种结构形式：以P型硅为衬底的2DU型
以图N型（硅a）为为衬底的2CU型 2DU型光电 二极管的 原理结构 图。
图（b） 为光电 二极管 的工作 原理图
图（c）所示为光电二极管的电路符号
两种管子的电极数不同。2CU型管子只有前后两个电 极，而2DU型管子除有前后极外还有一个环极。
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几种常见的PIN比较
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3.应用及常用器件介绍
PIN及组件由于工作电压较低、性价比好，在数据 通信、电信业务以及一般的应用如工业控制等领 域有着广泛的应用。
国内外著名的光通信公司，如Mitel公司、AMP公 司、Prilli公司、飞通光电有限公司和武汉电信 器件公司等都有相应的产品。
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3.偏压设置
APD一般在略低于反向击穿电压值的反偏压下工作。 在无光照时，pn结不会发生雪崩倍增效应。 有光照射，激发出的光生载流于就被临界强电场加速而导致雪崩倍增。 若反向偏压大于反向击穿电压时，光电流的增益可达106，即发生“自持雪崩
倍增”。由于这时出现的散粒噪声可增大到放大器的噪声水平，以致使器件 无法使用。
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三、 雪崩光电二极管 ——APD管
• PIN光电二极管： 提高了时间响应，器件的光电灵敏度仍然较低。 •雪崩光电二极管： 提高光电二极管的灵敏度。
1.结构
由于PIN型光电二极管在较高的反向偏置电压的作用下耗尽 区扩展到整个PN结结区，形成自身保护（具有很强的抗击穿功 能），因此， PIN型雪崩光电二极管不必设置保护环。
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2.光电二极管的灵敏度
定义光电二极管的灵敏度为入射到光敏面上辐射量的变
化引起电流变化dI与辐射量变化之比。
Si
dI dE
•灵敏度与入射辐射波长λ有关。
•光电二极管的电流灵敏度(峰值波长下的灵敏度)与波 长的关系曲线称为光谱响应。
Ip /q
P0 /(h )
Ip P0
h
q
Ri
h
q
Ri
q h
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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。
二、 PIN型光电二极管 ——PIN管Baidu Nhomakorabea
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I型层，构成如 图（a）所示的PIN结构光电二极管，PIN结构的光电二极管与PN 结型的光电二极管在外形上没有什么区别，如图（b）。
特点：
结电容小 渡越时间短 灵敏度高
npn称3DU型光电三极管
pnp称3CU型光电三极管
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（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。
设环极的目的是为了减少表面漏电流，减小噪声， 提高探测极限力。
设环极的原因 1.反型层： 成为pn结表面漏电流的通道，使通过负载的暗电流增
大，从而会影响器件的探测极限。 2.环极 为了减小这种表面漏电流，采用的方法是在受光面的
四周加上一个环极把受光面包围起来。在接电源时， 使环极电势始终保持高于前极电势，给表面漏电流 提供一条直接流入电源的通道。 如果不用环极，除了前级暗电流大，噪声大一些外， 对其它性能均无影响。
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3.光电二极管的电流方程
在无辐射作用的情况下（暗室中），PN结硅光电二极管 的正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样。其电流 方程为：
I
I
0
qU
e
k
T
1
I0为称为反向电流或暗电流。
•当光辐射作用到光电二极管上时， 光电二极管的全电流方程为 ：
I I p I0 (1 exp( qU / kT))
3.4.3 光伏器件——光电二极管
一、光电二极管
光电二极管是最简单、最具有代表性的 光生伏特器件，其中，PN结硅光电二极管为最 基本的光生伏特器件。
➢材料 硅、锗、砷化铟、锑化钢、砷化镓、碲镉汞 等材料制作，但目前应用最多的还是硅光电 二极管。
1.光电二极管与光电池的比较 相同点 工作原理相同，都是基于pn结工作的 不同点 1.结区面积小 2.通常工作于反偏置状态 3.内建电场强，结区厚，结电容小，频率特性好 4.光电流小，在微安量级
RC延迟时间τRC 。
•一般的PN结硅光电二极管，漂移时间，为 ns数量级。
•扩散时间τp很长，约为100ns，它是限制PN结
硅光电二极管时间响应的主要因素。
•当负载电阻RL不大时，时间常数也在ns量级。
影响PN结硅光电二极管时间响应的主要因素
是PN结区外载流子的扩散时间τp。
•扩展PN结区 •增高反向偏置电压 •改进结构：PIN APD
光电三极管输出电流较大，一般在毫安级，但光照特性较差，多用于要求输出电 流较大的场合。
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•工作原理：工作时，各个电极所加的电压与普通晶 体管相同，即需要保证集电极反偏置，发射集正偏置。 由于集电极是反偏置，在结区内有很强的内建电场， 对npn来讲，内建电场的方向由c指向b，与光电二极 管相同。有光照射到基极－集电极结区上时，产生光 电子－空穴对，载流子在内建电场的作用下，电子流 向集电极，空穴流向基极，相当于外界向基极注入了 一个控制电流。集电极电流：