光电二极管及其放大电路设计思维导图
3-4-2光电二极管
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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 ：
I M I0
式中，I为倍增输出的电流，I0为倍增前输出的电流。
•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
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
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
•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。
式中Ip为光电流：Ip=Ri•P
光电二极管等效电路
光电二极管等效电路一、引言光电二极管是一种将光能转换成电能的器件。
它具有快速响应、高灵敏度、低噪声等优点，广泛应用于通信、测量、控制等领域。
光电二极管等效电路是描述光电二极管工作原理的重要工具，本文将对其进行详细介绍。
二、光电二极管基本原理光电二极管是一种半导体器件，由PN结和接收端组成。
当有光照射到PN结时，会产生内部电场，使得载流子在PN结中移动，并在接收端产生一个电压信号。
这个过程可以用下图所示的等效电路模型来表示。
其中Rsh为接收端的负载电阻，Cj为PN结的结容，Rs为串联电阻，Rp为并联电阻。
当有光照射到PN结时，会产生内部光生载流子，并在接收端形成一个瞬态开路电压Voc和一个瞬态短路电流Isc。
当负载接上后，会有一个稳态工作点，在该点处输出一个稳定的输出电压Vout。
三、光电二极管等效模型1. PN结等效电路模型PN结可以看成一个具有反向电容的二极管，其等效电路模型如下图所示。
其中Cj为结容，Rj为结电阻，Is为反向饱和电流。
2. 光电二极管等效电路模型光电二极管的等效电路模型可以看成是PN结等效电路模型加上一个串联电阻和并联电阻。
其等效模型如下图所示。
其中Rs为串联电阻，Rp为并联电阻。
在光照条件下，由于产生了内部光生载流子，因此会产生一个瞬态开路电压Voc和一个瞬态短路电流Isc。
当负载接上后，会有一个稳态工作点，在该点处输出一个稳定的输出电压Vout。
四、光电二极管特性曲线1. 光强度与输出特性曲线光强度与输出特性曲线是描述光照强度对光电二极管输出特性的影响关系图。
其形式如下图所示。
其中Iph为内部光生载流子产生的瞬态短路电流，Voc为内部光生载流子产生的瞬态开路电压，Vout为稳态输出电压。
光电二极管教程光电二极管术
光电二极管教程工作原理结光电二极管是一种基本器件，其功能类似于一个普通的信号二极管，但在结半导体的耗尽区吸收光时，它会产生光电流。
光电二极管是一种快速，高线性度的器件，在应用中具有高量子效率，可应用于各种不同的场合。
根据入射光确定期望的输出电流水平和响应度是有必要的。
图1描绘了一个结光电二极管模型，它由基本的独立元件组成，这样便于直观了解光电二极管的主要性质，更好地了解Thorlabs光电二极管工作过程。
图1: 光电二极管模型光电二极管术响应度光电二极管的响应度可以定义为给定波长下，产生的光电流(I PD)和入射光功率(P)之比：工作模式(光导模式和光伏模式)光电二极管可以工作在这两个模式中的一个: 光导模式(反向偏置)或光伏模式(零偏置)。
工作模式的选择根据应用中速度和可接受暗电流大小(漏电流)而定。
光导模式处于光导模式时，有一个外加的偏压，这是我们DET系列探测器的基础。
电路中测得的电流代表器件接受到的光照; 测量的输出电流与输入光功率成正比。
外加偏压使得耗尽区的宽度增大，响应度增大，结电容变小，响应度趋向直线。
工作在这些条件下容易产生很大的暗电流，但可以选择光电二极管的材料以限制其大小。
(注: 我们的DET器件都是反向偏置的，不能工作在正向偏压下。
)光伏模式光伏模式下，光电二极管是零偏置的。
器件的电流流动被限制，形成一个电压。
这种工作模式利用了光伏效应，它是太阳能电池的基础。
当工作在光伏模式时，暗电流最小。
暗电流暗电流是光电二极管有偏压时的漏电流. 工作在光导模式时, 容易出现更高的暗电流, 并与温度直接相关. 温度每增加 10 °C, 暗电流几乎增加一倍, 温度每增加 6 °C, 分流电阻增大一倍. 显然, 应用更大的偏压会降低结电容, 但也会增加当前暗电流的大小.当前的暗电流也受光电二极管材料和有源区尺寸的影响. 锗器件暗电流很大, 硅器件通常比锗器件暗电流小.下表给出了几种光电二极管材料及它们相关的暗电流, 速度, 响应波段和价格。
光电二极管放大路工作原理
光电二极管放大路工作原理————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：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。
第六章2 光电二极管
I c Ib I p SE E
等效：光电二极管与普通晶体管的组合
二、特性参数 1、伏安特性： 1）电流大于二极管，mA量级，光放大作用； 2）零偏置时，输出电流微小； 3）要有合适的工作电压，工作线性范围与工作电压有 关。
Ic(mA)
E 增 大
Vce(V)
硅光电三极管的伏安特性曲线
三、工作模式 1、无基极引线：依靠光“注入”，把集电结光电二极管的 光电流加以放大 优点：暗电流小，适用于低速光电开关
2、有基极引线：能给其提供适当的基极偏流 优点： 1）可减小光敏三极管的发射电阻，改善弱光条件下的频率 特性； 2）使交流放大系数进入线性区，有利于调制光的探测。 四、应用：光电控制、光开关
基区空穴向 发射区的扩散可 忽略。
p
Vc
n
进入P 区的电 子少部分与基区的 空穴复合，多数扩 散到集电结。
发射结正偏， 发射区电子不断向 基区扩散，形成发 射极电流Ie。
光照下总的集电极电流为
I c Ib I cb 0
其中β为光电三极管的电流放大倍数，Ib为基极电流， Icb0 为无光照下集电结的反向饱和电流。 一般情况下， Ib>> Icb0
0.1-0.01 1000
大 小
二、光电二极管的特性参数 1、伏安特性： 光照下p-n结光电二极管的伏安特性可用下式表示
qV I L I 0 exp kT
ห้องสมุดไป่ตู้ 1 S E E
式中V为p-n结两端外加电压 1）光照后，光电二极管的伏安 特性曲线沿电流轴向下平移，平 移幅度与光照成正比。 2）在一定反向电压范围内，反 向电流的大小几乎与反向电压无 关，而在入射光照度一定条件下， 输出电流恒定。 IL（μA） V
光电二极管的基本结构
光电二极管的基本结构好啦，咱们今天聊聊光电二极管，听起来挺高大上的吧？但其实它的结构和原理都不复杂，咱们用轻松的方式来捋一捋。
光电二极管，听这个名字就知道它跟光有关系。
没错，它的主要任务就是把光信号转化成电信号，真是个神奇的小家伙。
想象一下，当阳光洒在它身上，就像小孩看到糖果一样，兴奋得不得了！这个小东西的基本结构其实蛮简单的，咱们一层层剥开，看看它的“身世”。
外面有个透明的盖子，像个保护壳，既可以让光线进来，又能把内部的零件保护得好好的。
这可不是随便一个材料就能搞定的，通常用的是一种叫“玻璃”的东西，这个材料可是相当耐用，还能让光线顺利通过，真是个聪明的设计，哈哈！里面的核心部分是一个半导体材料，像是小朋友的积木，拼得可复杂了。
这个半导体材料一般是硅或者锗，听起来好像很高深，但其实它们就像家里的大米和面粉，常见得不能再常见了。
再往里看，这个半导体里面有两种区域，一个是N型，一个是P型。
P型区域像个热心肠的邻居，提供正电荷；N型区域则像个调皮捣蛋的小孩，提供负电荷。
两者一接触，就形成了一个“PN结”，听上去有点像科学实验，但实际上这可是光电二极管的心脏！当光子（也就是光的粒子）照射到这个PN结的时候，嘿，神奇的事情发生了！光子让电子从原来的位置跳了出来，形成了电流，简直像开了个派对一样，热闹非凡！你们可能会问，这个电流有什么用呢？嘿嘿，可多了！比如在太阳能电池里，这个小家伙可以把太阳光转化为电能，帮助我们点亮家里的灯。
想象一下，阳光洒进房间，灯光一亮，简直就是“阳光大道”，既环保又省钱，谁不爱呢？再说了，光电二极管还被广泛应用在光纤通信、自动控制和医疗设备等领域，真是个多才多艺的“明星”！说到这里，不得不提一下它的优缺点。
优点那是相当多，反应速度快、灵敏度高、寿命长，真是“万事俱备，只欠东风”。
但是，它也有点小脾气，比如说对光的强度很敏感，太强的光可能会把它弄坏。
就像吃糖，太多的话，牙齿可受不了，哈哈！光电二极管就像科技世界里的小精灵，默默地为我们的生活添砖加瓦。
《光电二极管》课件
光电二极管的工作原理
当光线照射在光电二极管的 PN 结上时，光能将某些电子从半导体原子的价带跃迁到导带，这些电子被称为光 电子。光电子向结的 N 区移动时，会在 PN 结上产生电信号。
光电二极管的不同类型
普通二极管
只允许单向传输，不能在电子导通时输出光信号。
光控二极管
通过光控效应，将光线转换为电信号，作用于电路中，输出电流或电压信号。
2
工业领域
广泛应用于激光打标机、激光切割机、机器视觉等设备中。
3
医疗领域
广泛应用于光学照明、医疗诊断、生物成像等领域。
4
市场前景
光电二极管市场随着科技的发展将会不断拓展，市场容量持续扩大，预计未来几年将保持稳 步增长。
成功应用光电二极管的案例
条形码识别
光电二极管广泛应用于条形码扫 描器中，可以快速读取条形码上 的信息。
《光电二极管》PPT课件
欢迎大家来到本次的《光电二极管》PPT课件。本次分享将向大家介绍光电二 极管的定义、原理、结构与制作方法、性能表征、应用与市场、以及未来展 望。
光电二极管的定义
光电二极管是一种可以将光信号转换成电信号的半导体器件。通过光子的照 射，产生光生载流子，并使其在电场作用下发生漂移运动，控制器件导通和 截止状态。
太阳能电池板
太阳能电池板中的光电二极管可 以将阳光转换为电信号，将其储 存入电池或输 可以与传感器相结合，形成智能 路灯，具备自动感应、远程控制、 多种显示模式等智能功能。
光电二极管的认识与未来展望
通过本次分享，大家对光电二极管有了更深入的了解。光电二极管因其应用 领域广泛，市场前景良好，未来发展趋势必将更加广阔。
光电晶体管
通过光电效应，将光线转换为导通电流信号，并放大输出到上游电路。
4光电检测器件(3)光电二极管解析PPT课件
光电二极管的应用1：卫生间灯光自动控制
无人遮挡红外线时，PD接收到红外线，光电源使VT1导通，其集电极呈低 电平；当有人进出遮挡红外线时，VT1截止，其集电极呈高电平。当人进入或走 出卫生间时，集电极输出一个正脉冲。
2020年9月28日
光电二极管的应用1：卫生间灯光自动控制
电路Ⅱ是微分触发电路，当人体进出遮挡红 外线时，VT1集电极产生一个正脉冲。由于C1的 电压不能突变，在R3上形成一个尖脉冲，它使 VT2触发导通，其波形如图所示。
电路Ⅳ是驱动电路，由VT4驱动继电器K。当3脚输出高电平时，VT4导通， K吸合，灯亮；3脚输出低电平时，灯灭。
2020年9月28日
光电二极管的应用2：光电路灯自动控制
2020年9月28日
光电二极管的典型应用电路
hν
2020年9月28日
RL
Vo
EБайду номын сангаас
+E hν
Vo RL
应用电路
光电二极管的典型应用电路
2020年9月28日
光电二极管的应用：光电式转速表
光源l发出的光线经透镜2会聚成平行光束，照射到旋转物体上的反光纸4反射回来， 经透镜5聚焦后落在光敏二极管6上。它产生与转速对应的电脉冲信号，经放大整形电路8 得到了TTL 电平的脉冲信号，再经频率计电路9处理后由显示器10显示出每分钟或每秒钟 的转数即转速。
C
_
Rf
Rf
Rf
_
2CR
A
+
Vo
A
+
Vo
RL 2CR
电流放大型
电压放大型
2020年9月28日
3.3 光电二极管与光电三极管
光电转换器件
●在光电二极管的实际应中，100个光子会产生
35 ～ 95 个 电 子 一 空 穴 对 ， 为 30% ～ 95% 。 为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽 区的厚度，使其可以吸收大部分的光子， 但耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越 （across）反向偏置结的时间就越长。由 于载流子的漂移时间又决定了光电二极管 的响应速度，所以必须在响应速度和量子 效率之间取一折衷。
光发送机的功能是把一个电信号转换一个光信 号，电流i(t)可用来直接调制光源以产生光输出功率P
（t）；光发送机产生光信号时，持续时间为Tb的光
但在半导体材料中，光功率的吸收呈指
数规律，即：
P（x）=P0（1-e-α ） s(λ)x
（2）
其中αs(λ) 是波长处的吸收系数，αs一般
随λ增加而减小；
特定的半导体材料只能应用在有限的波长范
围内。上限截止波长取决于所用材料的带隙
Eg：
cE hgcE1 g.(2 e4 V )
(m （)3）
对si，λc=1.06μm；对Ge, λc=1.06μm。
雪崩效应：新产生的载流子同样由电场加速 ，并获得足够的能量从而导致更多的碰撞电 离产生，此现象称雪崩效应。当偏置电压高 于击穿电压时，产生的载流子迅速增加。
●拉通型APD（RAPD）：把一种高阻的p型材料作为
外延层而沉积在p型重掺杂材料上，然后在高阻区进
行p型扩散或电离掺杂，最后一层是一个n+（n型重 掺杂）层。π层主要是少量p掺杂的本征材料，此结 构称为p+πpn+型结构，如下图示。 电场
n+
wm
p
雪崩区
i(π)
耗尽区
雪崩电离所需 的最小电场
p+