342光电二极管54页PPT

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。
因此散粒噪声为 : In 2s2q(IdISIb) 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RC 延迟时间τRC 。
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。
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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
I0eqUkT
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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 IpI0(1ex qp /U k()T)
式中Ip为光电流：Ip=Ri•P
图（a）为 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。 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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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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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
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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N型硅为衬底的2CU型
二、 PIN型光电二极管 ——PIN管
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
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。
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: In2s2qIf •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。
•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
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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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•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。