第六章2 光电二极管
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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。
从基区扩散来的电
子作为集电结的少
子，漂移进入集电
n+
结而被收集
Vc
p
n
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
Ic Ib Icb0
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。
2）改善短波相应的措施 A、减小结深； B、选择适当掺杂剂和表面浓度； C、提高表面质量，通过钝化来降低表面复合速度。
3、暗电流 光电二极管的暗电流包括： 1）反向饱和电流：反偏时有少数载流子扩散引起的
2）势垒区产生—复合电流：势垒区存在复合中心Βιβλιοθήκη Baidu3）表面漏电流
4、响应时间 取决于：1）光生载流子扩散到结区的时间
• 半导体光电二极管 • 半导体光电三极管
第三节：光电二极管
优点： 量子效率高、噪声低、响应快、线性工作范围大、 耗电少、体积小、寿命长及使用方便。
结构： PN结型、PIN结型、雪崩型以及肖特基结型
制造材料：硅、锗、砷化镓、磷砷化镓等
一、光电二极管的原理及结构
原理：光电二极管一般工作在反向偏置状态
硅光电三极管的伏安特性曲线
2、响应时间： 取决于：1）光生载流子扩散到结区的时间；
2）势垒区中的漂移时间； 3）基区载流子渡越时间； 4）集电结、反射结结电容。
3、温度特性 集电结反向饱和电流Iceo与放大系数随温度最敏感， 温度升高时， Iceo变化远大于光电流的变化，放大系 数变化，线性范围漂移，严重时无法工作。 进行温度补偿十分必要
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
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
IL
I0
exp
qV kT
1
SE
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 E
关，而在入射光照度一定条件下，
增 大
输出电流恒定。
IL（μA） V
图6.2.4 光电二极管 的伏安特性曲线
2、光谱响应： 响应率随波长的变化曲线称为光谱响应曲线 长波：基区少子寿命和扩散长度 短波：受光表面载流子的复合速度和 表面区中的寿命
设计时应考虑 1）改善长波响应的措施
A、选用电阻率高的材料：增加基区少子的扩散长度； B、尽可能选取少子寿命长的材料，减少体内复合损失； C、加强退火处理，减少在高温热处理后，基区少子寿 命降低造成的损失。
一般情况下， Ib>> Icb0
Ic Ib Ip 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)
四、应用 光电探测，实现光电转换。 输出信号弱，需放大装置。
第四节 光电三极管
一、结构原理
光电三极管放 大的外部条件 发射结正偏 集电结反偏
从电位的角度看： npn Vc>Vb >Ve
SiO2
np n
c
e
b
c
c
e be
Vc
RL
硅光电三极管结构原理图及符号
集电结反偏， 光照产生光电流
基区空穴向 发射区的扩散可 忽略。
光电二极管和光电池的主要差别：用途不同
光电池：能量转化 光电二极管：探测
提高转化率 灵敏度、响应快、高量子效率
特性差异：1、响应范围要求不同； 2、响应时间不同 3、工作模式不同
结构差异
偏置方式 掺杂浓度 电阻率 受光面积 （cm3） （/cm）
光电池
零偏 1016-1019 0.1-0.01
大
光电二极管 反偏 1012-1013 1000
5、温度特性 温度增加，光电流增加，暗电流也增加，信噪比降低 信号检测时，应采取恒温或补偿措施。
三、工作模式 1、反偏（光电导模式）：一般工作于此模式 特点：1）反偏动态电阻大，负载可选择范围较大；
2）光电流小，不利于检测微弱信号。
2、零偏（光伏工作模式）： 负载电阻远小于动态电阻，接近短路 1）RL必须小，响应时间小，频率特性好； 2）输出信号无暗电流，适于弱光探测； 3）线性范围宽。
SiO2
np
Vb
RL
图6.2.1 硅光电二极管原理图
结构：与光电池相似 根据基底不同，分为2DU型和2CU型：
2DU型：P型基底上重掺杂N+型层 2CU型：N型基底上重掺杂P+型层
SiO2 n p
图6.2.2 硅光电二极管示意图及符号
环极结构
SiO2
表面漏
n
电流
p
前极 环极
n+
n
p
后极
图6.2.3 环极结构图
2）光生载流子在势垒区中的漂移时间 3）势垒电容引起的介电时间驰豫
减小PN结光电二极管的响应时间，可采取如下措施 1）减小PN结面积； 2）增加势垒区宽度，提高材料体电阻率和增加结深； 3）适当增加工作电压； 4）尽量减少结构造成的分布电容； 5）增加PN结深，减小串联电阻； 6）设计选用最佳负载阻值。
从基区扩散来的电
子作为集电结的少
子，漂移进入集电
n+
结而被收集
Vc
p
n
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
Ic Ib Icb0
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。
2）改善短波相应的措施 A、减小结深； B、选择适当掺杂剂和表面浓度； C、提高表面质量，通过钝化来降低表面复合速度。
3、暗电流 光电二极管的暗电流包括： 1）反向饱和电流：反偏时有少数载流子扩散引起的
2）势垒区产生—复合电流：势垒区存在复合中心Βιβλιοθήκη Baidu3）表面漏电流
4、响应时间 取决于：1）光生载流子扩散到结区的时间
• 半导体光电二极管 • 半导体光电三极管
第三节：光电二极管
优点： 量子效率高、噪声低、响应快、线性工作范围大、 耗电少、体积小、寿命长及使用方便。
结构： PN结型、PIN结型、雪崩型以及肖特基结型
制造材料：硅、锗、砷化镓、磷砷化镓等
一、光电二极管的原理及结构
原理：光电二极管一般工作在反向偏置状态
硅光电三极管的伏安特性曲线
2、响应时间： 取决于：1）光生载流子扩散到结区的时间；
2）势垒区中的漂移时间； 3）基区载流子渡越时间； 4）集电结、反射结结电容。
3、温度特性 集电结反向饱和电流Iceo与放大系数随温度最敏感， 温度升高时， Iceo变化远大于光电流的变化，放大系 数变化，线性范围漂移，严重时无法工作。 进行温度补偿十分必要
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
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
IL
I0
exp
qV kT
1
SE
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 E
关，而在入射光照度一定条件下，
增 大
输出电流恒定。
IL（μA） V
图6.2.4 光电二极管 的伏安特性曲线
2、光谱响应： 响应率随波长的变化曲线称为光谱响应曲线 长波：基区少子寿命和扩散长度 短波：受光表面载流子的复合速度和 表面区中的寿命
设计时应考虑 1）改善长波响应的措施
A、选用电阻率高的材料：增加基区少子的扩散长度； B、尽可能选取少子寿命长的材料，减少体内复合损失； C、加强退火处理，减少在高温热处理后，基区少子寿 命降低造成的损失。
一般情况下， Ib>> Icb0
Ic Ib Ip 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)
四、应用 光电探测，实现光电转换。 输出信号弱，需放大装置。
第四节 光电三极管
一、结构原理
光电三极管放 大的外部条件 发射结正偏 集电结反偏
从电位的角度看： npn Vc>Vb >Ve
SiO2
np n
c
e
b
c
c
e be
Vc
RL
硅光电三极管结构原理图及符号
集电结反偏， 光照产生光电流
基区空穴向 发射区的扩散可 忽略。
光电二极管和光电池的主要差别：用途不同
光电池：能量转化 光电二极管：探测
提高转化率 灵敏度、响应快、高量子效率
特性差异：1、响应范围要求不同； 2、响应时间不同 3、工作模式不同
结构差异
偏置方式 掺杂浓度 电阻率 受光面积 （cm3） （/cm）
光电池
零偏 1016-1019 0.1-0.01
大
光电二极管 反偏 1012-1013 1000
5、温度特性 温度增加，光电流增加，暗电流也增加，信噪比降低 信号检测时，应采取恒温或补偿措施。
三、工作模式 1、反偏（光电导模式）：一般工作于此模式 特点：1）反偏动态电阻大，负载可选择范围较大；
2）光电流小，不利于检测微弱信号。
2、零偏（光伏工作模式）： 负载电阻远小于动态电阻，接近短路 1）RL必须小，响应时间小，频率特性好； 2）输出信号无暗电流，适于弱光探测； 3）线性范围宽。
SiO2
np
Vb
RL
图6.2.1 硅光电二极管原理图
结构：与光电池相似 根据基底不同，分为2DU型和2CU型：
2DU型：P型基底上重掺杂N+型层 2CU型：N型基底上重掺杂P+型层
SiO2 n p
图6.2.2 硅光电二极管示意图及符号
环极结构
SiO2
表面漏
n
电流
p
前极 环极
n+
n
p
后极
图6.2.3 环极结构图
2）光生载流子在势垒区中的漂移时间 3）势垒电容引起的介电时间驰豫
减小PN结光电二极管的响应时间，可采取如下措施 1）减小PN结面积； 2）增加势垒区宽度，提高材料体电阻率和增加结深； 3）适当增加工作电压； 4）尽量减少结构造成的分布电容； 5）增加PN结深，减小串联电阻； 6）设计选用最佳负载阻值。