光电二极管的应用

APD二极管 二极管
激光通信中使用的光敏 元件。在以硅或锗为材 料制成的光电二极管的 反向偏压后， P-N结上加上反向偏压 反向偏压 射入的光被P-N结吸收后 会形成光电流。加大反 向偏压会产生“雪崩” （即光电流成倍地激增） 光电流成倍地激增） 光电流成倍地激增 的现象，因此这种二极 的现象 管被称为“雪崩光电二 极管”。
光电二极管基本特性
普通二极管在正向 电压大于0.7V的情 况下，而光电二极 管则必须工作在 07V以下（如图中 的所示的第3和第4 象限），否则，不 会产生光电效应
PIN二极管 二极管
普通的二极管由PN结组成.在P 和N半导体材料之间加入一薄层 低掺杂的本征(Intrinsic)半导体 层,组成的这种P-I-N结构的二极 管就是PIN 二极管.正因为有本 征(Intrinsic)层的存在，PIN 二极 管应用很广泛，从低频到高频 的应用都有，主要用在RF领域， 用作RF 开关和RF保护电路，也 有用作光电二极管(PhotoDiode)。
APD二极管的工作机理 二极管的工作机理
在高 电场区，由于入射光产生的空穴-电子对在高电场作用下 高速运动。由于其速度很快而具有很大的功能，所以在运动 过程中会 出现“碰撞电离”现象，通过“碰撞电离”可以产 生新的、几个或几十个二次空穴-电子对在高电场区又可以通 过“碰撞电离”效应产生三次、四次空电子对。这样一来， 由入射产生的一个首次空穴-电子对，可能会产生几十个或几 百个新的空电子对，即所谓“倍增”效应
发光区域？
LED的发光机理 的发光机理
PN结未加电压时构成一定的势垒
LED的发光机理 的发光机理
当加正向偏置时，势 垒下降，p区和n区的 多数载流子向对方扩 散。由于电子迁移率 比空穴迁移率快得多， 出现大量电子向p区扩 散，构成了对p区少数 载流子的注入。这些 电子与价带上的空穴 复合，复合时得到的 能量以光能的形式释 放。
PIN光电二极管的工作原理 光电二极管的工作原理
PIN二极管加正，势垒高度降低，则电子和空穴分别从两边大 量注入本征的I型层。这时可以认为I型层中的电子浓度和空穴 浓度相等，并且均匀分布。注入的电子和空穴将在I层发生复 合，载流子复合越快，形成的电流就越大。
PIN结的应用 结的应用
当二极管正偏时，即接通（短路） 当二极管0偏或者反偏时，即可把pin结作为 一个容器或者开路
APD二极管的工作机理 二极管的工作机理
光生载流子 ─ 空穴电子对在APD光二极管 内部高电场作用下高速运动，在运动过程 中通过碰撞电离效应，产生数量是首次空 穴电子对几十倍的二次、三次新空穴电子 对，从而形成很大的光信号电流。
APD二极管的工作机理 二极管的工作机理
近似本征型材 料
当外加高反向偏压时（如100伏以上），耗尽层 会穿过P区而进入π区，从而在APD光二极管内部 会形成二个电场区：高电场区与漂移区。
设计PIN二极管时需主要考虑几个参数 设计 二极管时需主要考虑几个参数
1. 插入损耗：开关在导通时衰减不为零，称为插入损耗 2. 隔离度：开关在断开时其衰减也非无穷大，称为隔离度 3. 开关时间： 由于电荷的存储效应，PIN管的通断和断通都 需要一个过程，这个过程所需时间 4. 承受功率： 在给定的工作条件下，微波开关能够承受的最 大输入功率 5. 电压驻波系数： 仅反映端口输入，输出匹配情况 6. 视频泄漏 7. 谐波： PIN二极管也具有非线性，因而会产生谐波， PIN 开 关在宽带应用场合，谐波可能落在使用频带内引起干扰. 开 关分类：反射式和吸收式， 吸收式开关的性能较反射式开 关优良
APD二极管的应用 二极管的应用
APD主要用于激光测距机和长距离光纤通信，此外 也开始被用于正电子断层摄影和粒子物理等领域 。 APD阵列也已被商业化。 APD的用途取决于许多性能指标 的用途取决于许多性能指标 主要的几个性能指标为量子效率（表示APD吸收入 射光子并产生原始载流子的效率）和总漏电流（为 暗电流、光电流与噪声之和）。暗电噪声包括串联 和并联噪声，其中串联噪声为霰弹噪声，它大致正 比于APD的电容，而并联噪声则与APD的体暗电流和 表面暗电流的波动有关。此外，还存在用噪声系数F 表示的超额噪声，它是随机的APD倍增过程中所固 有的统计噪声。
光伏发电照明系统
混合系统
混合系统将很多电力产品和储能元件结合起来，以此来满足能量需求。 混合系统将很多电力产品和储能元件结合起来，以此来满足能量需求。 例如，将并网系统与备份电池相连。这样系统虽然复杂昂贵， 例如，将并网系统与备份电池相连。这样系统虽然复杂昂贵，但是可 靠性提高， 靠性提高，尤其是连接到公共网的时候
LED的发光机理 的发光机理
发光的波长或频率取决于选用的半导体材料的 能隙Eg， Eg的单位为电子伏(eV) Eg=hv/q=hc/(λq) λ =hc/(qEg)=1240/Eg (nm) 磷砷化镓二极管发红光 磷砷化镓 磷化镓二极管发绿光 磷化镓 碳化硅二极管发黄光 碳化硅
光电二极管
光电二极管是一种光电变换器件 光电变换器件，其基本原理是 光电变换器件 光照到PN结上时，吸收光能转变为电能。它有两 种工作状态：
PIN光电二极管 PIN开关二极管
PIN结二极管的基本结构 结二极管的基本结构
对于Si-pin二极管，其中I 型层得载流子浓度很低低 、电阻率 很高（约 数量级），厚度W一般比较厚 ， 耗尽层 几乎占据整个PN结，从而使光子在零电场区被吸收的可能性很小，而在耗 尽层被充分吸收，故PIN光电二极管又称耗尽层光电二极管 耗尽层光电二极管，这是它比一般 耗尽层光电二极管 光电二极管的优越之处。为抑制噪声i层两边的 p 型半导体和 n 型半导体的 掺杂浓度通常很高（即为重掺杂）
PIN光电二极管的工作原理 光电二极管的工作原理
hv
PIN二极管加反向电压 反向电压时，则外加电场和内部电场区内的电场 反向电压 方向相同。当有光照射二极管时，并且比外加光子能量大于 禁带宽度Eg，那么价带上的电子就会吸收光子能量跃迁到导 带上，从而形成电子-空穴对。在耗尽层即本征层内的电子空 穴对，在强电场的作用下，电子向N区漂移，空穴向P区漂移， 从而形成光电流。光功率变化时，光电流也随之线性变化， 从而光信号变成电信号
光伏发电照明系统
独立系统
常见于居民区路灯、停车场标志灯和电网公共照明系统， 常见于居民区路灯、停车场标志灯和电网公共照明系统，它们通常需要 电池， 电池，所以有很高的存储修复损耗和维护费用
光伏发电照明系统
并网系统
并网系统不需要电池，但是它们要连接到电网上，并且当从光伏矩阵板中 并网系统不需要电池，但是它们要连接到电网上， 采集的太阳能不能满足装置需求时，系统将会从电网吸取电能。在并网系 采集的太阳能不能满足装置需求时，系统将会从电网吸取电能。 统中，为了将光伏矩阵板中输入能量和公共网中输入能量混合，我们需要 统中，为了将光伏矩阵板中输入能量和公共网中输入能量混合， 直流负载还是交流负载，是需要动力单元还是交流负荷中心，这些都取决 直流负载还是交流负载，是需要动力单元还是交流负荷中心， 于负载的种类。最好的情况是，当光伏矩阵板发出的能量超过需求时，一 于负载的种类。最好的情况是，当光伏矩阵板发出的能量超过需求时， 些并网系统能够将能量反馈到电网。 些并网系统能够将能量反馈到电网。
APD二极管的工作机理 二极管的工作机理
在漂移区，虽然不具有像高电场区那样的高电 场，但对于维持一定的载流子速度来讲，该电 场是足够的。 于是，由入射光产生的首次空穴-电子对以及 在内部高电场区通过“碰撞电离”产生的二次、 三次空穴-电子对，通过漂移区形成光电流。 APD光电二极管的“倍增”效应，能使在同样 大小光的作用下产生比 PIN光电二极管大几十 倍甚至几百倍的光电流，相当于起了一种光放 大作用（实际上不是真正的光放大），因此能 大大提高光接收机得灵敏度
光电池
是一种不需要加偏压的，能把光能直接转换 成电能的PN结的光电器件 按光电池的用途可分为两大类：
太阳能光电池
测量光电池
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太阳能电池的发电原理
太阳能电池的发电原理
光伏效应
指光照使不均匀半导体或半导体与金属 组合的不同部位之间产生电位差的现象。 产生这种电位差的机理有好几种，主 要的一种是由于阻挡层的存在。以下 以P-N结为例说明。 制作P-N结的材料，可以是同一种半导体 （同质结），也可以是由两种不同的半导 体材料或金属与半导体的结合（异质结）。 “结合”指一个单晶体内部根据杂质的种 类和含量的不同而形成的接触区域，严格 来说是指其中的过渡区。
①当光电二极管上加有反向电压时，管子中的反向 电流将随光照强度的改变而改变，光照强度越大， 反向电流越大，大多数情况都工作在这种状态。 ②光电二极管上不加电压，利用PN结在受光照射时 产生正向电压的原理，把它用作微型光电池。这种 工作状态一般作光电检测器。 光电二极管有4种类型 种类型： 结型(也称 光电二极管有 种类型：即PN结型 也称 、PIN结 结型 也称PD)、 结 型、雪崩型和肖特基结型。用得最多的是用硅材料 雪崩型和肖特基结型。 制成的PN结型 它的价格也最便宜。 结型， 制成的 结型，它的价格也最便宜。其他几种响应 速度高， 速度高，主要用于光纤通信及计算机信息传输
光电二极管及其应用
郑惠芬 2011年4月13日
LED的发光机理 的发光机理
发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物， 如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化 镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半 导体制成的，其核心是PN结。 结 在正向电压下，电子由N区注入 P区，空穴由P区注入N区。进入 对方区域的少数载流子（少子） 一部分与多数载流子（多子） 复合而发光