光电二极管

输 出 光 I电0 流
光电流
暗电 流
0
反 向 偏U压
UB
雪崩光电二极管的电流增益用倍增系数或雪崩增益M表
示，它定义为:
M i i0
i为输出电流，i0为倍增前的电流.
倍增系数M与PN结所 加的反向偏压有关。
一般在100～200V。也 有的管子工作电压更高。
雪崩光电二极管特点:
•雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率 响应快，带宽可达100GHz。是目前响应最快的一种 光敏二极管。它在微弱辐射信号的探测方向被广泛 地应用。 •在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光 敏区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必 须保持更高的工艺和保证结面的平整。 •其缺点是工艺要求高，受温度影响大。
PN结
PIN结
PIN光电二极管的特点
频带宽（可达10GHz） 灵敏度高 线性输出范围宽 噪声低
PIN硅光电二极管特点：
频带宽，可达10GHz。另一个特点是线性输出范围宽。 由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压 会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使 频带宽度变宽。 不足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零 点几微安至数微安。
PN管结构
P-Si I-Si N-Si
PIN管结构
2、 PIN光电二极管原理
PIN管的结构：在P型半导体和N型半导体之间夹着一 层本征半导体。因为本征层相对于P区和N区是高阻区 这样，PN结的内电场就基本上全集中于 I 层中。
P-Si I-Si N-Si
PIN管结构示意图
PIN光电二极管原理
I层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内 部被充分吸收而产生大量电子 - 空穴对，因而大幅度 提高了光电转换效率，从而使灵敏度得以提高。两侧 P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占 据整个耗尽层， 因而光生电流中漂移分量占支配地 位，从而大大提高了响应速度。
雪崩光电二极管(APD)
高速运动的电子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子电离，
产生新的电子 - 空穴对。新产生的二次电子再次和原
子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子
雪崩式倍增。所以这种器ຫໍສະໝຸດ Baidu就称为雪崩光电二极管
(APD)。
P
P(N)
N
光
－
＋
I0
APD
光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系
雪崩光电二极管输出电流I和反偏压U的关系示于图。 随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。当 反向偏压增加到一定数值时，光电流急剧增加，最后 器件被击穿，这个电压称为击穿电压UB。
光电二极管在较小负载电阻下，入射光功率与 光电流之间呈现较好的线性关系。图示出了在 一定的负偏压下，光电二极管光电流输出特性。
（3）频率响应特性
光电二极管的频率特性响应主要由三个因素决定： (a)光生载流子在耗尽层附近的扩散时间； (b)光生载流子在耗尽层内的漂移时间； (c)与负载电阻RL并联的结电容Ci所决定的电路时间常数。
频率特性优于光电导探 测器,适宜于快速变化的 光信号探测。
某些光敏二极管的特性参数
2、 PIN光电二极管原理
由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被 中性区吸收， 因而光电转换效率低，响应速度慢。 为改善器件的特性，在PN结中间设置一层本征半导 体(称为I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管。
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光敏二极管
光敏二极管的反向偏置接线及
光照
光照特性示意图
•在 没 有 光 照 时 ，
由于二极管反向偏
RL
置，反向电流（暗
电流）很小。
光敏二极 管的反向 偏置接法
当光照增加 时，光电流IΦ与光 照度成正比关系。
光敏二极管外形
包含1024个InGaAs元件 的线性光电二极管阵列，可用 于分光镜。
硅光电二极管的特性
因此硅光电二极管得到广泛应用
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硅光电二极管的结构
硅光电二极管的两种典型结构，其中(a)是采用N型单晶 硅和扩散工艺，称为p＋n结构。它的型号是2CU型。而 (b)是采用P型单晶和磷扩散工艺，称n＋p结构。它的型 号为2DU型。
2CU型
2DU型
p+n结构硅光电二极管(2CU)
反向电压偏置
5
硅光电二极管的封装
1.光谱特性 2.伏安特性 3.频率特性 4.温度特性
（1）光谱响应特性
通常将其峰值响应波长的电流灵敏度作为光电 二极管的电流灵敏度。硅光电二极管的电流响 应率通常在0.4~05A/W
Si光电二极管光谱响 应范围：0.4~1.1m 峰值响应波长约为 0.9 m
（2）伏安特性
由图可见，在低反压下电 流随光电压变化非常敏感。 这是由于反向偏压增加使 耗尽层加宽、结电场增强， 它对于结区光的吸收率及 光生裁流子的收集效率影 响很大。当反向偏压进一 步增加时，光生载流子的 收集已达极限，光电流就 趋于饱和。这时，光电流 与外加反向偏压几乎无关， 而仅取决于入射光功率。
APD光电二极管性能
2020/4/26
雪崩光电二极管是具有内增益的一种光伏器件。它利 用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应， 以获得光电流的增益。在雪崩过程中，光生载流子在 强电场的作用下高速定向运动，具有很高动能的光生 电子或空穴与晶格原子碰撞，使晶格原子电离产生二 次电子－空穴对；二次电子和空穴对在电场的作用下 获得足够的动能，又使晶格原子电离产生新的电子－ 空穴对，此过程像“雪崩”似地继续下去。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。
电 流
照度
PIN光电二极管性能
3、雪崩光电二极管（APD）
PIN型光电二极管提高了PN结光电二极管的时间响应， 但对器件的灵敏度没有多少改善。为了提高光电二极 管的灵敏度，人们设计了雪崩光电二极管，使光电二 极管的光电灵敏度提高到需要的程度。
雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪 崩效应来工作的一种二极管。
P-Si I-Si N-Si
I层所起的作用:
本征层的引入，明显增大了p+区的耗尽层的厚度，这 有利于缩短载流子的扩散过程。耗尽层的加宽，也可 以明显减少结电容Cj,从尔使电路常数减小。同时耗尽 加宽还有利于对长波区的吸收。
性能良好的PIN光电二极管，扩散和漂移时间一般在1010 s数量级，频率响应在千兆赫兹。实际应用中决定光 电二极管的频率响应的主要因素是电路的时间常数。 合理选择负载电阻是一个很重要的问题。
定义：
以光导模式工作的结型光伏探测器称为光电二极管
种类：
PN 结型光电二极管（也称PD） PIN 结型光电二极管 雪崩光电二极管（记为APD） 肖特基势垒光电二极管 光电三极管 ……
• 制造一般光电二极管的材料几乎 全部选用硅或锗的单晶材料。
• 由于硅器件较之锗器件暗电流温 度系数小得多
• 制作硅器件采用平面工艺使其管 芯很容易精确控制