光电二极管的特性及原理

光电二极管
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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
……
定义：
•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
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
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硅光电二极管的封装
光敏二极管
光敏二极管的反向偏置接线及
光照特性示意图
•在没有光照时，
由于二极管反向偏
置，反向电流（暗
电流）很小。

当光照增加
时，光电流I Φ与
光照度成正比关
系。

光敏光敏二极二极管的反向
偏置接法
R L 光照
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
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0.4~05µA/µW
Si光电二极管光谱响
应范围：0.4~1.1µm
峰值响应波长约为
0.9 µm
（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。

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R L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。

P-Si
I-Si
N-Si
PN管结构
PIN管结构
PIN 管结构示意图
PIN PIN管的结构：在管的结构：在管的结构：在P P 型半导体和型半导体和N
N 型半导体之间夹着一层本征半导体。

层本征半导体。

因为本征层相对于
因为本征层相对于P 区和N 区是高阻区这样，这样，PN PN PN结的内电场就基本上全集中于结的内电场就基本上全集中于结的内电场就基本上全集中于 I I 层中。

层中。

P-Si
N-Si
I-Si
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。

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C j,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10-10 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。

PN结PIN结
� 频带宽（可达频带宽（可达10GHz 10GHz 10GHz）
）� 灵敏度高� 线性输出范围宽� 噪声低PIN 光电二极管的特点
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。

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。

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。

APD 载流子雪崩式倍增示意图
+-I 0
N
P P(N)
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。

所以这种器件就称为雪崩光电二极管(APD)。

� 雪崩光电二极管(APD )
U
I 0
0U B
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U B 。

光电二极管输出电流I 和反向偏压U 的关系
雪崩光电二极管的电流增益用倍增系数或雪崩增益M表示，它定义为:
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。

0 i i
M=
i为输出电流，i0为倍增前的电流.
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。

APD光电二极管性能。