光电二极管

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光电流推导
简介
物理过程
一、扩散电流 连续性方程 由于电子和空穴的讨论是相同的，我们仅对空穴电流作分 析。稳态情况下，空穴满足连续性方程：
Dp d 2 p p G 0 dx2 p
光电流推导
这是一个二阶常系数非齐次线性微分方程。可以得到该方 程的通解为：
应用拓展 特性相关
p G p Ce
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光电流推导
简介
物理过程
光电流推导
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光照引起的产生率G 为了体现光照的影响，引入光照引起的产生率G。 实际上，产生率并不是一个定值，而是位置的函数。但是， 一方面，讨论产生率本身的变化十分复杂，另一方面，我们仅仅 是希望借助表达式的推导帮助我们去理解光电流，因此，对于产 生率可以作如下简化。 对于产生率G，假设其在整个器件中相同。 这个假设和实际情况是存在出入的，但是有助于我们对光电 流大小有简明的理解。
运用同样的方法可以得到电子扩散电流大小。
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光电流推导
简介
物理过程
二、势垒区产生电流 由于没有光照时势垒区内载流子数量极少，且无法从欧姆 接触处获得补充。因此在施加光照后，势垒区中载流子的复合 可以忽略，仅考虑载流子的产生。 由此可以得到势垒区的产生电流为
J g J gn J gp qGxd
2 qDn ni 2 qDp ni ) Ln N A Lp N D
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IL为光电流：
I L qAG( Ln xd Lp )
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光电流推导
简介
光电流表达式的物理含义
I L qAG( Ln xd Lp )
物理过程
光电流推导
从光电流的表达式可以看出，光电流可以等效为在二极管 耗尽区及其两侧一个少子扩散长度内光生载流子的贡献之和。
微电子器件 主题讨论 光电二极管
——第二小组
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简介
简介
物理过程
光电流推导
应用拓展 特性相关
光电二极管和普通二极管一样，是由一个PN结组成的半导 体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元 件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。 光电二极管多采用单晶硅和单晶锗作为基础材料，其中硅 光电二极管的应用更为广泛。 光电二极管中的PN结多为单边突变结。同时，结面积较大 ，这是为了增大光的吸收面积。
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应用拓展
简介
一、微型光电池 主要利用的是光生伏特效应。
物理过程
光电流推导
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示意图如上所示。 光照激发产生的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷 的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的 P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个 向外的可测试的电压。
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简介
简介
物理过程
光电二极管主要工作在反偏情况下。 无光照时，反向饱和电流很小。有光照射PN结时，流过PN结 的电流随着光照强度的增加而增加。 可见，光电二极管可以把光信号转化成电信号。
光电流推导
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物理过程
简介
概述
无光照时 在一定反向电压范围内，反向电流很小且处于饱和状态。在 光电二极管中称为暗电流。 有光照时 当有光照射PN结时，将会形成光注入，器件内将产生大量电 子空穴对，使流过PN结的电流随着光照强度的增加而增加。此时 的反向电流称为光电流。 需要注意的是，不同波长的光（如蓝光、红光、红外光）会 在光电二极管的不同区域被吸收形成光电流。 下面，我们将讨论不同波长的光照射PN结时器件中的物理过 程。
物理过程
光电流推导
空穴扩散电流 由空穴浓度分布可以得到空穴扩散电流为
J ( x) qDp dp qDp pn 0 [exp(qV / KT ) 1]exp( x / Lp ) qGLp exp( x / Lp ) dx Lp
应用拓展 特性相关
则耗尽区边界处的空穴扩散电流为
J (0) qDp pn 0 Lp [exp(qV / KT ) 1] qGLp
物理过程
光电流推导
应用拓展 特性相关
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特性相关
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二、材料与波长范围
物理过程
光电流推导
应用拓展 特性相关
对于常用的材料硅和锗，其制作的光电二极管工作波长范围 很宽。 由于硅光电二极管具有更大的能隙，因此它在应用过程中产 生的信号噪声比锗光电二极管小。
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特性相关
简介
三、伏安特性
物理过程
光电流推导
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物理过程
简介
波长较长的光（如红光）照射时
物理过程
光电流推导
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波长较长的光将透过P型中性区在耗尽区激发出大量电子空 穴对。 此时电子和空穴将分别被势垒区中的强电场拉往N区和P区。
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物理过程
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长波长光（如红外光）照射时
物理过程
光电流推导
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波长更长的光将透过P型中性区和耗尽区被N型中性区吸收。 此时，该区域会产生大量的电子-空穴对。 多子电子将会漂移至器件表面的电极处。 激发产生的少子空穴由扩散运动运动至势垒区边界处。由于 反偏时势垒区中存在很强的电场，电子将很快被势垒区中强大的 电场拉至P区。
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物理过程
简介
短波长光（如蓝光）照射时
物理过程
光电流推导
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短波长的光主要被P型扩散层表面（P型中性区）被吸收。此 时，该区域会产生大量的电子-空穴对。 多子空穴将会漂移至器件表面的电极处。 激发产生的少子电子由扩散运动运动至势垒区边界处。由于 反偏时势垒区中存在很强的电场，电子将很快被势垒区中强大的 电场拉至N区。
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应用拓展
简介
物理过程
光电流推导
二、光电耦合器 光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转 换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器 组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。 常见的发光源为发光二极管，而光电二极管则可以作为受 光器。
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（没找到合适的受光器为光电二极管的电路图，上图中是 三极管，但原理是一样的）
物理过程
光电流推导
应用拓展 特性相关
光电二极管在负载电阻较小时，入射光功率与光电流之间呈 现出较好的线性关系。
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特性相关
简介
物理过程
光电流推导
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五、光电二极管的具体参数 下面列出了光电二极管一些参数比较有代表性的值。 1、反向工作电压 无光照时，光电二极管中反向电流约为0.2至0.3A时，最大 反向电压一般不大于10V，最大可以达到50V。 2、暗电流 通常50V反压下暗电流小于100nA。 3、光电流 一般可以达到几十A，与照度呈线性关系。 4、光谱相应特性 硅光电二极管的光谱范围为400至1100nm，其峰值波长为 880至900nm。恰好与砷化镓发光二极管波长相匹配，可以获得 很高的传输效率（光电耦合）。
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应用拓展
简介
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光电流推导
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光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放 大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长 的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出 。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的 作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向 性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。 光电耦合器的应用十分广泛。例如，可以用来连接高频和低 频电路，起到隔离作用，阻绝频率的不同对其他电路可能造成的 影响。
谢谢大家！
4/24/2016
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物理过程
简介
物理过程
光照时总的光电流 通过以上对物理过程的讨论可知，实际光电二极管在接受光 照时产生的光电流是以上三种电流之和。
光电流推导
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对光电流的讨论方法 对于P+N结而言，对光电流的讨论可以着眼于少子的扩散电 流和势垒区的产生电流，方法与普通PN结类似。需要考虑的是光 照带来的额外的产生率。
光电流推导
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同时，对于远离耗尽区边界处，存在由于产生率引起的非 平衡载流子浓度变化，有
p G p
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光电流推导
简介
空穴浓度分布 带入边界条件可以得到空穴浓度分布
p pn ( x) P p { pn0[exp(qV / KT ) 1] G p }exp(x / Lp ) n0 G
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特性相关
简介
一、部分主要性能参数 响应率 响应度是光生电流与产生该事件光功率的比。工作于光导 模式时的典型表达为A/W。响应度也常用量子效率表示，即光生 载流子与引起事件光子的比。 暗电流 在光电导模式下，当不接受光照时，通过光电二极管的电 流被定义为暗电流。当光电二极管被用作精密的光功率测量时 ，暗电流产生的误差必须认真考虑并加以校正。 等效噪声功率 等效噪声功率是指能够产生光电流所需的最小光功率，与1 赫兹时的噪声功率均方根值相等。等效噪声功率大约等于光电 二极管的最小可探测输入功率。
光电流推导
上式中，Xd为势垒区宽度。
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简介
物理过程
总电流 电子与空穴的扩散电流与势垒区的产生电流之和即为通过 PN结的总电流大小。如下所示。
I I n I p I g IO [exp(qV / KT ) 1] I L
光电流推导
I。为反向饱和电流：
I O A(
物理过程
光电流推导
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物理过程
简介
详细讨论
光电二极管中的PN结为单边突变结。我们的讨论均以P+N结 为例。光电二极管一般工作在外加反向电压的情况下，因此讨论 仅限于外加反向电压时PN结中的电流情况。
物理过程
光电流推导
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无光照时 无光照时，在电压足够大的情况下，反向电流会趋于饱和。 这是因为此时由本征激发所产生的电子-空穴对数目十分有限， 反向电流几乎不变且很小。
x / Lp
De
x / Lp
其中C和D为待定系数。由此需要确定方程的边界条件。
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简介
物理过程
边界条件 对于x=0（势垒区边界）处，反向偏压下，由于耗尽区的强 电场，光注入的非平衡载流子会很快消散，认为在势垒区边界 仍然符合未加光照时的结定律
p pn 0 [exp( qV ) 1] kT
在低反向偏压时，光电二极管对电压变化非常敏感。这是反 向偏压使得耗尽层展宽、结电场增强所致，这使得对光生载流子 的收集效率增加。 当反向电压进一步增加，光生载流子的收集几乎达到极限， 则光电流趋于饱和。此时光电流与外加反向偏压几乎无关而仅取 决于入射光的功率。
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特性相关
简介
四、入射光功率与电流的关系