光电二极管PPT课件

1、本讲主要内容本讲主要内容三、特性参量三、特性参量五、五、APD管管四、四、PIN管管一、基本结构一、基本结构二、工作原理二、工作原理 当光照当光照PN结，并在半导体加有反向电压时，结，并在半导体加有反向电压时，产生的反向电流将随产生的反向电流将随光照强度光照强度和和光波长的改变光波长的改变而而改变，这种半导体器件叫改变，这种半导体器件叫光电二极管光电二极管。 这一转变过程是这一转变过程是光信号光信号变成变成电信号电信号，也是一个，也是一个吸收吸收过程。过程。 硅硅光电二极管是最简单、使用最广泛、最具有代表性的光电二极管是最简单、使用最广泛、最具有代表性的光伏效应的光半光伏效应的光半导体器件。导

2、体器件。一、基本结构一、基本结构361 1、基本概念、基本概念2DU型型-以以P型硅为衬底的光电二极管型硅为衬底的光电二极管2CU型型-以以N型硅为衬底的光电二极管型硅为衬底的光电二极管一、基本结构一、基本结构352 2、结构类型、结构类型a) 2DU型光电二极管结构型光电二极管结构 或或 光输入光输入 - - + U R 输出输出 b) 光电二极管符号光电二极管符号c) 光电特性测量电路光电特性测量电路 2CU系列光电二极管只有系列光电二极管只有两个引出线两个引出线； 2DU系列光电二极管有系列光电二极管有三条引出线三条引出线，除了前极、后极外，还，除了前极、后极外，还设了一个设了一个环极环

3、极（其目的：（其目的：减少暗电流和噪声减少暗电流和噪声）一、基本结构一、基本结构342 2、结构类型、结构类型受光面一般都涂有受光面一般都涂有SiO2防反射膜（少量的钠、钾、氢等正离子）。防反射膜（少量的钠、钾、氢等正离子）。使使P-Si表面产生一个表面产生一个感应电子层感应电子层，从而使，从而使P-Si表面与表面与NSi连通起来。连通起来。 当加反偏压时，从前极流出的暗电子流，有通过表面感应电子层产当加反偏压时，从前极流出的暗电子流，有通过表面感应电子层产生的漏电子流，从而使从前极流出的生的漏电子流，从而使从前极流出的暗电子流增大暗电子流增大。 二、工作原理二、工作原理331 1、感应电子层

4、、感应电子层2CU管子，因为是以管子，因为是以N-Si为衬底，虽然受光面的为衬底，虽然受光面的SiO2防反射膜中也含防反射膜中也含有少量的正离子，而它的静电感应不会使有少量的正离子，而它的静电感应不会使N-Si表面产生一个和表面产生一个和P-Si导导电类型相同的电类型相同的导电层导电层，从而也就不可能出现表面漏电流，所以不需要，从而也就不可能出现表面漏电流，所以不需要加环极。加环极。 二、工作原理二、工作原理321 1、感应电子层、感应电子层一种是不加外电压，直接与负载相接；另一种是加反向电压一种是不加外电压，直接与负载相接；另一种是加反向电压 不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二极管一

5、样，只不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二极管一样，只有单向导电性，而表现不出它的光电效应。有单向导电性，而表现不出它的光电效应。 二、工作原理二、工作原理a) 不加外电源不加外电源 b) 加反向外电源加反向外电源 c) 2DU环极接法环极接法312 2、等效电路、等效电路 为什么一般为什么一般加反偏压？加反偏压？ 图图a为实际电路；为实际电路； 图图b为考虑为考虑结构结构、功能功能后的后的微变等效电路；微变等效电路； 图图c是图是图b的简化。正常运用的简化。正常运用时，加反向电压，时，加反向电压，Rsh很大很大，Rs很很小小，V、Rsh、Rs都可以不计；都可以不计；二、工作原理二、工作

6、原理3 3、微变等效电路、微变等效电路Ip：光电流，：光电流，V：理想二极管，：理想二极管，Cf：结电容，：结电容，Rsh：漏电阻，漏电阻，Rs：体电阻，：体电阻，RL：负载电阻：负载电阻30 图图d是图是图c的简化，因为的简化，因为Cf很很小小，除了高频情况要考虑它的分，除了高频情况要考虑它的分流作用外，在低频情况下，它的流作用外，在低频情况下，它的阻抗很大，可不计。阻抗很大，可不计。 一般采用一般采用图图d和和图图c两种形式。两种形式。Ip：光电流，：光电流，V：理想二极管，：理想二极管，Cf：结电容，：结电容，Rsh：漏电阻，漏电阻，Rs：体电阻，：体电阻，RL：负载电阻：负载电阻二、工

7、作原理二、工作原理293 3、微变等效电路、微变等效电路二、工作原理二、工作原理无辐射无辐射时，电流方程为时，电流方程为 1kTeUDeIIID为为U为负值（反向偏置时）且为负值（反向偏置时）且 时时(室温下室温下kT/e0.26mV，很容易满足这，很容易满足这个条件个条件)的电流，称为反向电流或暗电流。的电流，称为反向电流或暗电流。 UekT4 4、电流方程、电流方程28二、工作原理二、工作原理光辐射光辐射时，光电二极管的全电流方程为：时，光电二极管的全电流方程为： ：光电材料的光电转换效率，：光电材料的光电转换效率， ：材料对光的吸收系数。材料对光的吸收系数。 274 4、电流方程、电流方

8、程kTeUDedeIehceI/,11 光电二极管的工作区域：光电二极管的工作区域：第第3象限象限与与第第4象限象限26三、特性参量三、特性参量1 1、光电特性（光电灵敏度）、光电特性（光电灵敏度）定义为定义为输出电流输出电流与入射到光敏面上与入射到光敏面上辐射通量辐射通量之比之比 。照度(lx) 与材料对光的吸收系数与材料对光的吸收系数a、入射光辐射波长、入射光辐射波长等有关系。通常将其峰值波长的电流灵敏度作等有关系。通常将其峰值波长的电流灵敏度作为光电二极管的电流灵敏度。为光电二极管的电流灵敏度。adiehcqddIS125三、特性参量三、特性参量 在无光照的条件下，给硅光电二极管加电压，

9、在无光照的条件下，给硅光电二极管加电压，电流电流-电压（伏电压（伏-安）特性，如图中曲线安）特性，如图中曲线G1。受到。受到光的照射事曲线光的照射事曲线G1会向曲线会向曲线G2的方向移动，光再变强的方向移动，光再变强向曲线向曲线G3平行移动。平行移动。2 2、伏安特性、伏安特性24三、特性参量三、特性参量 在低反向偏压下光电流随反向偏在低反向偏压下光电流随反向偏压的变化较为明显；当进一步增加压的变化较为明显；当进一步增加反向偏压时，光电流趋于饱和。这反向偏压时，光电流趋于饱和。这时光电流仅决定入射光的功率，而时光电流仅决定入射光的功率，而几乎与反向偏压无关。几乎与反向偏压无关。2 2、伏安特性

10、、伏安特性23三、特性参量三、特性参量3 3、暗电流、暗电流 在无光照射时的暗电流就是二极管的反向在无光照射时的暗电流就是二极管的反向饱和光电流饱和光电流I0，暗电流对温度变化非常敏感。暗电流对温度变化非常敏感。温度温度 (）暗电流与所加暗电流与所加偏压偏压有关。有关。 在环境温度变化较大的情况下，为了使电路能稳定工作，必须把在环境温度变化较大的情况下，为了使电路能稳定工作，必须把暗电流暗电流对输出特性的影响减到对输出特性的影响减到最小最小。22三、特性参量三、特性参量4 4、光谱响应、光谱响应 以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光电二极管时，其响应程以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光电

11、二极管时，其响应程度或电流灵敏度与波长的关系称为光电二极管的光谱响应。度或电流灵敏度与波长的关系称为光电二极管的光谱响应。 典型硅光电二极管光谱响应长波限典型硅光电二极管光谱响应长波限为为1.1m左右，短波限接近左右，短波限接近0.4m，峰值，峰值响应波长为响应波长为0.9m左右。左右。 21三、特性参量三、特性参量5 5、时间特性、时间特性( (频率响频率响应应) )响应速度响应速度-时间特性常用时间特性常用上升时间上升时间或或截止频率截止频率来表示。来表示。 上升时间：输出信号的波形前沿幅度的上升时间：输出信号的波形前沿幅度的10%与与90%的两点的两点时间间隔时间间隔，用，用tr表示。表

12、示。(1)极间电容极间电容Ct和负载电阻和负载电阻RL的时间常数的时间常数t1Ct：封装电容和光电二极管结电容：封装电容和光电二极管结电容Cj之之和和，RL：负载电阻：负载电阻t1=2.2CtRL 20三、特性参量三、特性参量(3)载流子通过耗尽层时间载流子通过耗尽层时间t3 (2)耗尽层外生成的载流子的扩散时间耗尽层外生成的载流子的扩散时间t2 入射光从受光部分开始到比外部边缘和耗尽层更深的基板处被吸收。入射光从受光部分开始到比外部边缘和耗尽层更深的基板处被吸收。这种载流子即使扩散的话，时间也有这种载流子即使扩散的话，时间也有几微秒几微秒(s)以上。以上。 载流子在耗尽层中移动速度载流子在耗

13、尽层中移动速度Vd是用载流子的移动速度是用载流子的移动速度()和耗尽层中的和耗尽层中的电场电场(E)决定的（决定的（Vd=E），因平均电场，因平均电场E=VR/d，则，则t3可近似表示：可近似表示：t3=d / Vd=d 2/ (VR) 5 5 时间特性时间特性( (频率响应频率响应) )19三、特性参量三、特性参量1 1、原理与结构、原理与结构 为了提高为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，消除在结硅光电二极管的时间响应，消除在PN结外光生载流子结外光生载流子的扩散运动时间，常采用在的扩散运动时间，常采用在P区与区与N区之间生成区之间生成没有杂质没有杂质的本征层的本征层(I型层型层)。 四、

14、四、 PIN光电二极管光电二极管18结构图结构图外形图外形图 特点：特点：(1) 时间响应快时间响应快(2) 光谱响应向长波方向移动光谱响应向长波方向移动 (3) 输出线性范围宽。输出线性范围宽。不足：不足：I层较厚，电阻大，输出电流较小。层较厚，电阻大，输出电流较小。四、四、 PIN光电二极管光电二极管电场分布电场分布雪崩区雪崩区光吸收区光吸收区171 1、原理与结构、原理与结构四、四、 PIN光电二极管光电二极管161 1、原理与结构、原理与结构2 2、基本特性、基本特性(1)结电容结电容与与激发面积激发面积和和反向偏压反向偏压有关。有关。反向偏压反向偏压VR(V)四、四、 PIN光电二极

15、管光电二极管15(2)电流电流-电压特性电压特性(伏安特性伏安特性)E0无光照条件下，无光照条件下，E1有光照射下，有光照射下，E2是增加光强的曲线是增加光强的曲线2 2、基本特性、基本特性四、四、 PIN光电二极管光电二极管14下限由下限由噪声噪声决定，上限由感光面电极的决定，上限由感光面电极的结构结构决定。决定。(3)线性线性 为了使上限延伸，可通过为了使上限延伸，可通过增加反向偏压增加反向偏压来实现。来实现。入射光辐射通量入射光辐射通量(mw)GaAs PIN光电二极管的线性光电二极管的线性入射光辐射通量入射光辐射通量(mw)InGaAS PIN光电二极管不同激活面积的线性曲线光电二极管

16、不同激活面积的线性曲线2 2、基本特性、基本特性四、四、 PIN光电二极管光电二极管13 响应特性通常用上升时间或截止频率来表示，上升时间是指输出信号响应特性通常用上升时间或截止频率来表示，上升时间是指输出信号峰值从峰值从10%到到90%的建立时间的建立时间： tr=2.2Ct(RL+RS)(4)响应特性响应特性 Ct：封装电容和结电容：封装电容和结电容Cj之之和；之之和；RL：负载电阻；：负载电阻；RS：串联阻抗串联阻抗 通常通常RL RS，RS可以忽略不计。为了减小上升时间，则可以忽略不计。为了减小上升时间，则Ct、RL值要求值要求很小是非常必要的。很小是非常必要的。2 2、基本特性、基本

17、特性四、四、 PIN光电二极管光电二极管上升时间和截止频率的关系：上升时间和截止频率的关系：cft35.0r12 在硅（或锗）光电二极管在硅（或锗）光电二极管PN结上加反向偏压后，射入光被结上加反向偏压后，射入光被PN结吸收形结吸收形成光电流。当加大反向偏压时会产生成光电流。当加大反向偏压时会产生“雪崩雪崩”（即（即光电流成倍地激增光电流成倍地激增）的）的现象现象-称为称为“雪崩光电二极管雪崩光电二极管”。 具有三高（具有三高（响应度响应度、信噪比信噪比、响应速度响应速度）等特）等特点，广泛应用于点，广泛应用于微光微光信号检测、信号检测、长距离长距离光纤通信、光纤通信、激光激光测距测距、激光、

18、激光制导制导等光电信息传输和光电对抗系等光电信息传输和光电对抗系统。统。五五 、雪崩光电二极管（、雪崩光电二极管（APD）111 1、基本概念、基本概念 2 2、基本结构、基本结构 (b) 在在N型硅基片上扩散杂质浓度大的型硅基片上扩散杂质浓度大的P+层，制成层，制成N型型P结构；结构；(a) 在在P型硅基片上扩散杂质浓度大的型硅基片上扩散杂质浓度大的N+层，制成层，制成P型型N结构；结构；(c) PIN型雪崩光电二极管型雪崩光电二极管五五 、雪崩光电二极管（、雪崩光电二极管（APD）103 3、工作原理、工作原理 输出端受光照时，输出端受光照时，P+层受光子能量激发跃迁层受光子能量激发跃迁至

19、导带的载流子，在内部至导带的载流子，在内部加速电场加速电场作用下，高速作用下，高速通过通过P层，使层，使P层发生层发生碰撞电离碰撞电离而产生电子一空穴而产生电子一空穴对。而它们又从强电场中获得足够的能量，再次对。而它们又从强电场中获得足够的能量，再次晶格原子碰撞晶格原子碰撞，又产生出新的电子一空穴对。这，又产生出新的电子一空穴对。这种过程不断重复，使种过程不断重复，使PN结内电流急剧倍增放大结内电流急剧倍增放大(雪崩雪崩)，形成强大的光电流。，形成强大的光电流。 五五 、雪崩光电二极管（、雪崩光电二极管（APD）9五五 、雪崩光电二极管（、雪崩光电二极管（APD）83 3、工作原理、工作原理

20、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，其光电二极管的输出电流迅速增加，其电流倍增系数电流倍增系数M定义为定义为 0IIM I为倍增输出的电流，为倍增输出的电流，I0为倍增前输出的电流。为倍增前输出的电流。 4 4、性能参数、性能参数（1） 增益增益(放大倍数放大倍数)五五 、雪崩光电二极管（、雪崩光电二极管（APD）7UBR：击穿电压；：击穿电压；U：管子外加反向偏压；：管子外加反向偏压；n：材：材料、掺杂和结构有关常数，料、掺杂和结构有关常数，硅硅器件，器件，n1.54，锗器件锗器件n

21、2.5 8增益增益M与与PN结的结的反向偏压反向偏压、材料材料及及结构结构有关有关nBRUUM11当当UUBR时，时，M，PN结将发生结将发生击穿击穿。（1） 增益增益(放大倍数放大倍数)五五 、雪崩光电二极管（、雪崩光电二极管（APD）64 4、性能参数、性能参数反向偏压反向偏压 (V)增益与温度、反向偏压的增益与温度、反向偏压的关系曲线关系曲线 光谱灵敏度特性在没有加偏压时和普通光电二极管特性相同。当加光谱灵敏度特性在没有加偏压时和普通光电二极管特性相同。当加偏压偏压时，光谱灵敏度特性的波形会发生时，光谱灵敏度特性的波形会发生变化变化。（2） 光谱响应特性光谱响应特性五五 、雪崩光电二极管（、雪崩光电二极管（APD）54 4、性能参数、性能参数 雪崩效应是大量载流子电离过程的累加，本身就是一个随机过程，因雪崩效应是大量载流子电离过程的累加，本身就是一个随机过程，因此雪崩光电二极管的噪声应该包括此雪崩光电二极管的噪