第七章光电二极管课件.ppt

《第七章光电二极管课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第七章光电二极管课件.ppt（35页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、光电二极管以光导模式工作的结型光伏探测器称为光电二极管以光导模式工作的结型光伏探测器称为光电二极管种类：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：定义：3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因此硅光电二极管得到广泛应用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pn结构。它的型号是2CU型。而(b)是采用P型单晶磷和扩散工艺，称np结构。它的型号为2DU型。2

2、CU型2DU型硅光电二极管的结构硅光电二极管的结构5p+n结构硅光电二极管结构硅光电二极管(2CU)反向电压偏置反向电压偏置光敏二极管光敏二极管 光敏二极管的反向偏置接线及光敏二极管的反向偏置接线及光光照照特性示意图特性示意图在在没没有有光光照照时时，由由于于二二极极管管反反向向偏偏置置，反反向向电电流流（暗暗电流）很小。电流）很小。当光照增加当光照增加时，光电流时，光电流I与光与光照度成正比关系。照度成正比关系。光敏光敏二极二极管的反向管的反向偏置接法偏置接法RL光照光照外形光变化电流变化光电转换器光敏特性 （a）（b）光电二极管的符号与光电特性的测量电路（a）符号 （b）光电特性的测量电路

3、硅光电二极管硅光电二极管的特性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）光谱响应特性Si光电二极管光谱响应范围：0.41.1m峰值响应波长约为0.9 m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0.405A/W（2）伏安特性）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

4、。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）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某些光敏二极管的特性参数 由由于于PN结结耗耗尽尽层层只只有有几几微微米米，大大部部分分入入射射光光被被中中性性区区吸吸收收，因因而而光光电电转转换换效效率率低低，响响应应速速度度慢慢

5、。为为改改善善器器件件的的特特性性，在在PN结结中中间间设设置置一一层层本本征征半半导导体体(称为称为I)，这种结构便是常用的，这种结构便是常用的PIN光电二极管。光电二极管。2、PINPIN光电二极管原理光电二极管原理 P-Si N-Si I-SiPIN管结构PN管结构PIN管结构示意图PINPIN管管的的结结构构：在在P P型型半半导导体体和和N N型型半半导导体体之之间间夹夹着着一一层层本本征征半半导导体体。因因为为本本征征层层相相对对于于P区区和和N区区是是高高阻阻区区这样，这样，PNPN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。2、PINPIN光电二极

6、管原理光电二极管原理 P-Si N-Si I-SiI层层很很厚厚，吸吸收收系系数数很很小小，入入射射光光很很容容易易进进入入材材料料内内部部被被充充分分吸吸收收而而产产生生大大量量电电子子-空空穴穴对对，因因而而大大幅幅度度提提高高了了光光电电转转换换效效率率，从从而而使使灵灵敏敏度度得得以以提提高高。两两侧侧P层层和和N层层很很薄薄，吸吸收收入入射射光光的的比比例例很很小小，I层层几几乎乎占占据据整整个个耗耗尽尽层层，因因而而光光生生电电流流中中漂漂移移分分量量占占支支配配地地位位，从而大大提高了响应速度。从而大大提高了响应速度。P-Si N-Si I-Si PINPIN光电二极管原理光电二

7、极管原理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T 频带宽（可达频带宽（可达10GHz10GHz）T 灵敏度高灵敏度高T 线性输出范围宽线性输出范围宽T 噪声低噪声低PIN光电二极管的特点光电二极管的特点PIN硅光电二极管特点硅光电二极管特点：频带宽

8、，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。照度电流PINPIN光电二极管性能光电二极管性能3、雪崩光电二极管（、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

9、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高高速速运运动动的的电电子子和和晶晶格格原原子子相相碰碰撞撞，使使晶晶格格原原子子电电离离，产产生生新新的的电电子子-空空穴穴对对。新新产产生生的的二二次次电电子子

10、再再次次和和原原子子碰碰撞撞。如如此此多多次次碰碰撞撞，产产生生连连锁锁反反应应，致致使使载载流流子子雪雪崩崩式式倍倍增增。所所以以这这种种器器件件就就称称为为雪雪崩崩光光电电二二极极管管(APD)。雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)雪雪崩崩光光电电二二极极管管输输出出电电流流I和和反反偏偏压压U的的关关系系示示于于图图。随随着着反反向向偏偏压压的的增增加加，开开始始光光电电流流基基本本保保持持不不变变。当当反反向向偏偏压压增增加加到到一一定定数数值值时时，光光电电流流急急剧剧增增加加，最最后后器件被击穿，这个电压称为击穿电压器件被击穿，这个电压称为击穿电压UB。光电二极管输出电流光电二极

11、管输出电流I和反向偏压和反向偏压U的关系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100200V。也有的管子工作电压更高。i为输出电流，i0为倍增前的电流.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。雪崩光电二极管特点雪崩光电二极管特点:APDAPD光电二极管性能光电二极管性能 光电三极管