光电二极管的特性及原理

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1、光电二极管武汉搏盛科技有限公司 陈帅 电话：027-87660336 15926350413 QQ：1371029437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

2、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型单晶和磷扩散工艺，称np结构。它的型 号为2DU型。2CU型2DU型硅光电二极管的结构硅光电二极管的结构5p p p p+ + + +n n n n结构硅光电二极管结构硅光电二极管(2CU)(2CU)(2CU)(2CU)反向电压偏置反向电压偏置反向电压偏置反向电压偏置6硅光电二极管的封装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没有光照时，在没有光照时，在没有光照时，在没有光照时， 由于二极管反向偏由于二极管反向偏由于二极管反向偏由于二极管反向偏 置

3、，反向电流（暗置，反向电流（暗置，反向电流（暗置，反向电流（暗 电流）很小。电流）很小。电流）很小。电流）很小。当光照增加当光照增加当光照增加当光照增加 时，光电流时，光电流时，光电流时，光电流I I I I与与与与 光照度成正比关光照度成正比关光照度成正比关光照度成正比关 系。系。系。系。 光敏光敏光敏光敏二极二极二极二极 管的反向管的反向管的反向管的反向 偏置接法偏置接法偏置接法偏置接法R R R RL L L L光照光照光敏二极管外形光敏二极管外形 包含包含1024102410241024个个InGaAsInGaAsInGaAsInGaAs元件元件 的线性光电二极管阵列，可用的线性光电二

4、极管阵列，可用 于分光镜。于分光镜。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 1 1 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 2 2 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

5、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 3 3 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于由于由于由于PNPNPNPN结耗尽

6、层只有几微米，大部分入射光被结耗尽层只有几微米，大部分入射光被结耗尽层只有几微米，大部分入射光被结耗尽层只有几微米，大部分入射光被 中性区吸收，中性区吸收，中性区吸收，中性区吸收， 因而光电转换效率低，响应速度慢。因而光电转换效率低，响应速度慢。因而光电转换效率低，响应速度慢。因而光电转换效率低，响应速度慢。 为改善器件的特性，在为改善器件的特性，在为改善器件的特性，在为改善器件的特性，在PNPNPNPN结中间设置一层本征半导结中间设置一层本征半导结中间设置一层本征半导结中间设置一层本征半导 体体体体( ( ( (称为称为称为称为I) I) I) I)，这种结构便是常用的，这种结构便是常用的，

7、这种结构便是常用的，这种结构便是常用的PINPINPINPIN光电二极管。光电二极管。光电二极管。光电二极管。2 2 2 2、 PINPINPINPIN光电二极管原理光电二极管原理P-SiN-SiI-SiPIN管结构PN管结构PIN管结构示意图PINPINPINPIN管的结构：在管的结构：在管的结构：在管的结构：在P P P P型半导体和型半导体和型半导体和型半导体和N N N N型半导体之间夹着一型半导体之间夹着一型半导体之间夹着一型半导体之间夹着一 层本征半导体。层本征半导体。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因为本征层相对于因为本征层相对于P P P P区和区和

8、区和区和N N N N区是高阻区区是高阻区区是高阻区区是高阻区 这样，这样，这样，这样，PNPNPNPN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结的内电场就基本上全集中于 I I I I 层中。层中。层中。层中。2 2 2 2、 PINPINPINPIN光电二极管原理光电二极管原理P-SiN-SiI-SiI层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内层很厚，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部被充分吸收而产生大量电子部被充分吸收而产生大量电

9、子部被充分吸收而产生大量电子 - - - - 空穴对，因而大幅度空穴对，因而大幅度空穴对，因而大幅度空穴对，因而大幅度 提高了光电转换效率，从而使灵敏度得以提高。两侧提高了光电转换效率，从而使灵敏度得以提高。两侧提高了光电转换效率，从而使灵敏度得以提高。两侧提高了光电转换效率，从而使灵敏度得以提高。两侧 P P P P层和层和层和层和N N N N层很薄，吸收入射光的比例很小，层很薄，吸收入射光的比例很小，层很薄，吸收入射光的比例很小，层很薄，吸收入射光的比例很小，I I I I层几乎占层几乎占层几乎占层几乎占 据整个耗尽层，据整个耗尽层，据整个耗尽层，据整个耗尽层， 因而光生电流中漂移分量占

10、支配地因而光生电流中漂移分量占支配地因而光生电流中漂移分量占支配地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。位，从而大大提高了响应速度。位，从而大大提高了响应速度。位，从而大大提高了响应速度。P-SiN-SiI-Si PINPINPINPIN光电二极管原理光电二极管原理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

11、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（可达频带宽（可达频带宽（可达10GHz10GHz10GHz10GHz） 灵敏度高灵敏度高灵敏度高灵敏度高 线性输出范围宽线性输出范围宽线性输出范围宽线性输出范围宽 噪声低噪声低噪声低噪声低PINPINPINPIN光电二极管的特点光电二极管的特点光电二极管的特点光电二极管的特点PINPINPINPIN硅光电二极管特点硅光电二极管特点： 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

12、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PINPINPINPIN光电二极管性能光电二极管性能3 3 3 3、雪崩光电二极管（、雪崩光电二极管（APDAPDAPDAPD）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

13、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 +-I0NPP(N)高速运动的电子和晶格原子相碰撞，高速运动的电子和晶格原子相碰撞，高速运动的电子和晶格原子相碰撞，高速运动的电子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子电使晶格原子电使晶格原子电使晶格原子电 离，产生新的电子离，产生

14、新的电子离，产生新的电子离，产生新的电子 - - - - 空穴对。新产生的二次电子再次空穴对。新产生的二次电子再次空穴对。新产生的二次电子再次空穴对。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，致使载和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载和原子碰撞。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流子雪崩式倍增。所以这种器件就称为雪崩光电二极流子雪崩式倍增。所以这种器件就称为雪崩光电二极流子雪崩式倍增。所以这种器件就称为雪崩光电二极 管管管管(APD)(APD)(APD)(APD)。 雪崩

15、光电二极管雪崩光电二极管( ( ( (APDAPDAPDAPD) ) ) )UI00UB雪崩光电二极管输出电流雪崩光电二极管输出电流I I I I和反偏压和反偏压U U U U的关系示于图。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器件被击穿，这个电压称为击穿电压U U U UB B B B。光电二极管输出电流光电二极管输出电流I I I I和反向偏压和反向偏压U U U 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。0iiM=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: : : :APDAPDAPDAPD光电二极管性能光电二极管性能