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1、光电二极管的分类：按材料分，光电二极管有锗、硅，及族 化合物砷化镓、锑化铟等许多种。按结构分，有PIN(改进型)、APD(雪崩型)、同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。从对光的响应来分，有用于紫外光、可见光及红外光等种类。国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型的不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。2CU系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线。,3.3 光电二极管与光电三极管,光敏二极管结构,光敏二极管与普通二极管一样有一个PN结，属于单向导电性的非线形元件。外形不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明
2、的窗口以接收光线照射，实现光电转换。 为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，即PN结面积比普通二极管大得多，以扩散层作为它的受光面。 为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅。,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,4,光电二极管与光电池的特性比较 基本结构相同，由一个PN结； 光电二极管的光敏面小，结面积小，频率特性好，虽然光生电动势相同,但光电流普遍比光电池小,为数微安。 掺杂浓度：光电池约为1016-1019/cm3，硅光电二极管10
3、121013/cm3， 电阻率：光电池0.1-0.01/cm，光电二极管1000/cm。 光电池零偏压下工作，光电二极管反偏压下工作。,光电二极管的工作原理,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,8,硅光电二极管的封装,硅 凸镜有聚光作用，利于提高灵敏度，可减小杂散光影响，但与入射光方向有关，需考虑入射光的对准；平面镜易对准，但也易受杂散光影响。,9,光电二极管的伏安特性,加正向偏压时，表现为单向导电性。 作为光敏二极管使用
4、时，需要加反向偏压，当有光照时会产生光电流，且光电流远大于反向饱和电流。 反向偏压可以减小载流子的渡越时间和二极管的极间电容。,10,光电二极管的光谱特性,1、光敏二极管在较小负载电阻下，光电流与入射光功率有较好的线性关系。 2、光敏二极管的响应波长与GaAs激光管和发光二极管的波长一致，组合制作光电耦合器件。 3、光电二极管结电容很小，频率响应高，带宽可达100kHz。,11,光电二极管的温度特性,光电二极管的温度特性主要是指反向饱和电流对温度的依赖性，暗电流对温度的变化非常敏感。,12,光电二极管的典型应用电路,13,光电二极管的典型应用电路,电流放大型,电压放大型,PIN管是光电二极管中
5、的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于本征层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。时间常数变小，频带变宽。,PIN光电二极管,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。, PIN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
6、。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,17,特点： 1、频带宽，可达10GHz。 2、本征层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。 3、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，且集中在本征层，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。 4、本征层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点
7、几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一芯片上并封装成一个器件。,18,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。这种管子工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。,雪崩光电二极管(APD),APD载流子雪崩式倍增示意图,高速运动的电子和晶格原子相碰撞， 使晶格
8、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),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:,21,APD的缺点,噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，
9、所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。,光敏二极管阵列,将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起，用来同时探测被测物体各部位提供的不同光信息，并将这些信息转换为电信号的器件。,象限探测器,象限探测器有二象限和四象限探测器，又分光电二极管象限探测器和硅光电池象限探测器。 象限探测器是在同一块芯片上制成两或四个探测器，中间有沟道将它们隔开，因而这两或四个探测器有完全相同性能参数。 当被测体位置发生变化时，来自目标的辐射量使象限间产生差异，这种差异会引起象限间信号输出变化，
10、从而确定目标方位，同时可起制导、跟踪、搜索、定位等作用。,24,3.3.2 光电三极管的基本结构,光电晶体管和普通晶体管类似，也有电流放大作用。只是它的集电极电流不只是受基极电路的电流控制，也可以受光的控制。 光电晶体管的外形，有光窗、集电极引出线、发射极引出线和基极引出线（有的没有）。 制作材料一般为半导体硅，管型为NPN型的国产器件称为3DU系列,管型为PNP型的国产器件称为3CU系列。,发射结,集电结,基极,发射极,集电极,如同普通三极管的发射结(基发结)加上了正向偏置，当基极没有引线时，集电极电流就等于发射极电流。 这样晶体三极管起到电流放大的作用。 由于光敏三极管基极电流是由光电流供
11、给，因此一般基极不需外接点，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。,27,光电晶体管的灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管大，多为毫安级。 但它的光电特性不如光电二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系。 所以光电晶体管多用来作光电开关元件或光电逻辑元件。,28,正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。 当光照到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入，同时在集电极电路即产生了一个被放大的电流Ic（Ie（1）Ip）为电流放大倍数。 因此，光电晶体管的电流放大作用与普通晶体管在上偏流电路中接一个光电二极管的作用是完全相同的。,29,
12、光电三极管的工作原理,光敏三极管的结构原理、工作原理和电气图形符号,30,工作过程：一、光电转换；二、光电流放大,基本 应用 电路,31,达林顿光电三极管电路,为了提高光电三极管的频率响应、增益和减小体积。将光电二极管、三极管制作在一个硅片上构成集成器件,32,光电三极管的主要特性：,光电三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。,光谱特性,入射光,硅的峰值波长为900nm，锗的峰
13、值波长为1500nm。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。,33,伏安特性,伏安特性,光电三极管的伏安特性曲线如图所示。光电三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光电三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。,34,光敏晶体管的光照特性,光电三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的输出电流 I 和照度之间的关系。它们之间呈现了近
14、似线性关系。当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，从而使光电三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。,光照特性,35,光电三极管的温度特性,光电三极管的温度特性曲线反映的是光电三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。,温度特性,光电三极管的频率特性曲线如图所示。光电三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光电三极管的频率响应比光电二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。,光电三极管的频率
15、特性,频率特性,37,光电三极管的应用电路,光电三极管主要应用于开关控制电路及逻辑电路。,38,当有光线照射于光电器件上时，使继电器有足够的电流而动作，这种电路称为亮通光电控制电路，也叫明通控制电路。最简单的亮通电路如图所示。,1亮通光电控制电路,39,如果光电继电器不受光照时能使继电器动作，而受光照时继电器释放，则称它为暗通控制电路。,另一种方法是在亮通电路的基础上加一级倒相器，也可完成暗通电路的作用。要说明的是，亮通和暗通是相对而言的，以上分析都是假定继电器高压开关工作在常开状态，如工作在常闭状态，则亮通和暗通也就反过来。,2暗通光电控制电路,40,如要求路灯控制灵敏，可采用如图电路。,3
16、、路灯、霓虹灯的自动控制电路,41,光电倍增管 Photo-Multiplier tube （PMT）,42,光电倍增管的结构及工作原理,光电阴极,阴极在光照下发射出光电子，光电子受到电极间电场作用获得较大能量打在倍增电极上，产生二次电子发射，经过多极倍增的光电子到达阳极被收集而形成阳极电流，随光信号的变化。在倍增极不变的条件下，阳极电流随光信号变化。,光电倍增管是建立在光电子发射效应、二次电子发射效应和电子光学理论的基础上，能够将微弱光信号转换成光电子并获得倍增效应的真空光电发射器件。,44,结构与原理光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极等 五个主要部分组成，其外形如图3.1.1-1所示。,光电倍增管,45,1光窗光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。常用的光窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和氟镁玻璃等。 2光电阴极它的作用是接收入射光，向外发射光电子。制作光电阴极的材料多是化合物半导体。 3电子光学系统任务：（1）通过对电极结构的适当设计，使前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，使下一级的收集率接近于1；（2）使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上时所经历的时间尽可能相同，使渡越时间零散最小。,
