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1、2.3 光电二极管光电二极管2.3.1. PN结型结型 光电二极管光电二极管光电二极管 最新n n按材料分为：硅光电二极管、锗光电二极管、砷化按材料分为：硅光电二极管、锗光电二极管、砷化镓、锑化铟光电二极管镓、锑化铟光电二极管n n国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为为2CU2CU和和2DU2DU两种系列。两种系列。2CU2CU系列以系列以N-SiN-Si为衬底，为衬底， 2DU 2DU系列以系列以P-SiP-Si为衬底，为衬底，2CU2CU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两个引出线两个引出线，而而2DU2DU系列光
2、电二极管有系列光电二极管有三条引出线三条引出线三条引出线三条引出线，除了前极、后，除了前极、后极外，还设了一个环极。极外，还设了一个环极。2DU2DU管加环极的目的是为管加环极的目的是为了减少暗电了减少暗电 流和噪声。流和噪声。光电二极管 最新(1)PN光电二极管的结构光电二极管的结构光电二极管 最新 （a） （b） 光电二极管外形、符号与光电特性的测量电路光电二极管 最新 2DU2DU管加环极的目的管加环极的目的光电二极管的受光面一般都涂有光电二极管的受光面一般都涂有SiOSiO2 2防反射膜，而防反射膜，而SiOSiO2 2中又常含有少量的中又常含有少量的钠、钾、氢等正离子。钠、钾、氢等正
3、离子。 SiO SiO2 2是电介质，这些正离子在是电介质，这些正离子在SiOSiO2 2中是不能移动的，但是它们的静电中是不能移动的，但是它们的静电感应却可以使感应却可以使P-SiP-Si表面产生一个感应电子层。表面产生一个感应电子层。 这个电子层与这个电子层与N-SiN-Si的导电类型相同，可以使的导电类型相同，可以使P-SiP-Si表面与表面与N NSiSi连通起来。连通起来。 当管子加反偏压时，从前极流出的暗电子流，除了有当管子加反偏压时，从前极流出的暗电子流，除了有PNPN结的反向漏电结的反向漏电子流外，还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子流外，还有通过表面感应
4、电子层产生的漏电子流，从而使从前极流出的暗电子流增大。暗电子流增大。 光电二极管 最新 为了减小暗电流，设置一个为了减小暗电流，设置一个N N+ +-Si-Si的环把受光面的环把受光面（N N- -SiSi）包围起来，并从）包围起来，并从N N+ +-Si-Si环上引出一条引线（环环上引出一条引线（环极），使它接到比前极电位更高的电位上，为表面漏极），使它接到比前极电位更高的电位上，为表面漏电子流提供一条不经过负载即可达到电源的通路。电子流提供一条不经过负载即可达到电源的通路。 这样，即可达到减小流过负载的暗电流、减小噪这样，即可达到减小流过负载的暗电流、减小噪声的目的。声的目的。 如果使用时
5、环极悬空，除了暗电流、噪声大些外，如果使用时环极悬空，除了暗电流、噪声大些外，其它性能均不受影响。其它性能均不受影响。 2CU 2CU管子，因为是以管子，因为是以N-SiN-Si为衬底，虽然受光面的为衬底，虽然受光面的SiOSiO2 2防反射膜中也含有少量的正离子，而它的静电感防反射膜中也含有少量的正离子，而它的静电感应不会使应不会使N-SiN-Si表面产生一个和表面产生一个和P-SiP-Si导电类型相同的导导电类型相同的导电层，从而也就不可能出现表面漏电流，所以不需要电层，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。 光电二极管 最新(2) PN光电二极管光照特光电二极管光照特性
6、性光电二极管 最新(3) PN光电二极管光谱特光电二极管光谱特性性 光电二极管的光谱响应定义为以等功率的不同单色辐射波光电二极管的光谱响应定义为以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光电二极管时，其响应程度或电流灵敏度与长的光作用于光电二极管时，其响应程度或电流灵敏度与波长的关系称为其波长的关系称为其光谱响应光谱响应光谱响应光谱响应。 典型的硅光电二极管光谱响应长波限为1.1m左右，短波限接近0.4m，峰值响应波长为0.9m左右。 光电二极管 最新(4)PN(4)PN光电二极管的伏安特性光电二极管的伏安特性有光有光光电接收二极管光电接收二极管反偏反偏状态状态光电流（恒流）光电流（恒流）光电流与照
7、度线性关系光电流与照度线性关系无光无光暗电流暗电流普通二极管工作在正向电压大于普通二极管工作在正向电压大于0.7V的情况下，而光电的情况下，而光电二极管则必须工作在二极管则必须工作在0.7V以下以下光电二极管 最新 在光电技术中常采用重新定义电流与电压正方向的方法把特性曲线旋转成如图3-4所示。重新定义的电流与电压的正方向与PN结内建电场的方向相同。 光电二极管 最新n n与与与与硅光电池的伏安特性曲线硅光电池的伏安特性曲线硅光电池的伏安特性曲线硅光电池的伏安特性曲线图比较，有两点不同。图比较，有两点不同。图比较，有两点不同。图比较，有两点不同。一是把硅光电池的伏安特性曲线图中一是把硅光电池的
8、伏安特性曲线图中一是把硅光电池的伏安特性曲线图中一是把硅光电池的伏安特性曲线图中 、象限里的图象限里的图象限里的图象限里的图线对于纵轴反转了一下，是以横轴的正向代表负电线对于纵轴反转了一下，是以横轴的正向代表负电线对于纵轴反转了一下，是以横轴的正向代表负电线对于纵轴反转了一下，是以横轴的正向代表负电压，这样处理对于以后的电路设计很方便。压，这样处理对于以后的电路设计很方便。压，这样处理对于以后的电路设计很方便。压，这样处理对于以后的电路设计很方便。二是因为开路电压二是因为开路电压二是因为开路电压二是因为开路电压U UOCOC一般都比外加的反向电压小很多，一般都比外加的反向电压小很多，一般都比外
9、加的反向电压小很多，一般都比外加的反向电压小很多，二者比较可略而不计，所以实用曲线常画为上图的二者比较可略而不计，所以实用曲线常画为上图的二者比较可略而不计，所以实用曲线常画为上图的二者比较可略而不计，所以实用曲线常画为上图的形式。形式。形式。形式。 光电二极管 最新(5)PN(5)PN光电二极管的温度特性光电二极管的温度特性光电二极管的温度特性光电二极管的温度特性光电二极管 最新n n(6)入射特性由于入射窗口不同，造成光电灵敏度随入射方向而变化的特性。聚光透镜：由于聚光位置与入射光位置有关，排除了杂散光的干扰，当入射光与入射光主轴重合时，灵敏度最大。平板透镜：聚光作用差，易受杂散光的干扰，
10、光易反射，极值灵敏度小。光电二极管 最新n n7.频率特性频率特性：n n光电二极管的等效电路：光电二极管的等效电路：光电二极管的等效电路：光电二极管的等效电路：I Ip p为光电流，为光电流，为光电流，为光电流，V V为理想二极为理想二极为理想二极为理想二极管，管，管，管，C Cf f为结电容，为结电容，为结电容，为结电容，R Rshsh为为为为漏电阻，漏电阻，漏电阻，漏电阻，R Rs s为体电阻，为体电阻，为体电阻，为体电阻，R RL L为负载电阻；图为负载电阻；图为负载电阻；图为负载电阻；图2 2是从是从是从是从图图图图1 1简化来的，因为正常简化来的，因为正常简化来的，因为正常简化来的
11、，因为正常运用时，光电二极管要运用时，光电二极管要运用时，光电二极管要运用时，光电二极管要加反向电压，加反向电压，加反向电压，加反向电压，R Rshsh很大，很大，很大，很大，R Rs s很小，所以图很小，所以图很小，所以图很小，所以图b b中的中的中的中的V V、R Rshsh、R Rs s都可以不计都可以不计都可以不计都可以不计光电二极管 最新 ：入射光的调制圆频率，：入射光的调制圆频率，：入射光的调制圆频率，：入射光的调制圆频率， 2f2f，f f为入射光的调制为入射光的调制为入射光的调制为入射光的调制频率，频率，频率，频率， = = C Cf fR RL L，I IL L的模量为的模量
12、为的模量为的模量为光电二极管 最新可见，可见，IL是频率的函数，随着入射是频率的函数，随着入射光调制频率的增加而减小。当光调制频率的增加而减小。当=1/时，这时时，这时f = 1/2称为称为上限截止频率上限截止频率，或称为，或称为带宽带宽。 光电二极管 最新n n一般2DU硅光电二极管的结电容为3PF，响应时间为0.1us，带宽为2MHz。n n要改变频率特性，就要改变时间常数。光电二极管 最新(8) (8) 噪声噪声 光电二极管的噪声包含：低频噪声低频噪声Inf、散粒噪声、散粒噪声Ins和热噪声和热噪声InT等3种噪声。其中，散粒噪声是光电二极管的主要噪声散粒噪声是光电二极管的主要噪声，低频
13、噪声和热噪声为其次要因素。 散粒噪声是由于电流在半导体内的散粒效应引起的，它与电流的关系 光电二极管的电流应包括暗电流Id、信号电流Is和背景辐射引起的背景光电流Ib，因此散粒噪声应为 光电二极管 最新 根据电流方程，并考虑反向偏置情况，光电二极管电流与入射辐射的关系 ，得到再考虑负载电阻RL的热噪声： 目前，用来制造PN结型光电二极管的半导体材料主要有硅、锗、硒和砷化镓等，用不同材料制造的光电二极管具有不同的特性。 光电二极管 最新2 PIN2 PIN管管管管 PIN PIN管是光电二极管中的一种。是在管是光电二极管中的一种。是在管是光电二极管中的一种。是在管是光电二极管中的一种。是在P P
14、型半导体和型半导体和型半导体和型半导体和N N型半导体之间夹着型半导体之间夹着型半导体之间夹着型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。一层（相对）很厚的本征半导体。一层（相对）很厚的本征半导体。一层（相对）很厚的本征半导体。为了提高为了提高为了提高为了提高PNPN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PNPN结外光生载流子的扩结外光生载流子的扩结外光生载流子的扩结外光生载流子的扩散运动时间，常采用在散运动时间，常采用在散运动时间，常采用在散运动时间，常采用在P P区与区与区与区与N N区之间生成区之
15、间生成区之间生成区之间生成I I型层，构成型层，构成型层，构成型层，构成PINPIN结构光电二极结构光电二极结构光电二极结构光电二极管，管，管，管，PINPIN结构的光电二极管与结构的光电二极管与结构的光电二极管与结构的光电二极管与PNPN结型的光电二极管在外形上没有区别。结型的光电二极管在外形上没有区别。结型的光电二极管在外形上没有区别。结型的光电二极管在外形上没有区别。 PINPIN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层中，从而使层中，从而使层中，从而使层中，从而使PNPN结双电层的间距加宽，结双电层的间距加宽，结双
16、电层的间距加宽，结双电层的间距加宽，结电容变小。结电容变小。结电容变小。结电容变小。 PINPIN光电二极管在反向电压作用下，耗尽区扩展到整个半光电二极管在反向电压作用下，耗尽区扩展到整个半光电二极管在反向电压作用下，耗尽区扩展到整个半光电二极管在反向电压作用下，耗尽区扩展到整个半导体，光生载流子只产生漂移电流，因此，导体，光生载流子只产生漂移电流，因此，导体，光生载流子只产生漂移电流，因此，导体，光生载流子只产生漂移电流，因此， 它的时间响应只取决于它的时间响应只取决于它的时间响应只取决于它的时间响应只取决于drdr 与与与与 RC RC ，在，在，在，在10-9s10-9s左右。左右。左右
17、。左右。 由式由式由式由式 = C = Cf fR RL L与与与与f = 1/2f = 1/2知，知，知，知，C Cf f小，小，小，小， 则小，频带将变宽。因此，这种则小，频带将变宽。因此，这种则小，频带将变宽。因此，这种则小，频带将变宽。因此，这种管子最大的特点是管子最大的特点是管子最大的特点是管子最大的特点是频带宽频带宽频带宽频带宽，可达，可达，可达，可达10GHz10GHz。另一个特点是，因为。另一个特点是，因为。另一个特点是，因为。另一个特点是，因为I I层很厚，层很厚，层很厚，层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，在反偏压下运用可承受较高
18、的反向电压，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，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。 光电二极管 最新n n由耗尽层宽度与外加电压的关系由耗尽层宽度与外加电压的关系由耗尽层宽度与外加电压的关系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可知，增加反向偏压会使耗尽层可知，增加反向偏压会使耗尽层可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步宽度增加，从而结电容要进一步宽度增加，从而结电容要进一步宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。减小，使频带宽度变宽。减小，使频带宽度变宽。减小，使频带宽度变宽。n n所不足的是，所不足的是，所不足的是，所不
19、足的是，I I层电阻很大，管层电阻很大，管层电阻很大，管层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点子的输出电流小，一般多为零点子的输出电流小，一般多为零点子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。几微安至数微安。几微安至数微安。几微安至数微安。n n目前有将目前有将目前有将目前有将PINPIN管与前置运算放大管与前置运算放大管与前置运算放大管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一器集成在同一硅片上并封装于一器集成在同一硅片上并封装于一器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。个管壳内的商品出售。个管壳内的商品出售。个管壳内的商品出售。 PIN硅光电二极管光电二极管 最新3 3 雪崩
20、光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管 PINPIN光电二极管提高了光电二极管提高了光电二极管提高了光电二极管提高了PNPN结光电二极管的时间响应，但未能提高器件的结光电二极管的时间响应，但未能提高器件的结光电二极管的时间响应，但未能提高器件的结光电二极管的时间响应，但未能提高器件的光电灵敏度，为了提高光电二极管的灵敏度，人们设计了雪崩光电二极光电灵敏度，为了提高光电二极管的灵敏度，人们设计了雪崩光电二极光电灵敏度，为了提高光电二极管的灵敏度，人们设计了雪崩光电二极光电灵敏度，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，利用雪崩效应，形成具有内增益的探测器，有助于微弱光
21、信号的探管，利用雪崩效应，形成具有内增益的探测器，有助于微弱光信号的探管，利用雪崩效应，形成具有内增益的探测器，有助于微弱光信号的探管，利用雪崩效应，形成具有内增益的探测器，有助于微弱光信号的探测。测。测。测。雪崩光电二极管是利用雪崩光电二极管是利用雪崩光电二极管是利用雪崩光电二极管是利用PNPN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。的一种二极管。的一种二极管。的一种二极管。 这种管子工作电压很高，约这种管子工作电压很高，约这种管子工作电压很高，约这种管子工作电压很高，约10
22、0100200V200V，接近于反向击穿电压。结，接近于反向击穿电压。结，接近于反向击穿电压。结，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，可达到格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高
23、的内增益，可达到几百。几百。几百。几百。雪崩二极管光电二极管 最新 1). 结结 构构 图（a）在P型硅基片上扩散杂质浓度大的N+层，制成P型N结构；图（b)在N型硅基片上扩散杂质浓度大的P+层，制成N型P结构的雪崩光电二极管； 图(C) PIN型雪崩光电二极管。 光电二极管 最新 由于PIN型光电二极管在较高的反向偏置电压的作用下耗尽区扩展到整个PN结结区，形成自身保护（具有很强的抗击穿功能），因此， PIN型雪崩光电二极管不必设置保护环。 市场上的型雪崩光电二极管基本上都是PIN型雪崩光电二极管。 光电二极管 最新2.).2.).工作原理工作原理 雪崩光电二极管为具有内增益的一种光生伏特器
24、件。它利用光生载流子在强电场内的定向运动，产生的雪崩效应获得光电流的增益。 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，其电流倍增系数M定义为 式中，I为倍增输出的电流，I0为倍增前输出的电流。 光电二极管 最新 雪崩倍增系数M与碰撞电离率有密切的关系。碰撞电离率碰撞电离率表示一个载流子在电场作用下，漂移单位距离所产生的电子空穴对数目。实际上电子电离率n和空穴电离率p 是不完全一样的，它们都与电场强度有密切关系。由实验确定，电离率与电场强度E可以近似的写成以下关系 式中,A、b、m都为与材料有关系数。 假定=时，可以推导出倍增系数与电离率的关系为 n
25、pXD为耗尽层的宽度。上式表明，当 时， M 。发生雪崩击穿的条件雪崩击穿的条件。光电二极管 最新 在强电场作用下，当通过耗尽区的每个载流子平均能产生一对电子空穴时，就发生雪崩击穿现象。当M时，PN结上所加的反向偏压就是雪崩击穿电压雪崩击穿电压UBR。 实验发现，在略低于击穿电压时，也发生雪崩倍增现象，不过M较小，这时M随反向偏压U的变化可用经验公式近似表示 从图3-8所示的伏-安特性曲线可以看出，在雪崩击穿点附近电流随偏压变化的曲线较陡，当反向偏压有较小变化时，光电流将有较大变化。 光电二极管 最新3.3.噪声噪声 由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后的运动方向更是随机的，
26、所以它的噪声比一般光电二极管要大些。在无倍增的情况下，其噪声电流主要为散粒噪声。当雪崩倍增M倍后，雪崩光电二极管的噪声电流的均方根值可近似由下式计算。 式中指数n与雪崩光电二极管的材料有关。对于锗管，n=3；对于硅管为2.3n2.5。 显然，由于信号电流按M倍增加，而噪声电流按Mn/2倍增加。因此，随着随着M增加，噪增加，噪声电流比信声电流比信号电流增加得更快。号电流增加得更快。 光电二极管 最新 当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达10106 6，即产生，即产生，即产生，即产生
27、所谓的自持雪崩。所谓的自持雪崩。所谓的自持雪崩。所谓的自持雪崩。 这种管子响应速度特别快，带宽可达这种管子响应速度特别快，带宽可达这种管子响应速度特别快，带宽可达这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz100GHz，是目前，是目前，是目前，是目前响响响响应速度最快应速度最快应速度最快应速度最快的一种光电二极管。的一种光电二极管。的一种光电二极管。的一种光电二极管。 噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。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，所以它的噪声较大，特别是工由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工由于雪崩反应是随机的，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。噪声水平，以至无法使用。噪声水平，以至无法使用。噪声水平，以至无法使用。 光电二极管 最新
