光电二极管实用教案

1、目录(ml)光电二极管的简介及基本原理光电二极管的简介及基本原理1 1光电二极管的基本结构光电二极管的基本结构2 2光电二极管的特性光电二极管的特性3 3几种常见光电二极管几种常见光电二极管4 4第1页/共17页第一页，共18页。光电二极管简介(jin ji) 光电二极管和普通(ptng)二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，具有单方向导电特性，是把光信号转换成电信号的光电传感器件种类：PN 结型光电二极管PIN 结型光电二极管雪崩光电二极管（APD）发射键型光电二极管第2页/共17页第二页，共18页。PN结的形成(xngchng)P区N区扩散(kusn)运动内电场(din chng)

2、扩散运动=漂移运动时达到动态平衡第3页/共17页第三页，共18页。光电二极管的基本原理反向偏置：势垒增强，少数(shosh)载流子漂移难以形成足够电流，但在外加光场作用下可形成较强光电流！光电效应第4页/共17页第四页，共18页。基本原理 光子在p区（A处）被吸收一个空穴+一个电子。电子有可能扩散到耗尽层边界，并在电场作用(zuyng)下漂移至n区; 光子在n区（C处）被吸收一个空穴+一个电子。空穴有可能扩散到耗尽层边界，并在电场作用(zuyng)下漂移至p区; 光子在耗尽层中（B处）被吸收一个空穴+一个电子，在电场的作用(zuyng)下漂移，并分别到达p区和n区;第5页/共17页第五页，共1

3、8页。光电二极管的基本(jbn)结构 硅光电二极管的两种典型结构(jigu)，其中(a)是采用N型单晶硅和扩散工艺，称为pn结构(jigu)。它的型号是2CU型。而(b)是采用P型单晶硅和扩散工艺，称np结构(jigu)。它的型号为2DU型。2CU型(a)2DU型(b)第6页/共17页第六页，共18页。基本(jbn)结构 反型层成为PN结表面漏电流的通道，使通过负载的暗电流增大，从而会影响器件(qjin)的探测极限为了减小这种表面漏电流，采用的方法是在受光面的四周加上一个环极把受光面包围起来。在接电源时，使环极电势始终保持高于前极电势，给表面漏电流提供(tgng)一条直接流入电源的通道。第7页

4、/共17页第七页，共18页。光电二极管的基本(jbn)特性 1.光谱特性 2.伏安特性 3.噪声(zoshng)特性 4.温度特性第8页/共17页第八页，共18页。光谱(gungp)特性 以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光电二极管时，其电流灵敏度与波长的关系称为其光谱响应，不同材料(cilio)的光谱响应范围不同通常(tngchng)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第9页/共17页第九页，共18页。伏安(f n)特性 在无辐射作用的情况下（暗室中），PN结硅光电二极管的正、反向特性(txng)与普通PN结二极管的特性(txng)一样。其电流方程为： 当光辐射作用到光电

5、二极管上时，光电二极管的全电流方程为 ： 式中I0为暗电流，IP为光电流10kTqUeII)/exp(1 (0kTqUIIIp第10页/共17页第十页，共18页。伏安(f n)特性 由电流方程可以得到(d do)光电二极管在不同偏置电压下的输出特性曲线。低反偏压下由于反偏压增加使耗尽层加宽光电流随光电压变化非常(fichng)敏感。当反偏压进一步增加时，光生载流子的收集已达极限，光电流就趋于饱和，特性曲线近似于乎直，而且在低照度部分比较均匀。第11页/共17页第十一页，共18页。噪声(zoshng)特性 二极管工作时所吸收(xshu)的光不仅有信号光，还有背景光。反偏PN结还存在暗电流，它会产

6、生反偏噪声和热噪声，散粒噪声是光电二极管的主要噪声 散粒噪声: 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， 因此散粒噪声为 :fqII 22nsf)(2bSd2nsIIIqI第12页/共17页第十二页，共18页。PN结型光电二极管 当光子能量大于半导体的禁带宽度时，在PN结的耗尽(ho jn)区、P区和N区都将产生光生的电子-空穴对，这些由光照产生的自由电子和自由空穴称为光生载流子，反向电压作用下产生光电流。 应用：照度计、彩色传感器、线性图像传感器、分光光度计、照相机曝光计。Light第13页/共17页第十三页，共18页。PIN型光电二极管 由于PN结耗尽

7、层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收， 因而光电转换效率(xio l)低，响应速度慢。为改善器件的特性，在PN结中间设置一层本征半导体(称为I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管PIN管结构(jigu)PN管结构(jigu) P-Si N-Si I-Si第14页/共17页第十四页，共18页。雪崩(xubng)光电二极管 PIN型光电二极管提高了PN结光电二极管的时间响应(xingyng)，但对器件的灵敏度没有多少改善。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，可以提高光电二极管的灵敏度 应用：高速光通信、高速光检测APD载流子雪崩式倍增示意图I0NPP(N)光第15页/共17页第十五页，共18页。第16页/共17页第十六页，共18页。感谢您的观看(gunkn)！第17页/共17页第十七页，共18页。NoImage内容(nirng)总结目录。扩散运动(yndng)=漂移运动(yndng)时。光子在n区（C处）被吸收一个空穴+一个电子。为了减小这种表面漏电流，采用的方法是在受光面的四周加上一个环极把受光面包围起来。式中I0为暗电流，IP为