第十三讲 光电二极管

《光电子技术》PhotoelectronicTechnique光电二极管周自刚本讲主要内容三、特性参量五、APD管四、PIN管一、基本结构二、工作原理当光照PN结，并在半导体加有反向电压时，产生的反向电流将随光照强度和光波长的改变而改变，这种半导体器件叫光电二极管。这一转变过程是光信号变成电信号，也是一个吸收过程。硅光电二极管是最简单、使用最广泛、最具有代表性的光伏效应的光半导体器件。一、基本结构361、基本概念2DU型--以P型硅为衬底的光电二极管2CU型--以N型硅为衬底的光电二极管一、基本结构352、结构类型a)2DU型光电二极管结构b)光电二极管符号c)光电特性测量电路2CU系列光电二极管只有两个引出线；2DU系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，还设了一个环极（其目的：减少暗电流和噪声）一、基本结构342、结构类型受光面一般都涂有SiO2防反射膜（少量的钠、钾、氢等正离子）。使P-Si表面产生一个感应电子层，从而使P-Si表面与N－Si连通起来。当加反偏压时，从前极流出的暗电子流，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暗电子流增大。二、工作原理331、感应电子层2CU管子，因为是以N-Si为衬底，虽然受光面的SiO2防反射膜中也含有少量的正离子，而它的静电感应不会使N-Si表面产生一个和P-Si导电类型相同的导电层，从而也就不可能出现表面漏电流，所以不需要加环极。二、工作原理321、感应电子层一种是不加外电压，直接与负载相接；另一种是加反向电压不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二极管一样，只有单向导电性，而表现不出它的光电效应。二、工作原理a)不加外电源b)加反向外电源c)2DU环极接法312、等效电路为什么一般加反偏压？图a为实际电路；图b为考虑结构、功能后的微变等效电路；图c是图b的简化。正常运用时，加反向电压，Rsh很大，Rs很小，V、Rsh、Rs都可以不计；二、工作原理3、微变等效电路Ip：光电流，V：理想二极管，Cf：结电容，Rsh：漏电阻，Rs：体电阻，RL：负载电阻30图d是图c的简化，因为Cf很小，除了高频情况要考虑它的分流作用外，在低频情况下，它的阻抗很大，可不计。一般采用图d和图c两种形式。Ip：光电流，V：理想二极管，Cf：结电容，Rsh：漏电阻，Rs：体电阻，RL：负载电阻二、工作原理293、微变等效电路二、工作原理无辐射时，电流方程为1kTeUDeIIID为U为负值（反向偏置时）且时(室温下kT/e≈0.26mV，很容易满足这个条件)的电流，称为反向电流或暗电流。UekT4、电流方程28二、工作原理光辐射时，光电二极管的全电流方程为：η：光电材料的光电转换效率，α：材料对光的吸收系数。274、电流方程kTeUDedeIehceI/,11光电二极管的工作区域：第3象限与第4象限26三、特性参量1、光电特性（光电灵敏度）定义为输出电流与入射到光敏面上辐射通量之比。照度(lx)与材料对光的吸收系数a、入射光辐射波长λ等有关系。通常将其峰值波长的电流灵敏度作为光电二极管的电流灵敏度。adiehcqddIS125三、特性参量在无光照的条件下，给硅光电二极管加电压，电流-电压（伏-安）特性，如图中曲线G1。受到光的照射事曲线G1会向曲线G2的方向移动，光再变强向曲线G3平行移动。2、伏安特性24三、特性参量在低反向偏压下光电流随反向偏压的变化较为明显；当进一步增加反向偏压时，光电流趋于饱和。这时光电流仅决定入射光的功率，而几乎与反向偏压无关。2、伏安特性23三、特性参量3、暗电流在无光照射时的暗电流就是二极管的反向饱和光电流I0，暗电流对温度变化非常敏感。温度(℃）暗电流与所加偏压有关。在环境温度变化较大的情况下，为了使电路能稳定工作，必须把暗电流对输出特性的影响减到最小。22三、特性参量4、光谱响应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波长的关系称为光电二极管的光谱响应。典型硅光电二极管光谱响应长波限为1.1μm左右，短波限接近0.4μm，峰值响应波长为0.9μm左右。21三、特性参量5、时间特性(频率响应)响应速度-时间特性常用上升时间或截止频率来表示。上升时间：输出信号的波形前沿幅度的10%与90%的两点时间间隔，用tr表示。(1)极间电容Ct和负载电阻RL的时间常数t1Ct：封装电容和光电二极管结电容Cj之和，RL：负载电阻t1=2.2×Ct×RL20三、特性参量(3)载流子通过耗尽层时间t3(2)耗尽层外生成的载流子的扩散时间t2入射光从受光部分开始到比外部边缘和耗尽层更深的基板处被吸收。这种载流子即使扩散的话，时间也有几微秒(μs)以上。载流子在耗尽层中移动速度Vd是用载流子的移动速度(μ)和耗尽层中的电场(E)决定的（Vd=μE），因平均电场E=VR/d，则t3可近似表示：t3=d/Vd=d2/(μVR)5时间特性(频率响应)19三、特性参量1、原理与结构为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，消除在PN结外光生载流子的扩散运动时间，常采用在P区与N区之间生成没有杂质的本征层(I型层)。四、PIN光电二极管18结构图外形图特点：(1)时间响应快(2)光谱响应向长波方向移动(3)输出线性范围宽。不足：I层较厚，电阻大，输出电流较小。四、PIN光电二极管电场分布雪崩区光吸收区171、原理与结构四、PIN光电二极管161、原理与结构2、基本特性(1)结电容与激发面积和反向偏压有关。反向偏压VR(V)四、PIN光电二极管15(2)电流-电压特性(伏安特性)E0无光照条件下，E1有光照射下，E2是增加光强的曲线2、基本特性四、PIN光电二极管14下限由噪声决定，上限由感光面电极的结构决定。(3)线性为了使上限延伸，可通过增加反向偏压来实现。入射光辐射通量(mw)GaAsPIN光电二极管的线性入射光辐射通量(mw)InGaASPIN光电二极管不同激活面积的线性曲线2、基本特性四、PIN光电二极管13响应特性通常用上升时间或截止频率来表示，上升时间是指输出信号峰值从10%到90%的建立时间：tr=2.2Ct(RL+RS)(4)响应特性Ct：封装电容和结电容Cj之之和；RL：负载电阻；RS：串联阻抗通常RLRS，RS可以忽略不计。为了减小上升时间，则Ct、RL值要求很小是非常必要的。2、基本特性四、PIN光电二极管上升时间和截止频率的关系：cft35.0r12在硅（或锗）光电二极管PN结上加反向偏压后，射入光被PN结吸收形成光电流。当加大反向偏压时会产生“雪崩”（即光电流成倍地激增）的现象-称为“雪崩光电二极管”。具有三高（响应度、信噪比、响应速度）等特点，广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。五、雪崩光电二极管（APD）111、基本概念2、基本结构(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；(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；(c)PIN型雪崩光电二极管五、雪崩光电二极管（APD）103、工作原理输出端受光照时，P+层受光子能量激发跃迁至导带的载流子，在内部加速电场作用下，高速通过P层，使P层发生碰撞电离而产生电子一空穴对。而它们又从强电场中获得足够的能量，再次晶格原子碰撞，又产生出新的电子一空穴对。这种过程不断重复，使PN结内电流急剧倍增放大(雪崩)，形成强大的光电流。五、雪崩光电二极管（APD）9五、雪崩光电二极管（APD）83、工作原理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0IIMI为倍增输出的电流，I0为倍增前输出的电流。4、性能参数（1）增益(放大倍数)五、雪崩光电二极管（APD）7UBR：击穿电压；U：管子外加反向偏压；n：材料、掺杂和结构有关常数，硅器件，n＝1.5～4，锗器件n＝2.5～8增益M与PN结的反向偏压、材料及结构有关nBRUUM11当U→UBR时，M→∞，PN结将发生击穿。（1）增益(放大倍数)五、雪崩光电二极管（APD）64、性能参数反向偏压(V)增益与温度、反向偏压的关系曲线光谱灵敏度特性在没有加偏压时和普通光电二极管特性相同。当加偏压时，光谱灵敏度特性的波形会发生变化。（2）光谱响应特性五、雪崩光电二极管（APD）54、性能参数雪崩效应是大量载流子电离过程的累加，本身就是一个随机过程，因此雪崩光电二极管的噪声应该包括散粒噪声、由雪崩过程中引入的附加噪声和负载电阻RL的热噪声。第一项：散粒噪声和雪崩过程中的附加噪声之和；Id：暗电流；k：与器件材料有关的系数。（3）噪声特性LkPdLKnRfkTfMIIeRfkTfeIMi42422五、雪崩光电二极管（APD）44、性能参数响应速度的主要因素是CR（C主要是器件的结电容）和耗尽层内载流子的运动时间。为了能达到高速响应，必须减小极间电容，而且减小受光面积，加宽耗尽层厚度也是有必要的。（4）响应速度通常APD响应速度特别快，响应时间(上升时间)为0.5～2ns。五、雪崩光电二极管（APD）34、性能参数5、典型应用光的波粒二象性的实验五、雪崩光电二极管（APD）2本讲小结1、光电二极管的基本结构、工作原理、特性参量13、雪崩光电二极管（APD)的基本结构、工作原理、性能参数等2、PIN光电二极管的工作原理、基本结构、基本性质