第十三讲光电二极管
第十三讲 光电二极管资料
5 时间特性(频率响应) (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。
(3)载流子通过耗尽层时间t3 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=d 2/ (μVR)
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四、 PIN光电二极管
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
1、原理与结构 结构图
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外形图
雪崩区
光吸收区
电场分布
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。
(4)响应特性
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)
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RL>> RS，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。
上升时间和截止频率的关系：
4、性能参数
（1） 增益(放大倍数)
增益M与PN结的反向偏压、材料及结构有关
M
1
n
1
U U BR
UBR：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，
《光电二极管》PPT课件
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2.时间特性
由于耗尽层宽度小，度越时间小但量子效率将变 低，决定了频率特性（带宽）与响应度之间的矛 盾关系。
耗尽层宽度的选取，在保证响应度的情况下，Si 和Ge材料，一般为20-50μm，渡越时间大于200ps； InGaAs材料，一般为3-5μm，渡越时间30-50ps。
npn称3DU型光电三极管
pnp称3CU型光电三极管
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（npn）型
•结构：以n型硅片作为衬底，扩散硼而形成p型，再扩散 磷而形成重掺杂n＋层，并涂sio２作为保护层。在重掺杂 n+引出一个电极称为集电极，由中间的p型层引出一个基 极b，也可以不引出，而在n型硅片的衬底上引出发射极e。
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3DU型光电三极管是以p型硅为基极的三极管。结构和普通晶体管类似，只是在材 料的掺杂情况、结面积的大小和基极引线的设置上和普通晶体管不同。因为光电 三极管要响应光辐射，受光面即集电结(bc结)面积比一般晶体管大。另外，它是 利用光控制集电极电流的，所以在基极上既可设置引线进行电控制，也可以不设， 完全由光来控制。
2.雪崩倍增过程
当光电二极管的pn结加相当大的反向偏压时，在耗尽层内将产生一个很高的电场， 它足以使在强电场区漂移的光生载流子于获得充分的动能，通过与晶格原子碰 撞将产生新的电子－空穴对。新的电子－空穴对在强电场作用下。分别向相反 的方向运动，在运动过程中又可能与原子碰撞再一次产生新的电子—空穴对。 如此反复，形成雪崩式的载流子倍增。这个过程就是APD的工作基础。
3. 光谱响应
光电二极管的光谱响应定义：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。
光电二极管应用电路
光电二极管应用电路二极管应用电路――摘自《传感器及其应用电路》P66图4-1是采用光敏二极管的最简单的光检测电路，图(a)是二极管输出端为开路方式，其输出电压随入射光量的对数呈线性变化，但容易受温度变化的影响。
图(b)是二级管输出端为短路方式(输出电流随入射光量的对数呈线性变化(一般采用输出端短路的工作方式。
然而，这两种电路都是光电二极管单个使用，其输出电压(或电流)非常小，一般要与晶体管或IC等放大器组合使用。
图4-2是无偏置电路实例、其中图(a)接高阻抗负载(图(b)接低阻抗负载。
负载阻抗越高其特性越接近输出端开路方式，负载阻抗越低则越接近输出端短路方式。
然而因二级管都是单个使用，所以输出信号极小(一般需要接放大电路。
图4-3是反向偏置电路实例。
光敏二极管加反向偏置，则响应速度可提高几倍以上。
图4-3(a)是接有较大负载电阻的电路(图4-3(b)是接有较小负载电阻的电路。
图4-3(n)所示电路的输出电压比图4-3(b)所示电路大，但响应特性不如图4-3(b)。
图4-3(b)所示电路的输出电压比图4-3(a)小，但响应速度比图4-3(a)快。
它们的响应特性都比无偏置电路好，但暗电流比无偏置电路大。
图4-4是光敏二极管与晶体管组合应用电路实例。
图4-4(a)为典型的集电极输出电路形式，而图4-4(b)为典型的发射极输出电路形式。
集电极输出电路适用于脉冲入射光电路，输出信号与输入信号的相位相反，输出信号一般较大。
而发射极输出电路适用于模拟信号电路，电阻RB可以减小暗电流，输出信号与输入信号的相位相同，输出信号一般较小。
图4-5是光敏二极管VD与运放A组合应用实例(团4-5(a)为无偏置方式，图4-5(b)为反向偏置方式。
无偏置电路可以用于测量宽范围的入射光，例如照度计等，但响应特性比不上反向偏置的电路，可用反馈电阻Rf调整输出电压，如果Rf用对数二极管替代(则可以输出对数压缩的电压。
反向偏置电路的响应速度快(输出信号与输入信号同相位。
光电二极管放大电路工作原理
光电二极管放大电路工作原理在用于光检测的固态检波器中，光电二极管仍然是基本选择。
光电二极管广泛用于光通信和医疗诊断。
其他应用包括色彩测量、信息处理、条形码、相机曝光控制、电子束边缘检测、传真、激光准直、飞机着陆辅助和导弹制导。
设计过程中，经常会优化用于光电模式或光敏模式的光电二极管。
响应度是检波器输出与检波器输入的比率，是光电二极管的关键参数。
其单位为A/W 或V/W。
前置放大器在高背景噪声环境中提取传感器生成的小信号。
光电导体的前置放大器有两类：电压模式和跨导（图2）。
图3c 所示的跨导放大器结构产生的精密线性传感性能是通过“零偏压”光电二极管实现的。
在此配置中，光电二极管发现输出间存在短路，按照公式3 （Isc =Ilight），基本上不存在“暗”电流。
光电二极管暴露在光线下且使用图2c 的电路时，电流将流到运算放大器的反相节点，如图 3 所示。
若负载（RL）为0 Ω且VOUT = 0 V，则理论上光电二极管会出现短路。
实际上，这两种状况都绝对不会出现。
RL 等于Rf/Aopen_loop_Gain，而VOUT 是放大器反馈配置施加的虚拟地。
图4所示电路是一个高速光电二极管信号调理电路，具有暗电流补偿功能。
系统转换来自高速硅PIN光电二极管的电流，并驱动20 MSPS模数转换器（ADC）的输入。
该器件组合可提供400 nm至1050 nm的频谱敏感度和49 nA的光电流敏感度、91 dB的动态范围以及2 MHz的带宽。
信号调理电路采用±5 V电源供电，功耗仅为40 mA，适合便携式高速、高分辨率光强度应用，如脉搏血氧仪。
光电二极管工作时采用零偏置（光伏）模式或反向偏置（光导）模式。
光伏模式可获得最精确的线性运算，而让二极管工作在光导模式可实现更高的开关速度，但代价是降低线性度。
在反向偏置条件下，存在少量的电流（称为暗电流），它们甚至在没有光照度的情况下也会流动。
可在运算放大器的同相输入端使用第二个同类光电二极管消除暗电流误差，如图4所示。
光电二极管有光输出低电平无光输出高电平
光电二极管是一种用于将光信号转换为电信号的器件，其在现代电子技术领域有着广泛的应用。
光电二极管基本工作原理是在光照射下产生电流，从而改变电阻，使得电压输出发生变化。
具体来说，光电二极管有光输出低电平无光输出高电平的特性，这一特性使得它在光敏电路中被广泛应用。
以下就光电二极管的工作原理、特性以及应用进行详细介绍：一、光电二极管的工作原理1. 光电二极管利用半导体材料的光电效应来产生电流。
当光照射到光电二极管上时，光子能量会被半导体材料吸收，激发其中的电子，使得电子从价带跃迁到导带，从而在外加电压的作用下产生电流。
2. 光电二极管通常由P-N结构构成，当光照射到P-N结的P区时，产生电子-空穴对，从而引起电流的变化。
二、光电二极管的特性1. 光电二极管具有快速的响应速度。
由于光电二极管利用光信号直接产生电流，因此其响应速度非常快，能够满足各种高速信号的需求。
2. 光电二极管的灵敏度较高。
光电二极管对光的响应灵敏度较高，能够捕捉到微弱的光信号，并将其转换为电信号输出。
3. 光电二极管的输出特性。
根据光照强度的不同，光电二极管的输出电压也有所不同。
在有光照射的情况下，光电二极管的输出电压较低，而无光照射时，其输出电压较高。
三、光电二极管的应用1. 光电传感器。
光电二极管常被用于光电传感器中，通过光电二极管对光信号的敏感特性，可以实现对于光信号的捕捉和测量，广泛应用于光电开关、光电计数器等领域。
2. 光通信。
光电二极管也被广泛应用于光通信领域，通过将光信号转换为电信号，实现了光通信系统中的信号检测和接收。
3. 光电显示。
光电二极管还可以用于光电显示器件中，通过其对光信号的转换作用，实现了光电显示应用。
总结：光电二极管具有光输出低电平无光输出高电平的特性，这一特性使得其在光敏电路中有着广泛的应用，包括光电传感器、光通信、光电显示等领域。
随着现代电子技术的不断发展，光电二极管的应用前景将更加广阔。
光电二极管（Photodiode）是一种用于将光信号转换为电信号的器件，其在现代电子技术领域具有极其广泛的应用。
光电二极管
光电二极管光电二极管又名：photodiode光电二极管是一种能够将光根据使用方式，转换成电流或者电压信号的光探测器。
光电二极管与常规的半导体二极管基本相似，只是光电二极管可以直接暴露在光源附近或通过透明小窗、光导纤维封装，来允许光到达这种器件的光敏感区域来检测光信号。
许多用来设计光电二极管的二极管使用了一个PIN结，而不是一般的PN结，来增加器件对信号的响应速度。
光电二极管常常被设计为工作在反向偏置状态。
工作原理一个光电二极管的基础结构通常是一个PN结或者PIN结。
当一个具有充足能量的光子冲击到二极管上，它将激发一个电子，从而产生自由电子（同时有一个带正电的空穴）。
这样的机制也被称作是内光电效应。
如果光子的吸收发生在结的耗尽层，则该区域的内电场将会消除其间的屏障，使得空穴能够向着阳极的方向运动，电子向着阴极的方向运动，于是光电流就产生了。
实际的光电流是暗电流和光照产生电流的综合，因此暗电流必须被最小化来提高器件对光的灵敏度。
光电压模式当偏置为0时，光电二极管工作在光电压模式，这是流出光电二极管的电流被抑制，两端电势差积累到一定数值。
光电导模式当工作在这一模式时，光电二极管常常被反向偏置，急剧的降低了其响应时间，但是噪声不得不增加作为代价。
同时，耗尽层的宽度增加，从而降低了结电容，同样使得响应时间减少。
反向偏置会造成微量的电流（饱和电流），这一电流与光电流同向。
对于指定的光谱分布，光电流与入射光照度之间呈线性比例关系。
尽管这一模式响应速度快，但是它会引发更大的信号噪声。
一个良好的PIN二极管的泄漏电流很小（小于1纳安），因此负载电阻的约翰逊&mid dot;奈奎斯特噪声（Johnson–Nyqu ist noise）会造成较大的影响。
其他工作模式雪崩光电二极管具有和常规光电二极管相似的结构，但是需要高得多的反向偏置电压。
这将允许光照产生的载流子通过雪崩击穿大量增加，在光电二极管内部产生内部增益，从而进一步改善器件的响应率。
光电二极管专题知识课件
3 光电流推导
简介 物理过程 光电流推导
光电流体现式旳物理含义
IL qAG(Ln xd Lp )
从光电流旳体现式能够看出，光电流能够等效为在二极管 耗尽区及其两侧一种少子扩散长度内光生载流子旳贡献之和。
应用拓展 特征有关
4 应用拓展
简介 物理过程
一、微型光电池 主要利用旳是光生伏特效应。
光电流推导
光耦合器一般由三部分构成：光旳发射、光旳接受及信号放 大。输入旳电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长 旳光，被光探测器接受而产生光电流，再经过进一步放大后输出 。这就完毕了电—光—电旳转换，从而起到输入、输出、隔离旳 作用。因为光耦合器输入输出间相互隔离，电信号传播具有单向 性等特点，因而具有良好旳电绝缘能力和抗干扰能力。
硅光电二极管旳光谱范围为400至1100nm，其峰值波长为 880至900nm。恰好与砷化镓发光二极管波长相匹配，能够取得 很高旳传播效率（光电耦合）。
12/5/2023
谢谢大家！
光电耦合器旳应用十分广泛。例如，能够用来连接高频和低 频电路，起到隔离作用，阻绝频率旳不同对其他电路可能造成旳 影响。
特征有关
5 特征有关
简介 物理过程 光电流推导 应用拓展 特征有关
一、部分主要性能参数
响应率 响应度是光生电流与产生该事件光功率旳比。工作于光导
模式时旳经典体现为A/W。响应度也常用量子效率表达，即光生 载流子与引起事件光子旳比。
一、扩散电流 连续性方程
因为电子和空穴旳讨论是相同旳，我们仅对空穴电流作分 析。稳态情况下，空穴满足连续性方程：
Dp
d 2p dx2
p p
G
0
这是一种二阶常系数非齐次线性微分方程。能够得到该方 程旳通解为：
第十三讲光电二极管
4、性能参数
（1） 增益(放大倍数)
增益M与PN结的反向偏压、材料及结构有关
M
1
1
U U BR
n
UBR：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，
增益与温度、反向偏压的 关系曲线
锗器件n＝2.5 ～ 8 当U→UBR时，M→∞，PN结将发生击穿。
反向偏压 (V)
8
五 、雪崩光电二极管（APD）
3、工作原理
7
五 、雪崩光电二极管（APD）
4、性能参数
（1） 增益(放大倍数)
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
MI I0
I为倍增输出的电流，I0为倍增前输出的电流。
6
五 、雪崩光电二极管（APD）
载流子在耗尽层中移动速度v是用载流子的移动速度和耗尽层中的电场e决定的v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
《光电子技术》
Photoelectronic Technique
了一个环极（其目的：减少暗电流和噪声）
33
二、工作原理
1、感应电子层 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。
(3)载流子通过耗尽层时间t3 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：
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二、工作原理
1、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，所以不需要环极。
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；
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
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二、工作原理
3、微变等效电路 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。
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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t1 t1=2.2×Ct×RL
Ct：封装电容和光电二极管结电容Cj之和，RL：负载电阻
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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。
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一、基本结构
2、结构类型 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
a) 2DU型光电二极管结构
或
b) 光电二极管符号
光输入
+
U
R 输出
《光电子技术》
Photoelectronic Technique
光电二极管 周自刚
本讲主要内容
一、基本结构 二、工作原理 三、特性参量 四、PIN管 五、APD管
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一、基本结构
1、基本概念 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。
不足：I层较厚，电阻大，输出电流较小。
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四、 PIN光电二极管
1、原理与结构
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四、 PIN光电二极管
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)
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四、 PIN光电二极管
2、基本特性
(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
三、特性参量
5 时间特性(频率响应) (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。
(3)载流子通过耗尽层时间t3 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：
-
c) 光电特性测量电路
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一、基本结构
2、结构类型 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）
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二、工作原理
1、感应电子层 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。
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
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二、工作原理
4、电流方程 无辐射时，电流方程为
I IDeeUkT1
ID为U为负值（反向偏置时）且 U >> kT e 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。
23
三、特性参量
2、伏安特性
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。
22
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。
暗电流与所加偏压有关。
Si d dIh qc1ead
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。
照度(lx)
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三、特性参量
2、伏安特性
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。
温度 (℃）
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。
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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。
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二、工作原理
2、等效电路 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。
为什么一般 加反偏压？
a) 不加外电源 b) 加反向外电源 c) 2DU环极接法
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二、工作原理
3、微变等效电路
图a为实际电路； 图b为考虑结构、功能后的微 变等效电路；
t3=d / Vd=d 2/ (μVR)
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四、 PIN光电二极管
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
1、原理与结构 结构图
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外形图
雪崩区
光吸收区
电场分布
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。
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二、工作原理
4、电流方程 光辐射时，光电二极管的全电流方程为：
Ih ec 1e d e,ID 1eeU /kT
η：光电材料的光电转换效率， α ：材料对光的吸收系数。
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三、特性参量
光电二极管的工作区域： 第3象限与第4象限
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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 。