光电二极管教程光电二极管术
光电二极管实验操作要点与数据处理
光电二极管实验操作要点与数据处理光电二极管是一种常见的光电器件，其原理是利用光照射在光电二极管上时，光子会激发电子跃迁至导带中，从而产生光电效应。
在光电二极管实验中，我们通常会进行测量和分析，以获得相关的数据和结论。
以下将介绍光电二极管实验的操作要点和数据处理的一些常用方法。
一、光电二极管实验操作要点1. 实验器材准备首先，为了保证实验的准确性和可靠性，需要使用高质量的光电二极管和其他实验器材。
确保实验器材是清洁的，以避免灰尘和污染对实验结果的影响。
2. 实验环境控制在进行光电二极管实验时，环境条件的控制非常重要。
光照的强度、波长和角度都会对实验结果产生影响。
因此，需要在实验过程中保持较为恒定的光照条件。
可以使用光源和滤光片来调节光照强度和光谱特性。
3. 光电二极管电路连接将光电二极管正确地连接到电路中是实验的第一步。
光电二极管通常有两个引脚，其中一个是阳极端，一个是阴极端。
阳极端连接到正电源，阴极端连接到负电源。
确保连接的稳定和可靠，以避免电路断开或产生干扰。
4. 光电二极管灵敏度测试在进行实验之前，可以通过灵敏度测试来评估光电二极管的性能。
可以使用已知光源的强度和波长，分别照射光电二极管，并记录相应的电流和电压值。
通过比较不同光源下的测量结果，可以对光电二极管的灵敏度做初步评估。
二、光电二极管数据处理方法在进行光电二极管实验后，我们需要对所获得的数据进行分析和处理，以得出有意义的结论。
以下是几种常用的数据处理方法。
1. 电流-电压特性曲线根据实验的测量结果，可以绘制光电二极管的电流-电压特性曲线。
在该曲线上，横坐标表示加在光电二极管上的电压，纵坐标表示通过光电二极管的电流。
这样的曲线能够直观地反映出光电二极管的工作状态和特性。
2. 光照强度-电流关系通过改变光照的强度，可以记录相应的光照强度和光电二极管输出的电流。
通过绘制光照强度和电流之间的关系曲线，我们可以了解到光电二极管的灵敏度和响应特性。
光电二极管工作原理
光电二极管工作原理光电二极管工作原理是现代电子学和光学领域中一个重要的概念，它被广泛应用于光电转换和光信号检测等方面。
本文将介绍光电二极管的基本原理、结构与工作方式，并探讨其在实际应用中的优势和局限性。
一、光电二极管的基本原理光电二极管是一种能够将光能转换为电能的器件。
它利用光照射在特定的半导体材料上时，产生光生载流子的现象，使得材料的导电性发生变化。
其工作原理可归结为光生载流子隔离和电场效应两个方面。
光生载流子隔离：当光照射到光电二极管的PN结区域时，光能被半导体吸收并产生电子-空穴对。
由于PN结区域的电场分布，电子会向N区移动，空穴则会向P区移动，从而产生电流。
这个过程可以看作是光生载流子隔离的结果，使得光电二极管能够将光信号转化为电信号。
电场效应：光生载流子的产生会引起PN结区域内的电场分布变化。
当光照强度较弱时，电场效应几乎不起作用，光电二极管只能检测到非常强的光信号。
但是当光照强度大到一定程度时，光生载流子的产生会显著改变PN结区域的电场分布，从而导致电流的变化。
这种电场效应使得光电二极管能够对光信号的强弱进行精确检测。
二、光电二极管的结构与工作方式光电二极管的基本结构由PN结、近电平和金属电极组成。
PN结是光电转换的关键部分，它采用不同材料的半导体层叠而成。
近电平则用于收集和传输光生载流子，以增强光电转换效率。
金属电极则提供外界电压和电流的连接接口。
光电二极管的工作方式可分为两种：正向工作和反向工作。
在正向工作时，PN结的P区连接到正电压，N区连接到负电压，形成正向偏置。
此时，光照射到光电二极管时，光生载流子会在电场力的作用下被隔离并引起电流变化。
而在反向工作时，PN结的P区连接到负电压，N区连接到正电压，形成反向偏置。
此时，光照射到光电二极管时，电流几乎不发生变化。
三、光电二极管的优势和局限性光电二极管具有以下几个优势：1. 高灵敏度：光电二极管能够对光信号进行高效率的转换，使得它在光通信和光传感等领域具有重要应用价值。
光电二极管的工作原理、参数解析与检测方法
光电二极管的工作原理、参数解析与检测方法光电二极管的工作原理光电二极管是一种特殊的二极管，它将光信号转化为电流或电压信号，其结构与传统二极管基本相同，都有一个PN结，但是光电二极管在设计和制造时，尽量使PN结的面积较大，以便于接收入射光。
它的基本原理是：当光线照射到光电二极管时，吸收的光能转化为电能。
光电二极管工作在反向电压下，只经过很弱的电流(一般小于0.1微安)，称为暗电流，有光照时，带能量的光子进入PN结后，将能量传递给共价键上的电子，使某些电子脱离共价键，产生电子-空穴对，称为光生载流子，因为光生载流子的数量有限，而光照前多子的数量远大于光生载流子的数量，所以光生载流子对多子的影响很小，但少子的数量较少，有较大的影响，这就是为什么光电二极管工作在反向电压下，而非正向电压下。
在光生电子在反向电压下，在光生载流子的作用下，为促使少子参与漂流运动，在P区内，光生电子在PN区内扩散，若P区厚度小于电子扩散长度，则光生电子将能穿过P区到达PN结。
光电二极管的工作是一种吸收过程，它将光的变化转化为反向电流的变化，光电流和暗电流的合成是光电流，所以光电二极管的暗电流使器件对光的灵敏度降到最低，光的强度与光电流成正比，从而能将光信号转化为电信号。
图片来源于网络光电二极管选型中的参数解析实际上，光电二极管的“响应速度”和“探测下限”是研究中经常提到的两个参数，该参数会对光电二极管选型产生何种影响呢？今天我们主要来了解一下这两个参数。
一、响应速度通常用上升时间和截止频率来描述响应速度。
响应速度主要受以下三个主要因素影响：1、由终端电容(Ct)和负载电阻(RL)决定的电路特性；2、耗尽层外载流子的扩散时间；3、载流子在耗尽的层渡越时间。
与短波长光相比，长波长光往往激发出耗尽层外的载流子，因而扩散时间延长，响应速度变慢。
除此之外，以下三种提高光电二极管响应速度的方法更为普遍：1、选用较低端电容(Ct)的光电二极管；2、降低电路中负载电阻(RL)；3、通过增加反向电压(VR)，还可以降低终端电容值(Ct)，最终获得更快的响应速度。
《光电二极管》PPT课件
17
18
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
37
（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。
38
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。
光电二极管模式
光电二极管模式
光电二极管模式主要分为三种：光伏模式、光电导模式和雪崩二极管模式。
1.光伏模式：当光电二极管工作在低频应用和超能级光应用
时，首选这种模式。
当闪光照射到光电二极管上时，会产生电压。
产生的电压将具有非常小的动态范围，并且具有非线性特性。
当光电二极管在这种模式下配置为OP-AMP时，随温度的变化将非常小。
2.光电导模式：在这种模式下，光电二极管将在反向偏置条
件下工作。
阴极为正极，阳极为负极。
当反向电压增加时，耗尽层的宽度也会增加。
因此，响应时间和结电容将减少。
相比之下，这种操作模式速度快，并且会产生电子噪音。
3.雪崩二极管模式：雪崩二极管在高反向偏置条件下工作，
这允许雪崩击穿倍增到每个光电产生的电子-空穴对。
该结果是光电二极管的内部增益，它会缓慢增加设备响应。
在选择使用哪种模式时，应考虑具体的应用需求和性能要求。
光电二极管
光电二极管
1.1结构与外型
结构
光电二极管的结构也和普通二极管相似，由一个PN结组
成，引出两个电极，由P区引出的为正极，N区引出的为负
极。与普通二极管不同的是光电二极管必须封装在透明的
外壳中，以便光线直接照射到PN结上。光电二极管结构如
图（a）所示。
外型
电路符号如图(b)所示。光电二极管的符号与发光管不 同，发光管符号中的箭头向外，表示发光，光电二极管 符号中的箭头向里，表示外来光照在光电二极管上。
光电二极管
1.3 特性曲线
不同光照时，光电二极管两端电压uD和流过电流iD之间的 关系，称为光电二极管的伏安特性曲线。典型的光电二极 管的特性曲线如图所示。图中画出了三条曲线，最上面一 条是无光照时的特性曲线，其下面的三条是有光照射时的 特性曲线，最下面的曲线，光照最强。
无光照时的特性曲线和普 通二极管一样，具有单向 导电性。外加正向电压时， 电流与电压成指数关系； 外加反向电压时，流过光 电二极管的电流称为暗电 流，通常小于0.2μA。
8m V
R=10kΩ，R两端的电压只
有8mV。]
模拟电子技术
响应范围是波长0.4～1.1μm的光。
暗电流： 在无光照条件下，加有一定反向工作电压的光电二极管的 反向漏电流，称为暗电流。它等于反向饱和电流、复合电 流、表面漏电流和热电流之和，其大小一般在10-8～10-9安 范围内。 光电流： 在受到一定光照的条件下，加有一定反向工作电压的光电 二极管中流过的电流，称为光电流。
光电二极管常用于光强的测量，使用时应该反向偏置。图
4-7是光电二极管用于测量光照时的电路，VCC=10V为电源 电压，VD1为光电二极管，电阻R和光电二极管串联。 有光照时，光电流在电阻
光电效应和光电二极管技术
光电效应和光电二极管技术光电效应和光电二极管技术是现代电子学领域中的重要研究方向，它们被广泛应用于光电子学、通信、光电能源等领域。
本文将介绍光电效应和光电二极管技术的基本原理、应用以及未来的发展前景。
光电效应是指当光照射到某些物质表面时，会引发物质内部电子的发射现象。
最早对光电效应进行系统研究的是德国科学家赫兹，在19世纪末和20世纪初进行的实验中发现了该现象，并因此获得了诺贝尔物理学奖。
根据光电效应的特性，人们可以通过控制光的强度和波长，以及改变材料的性质，来调节光电效应的效果。
光电二极管是一种能够将光能转化为电能的器件，是光电效应在实际应用中的一种产品。
它由光电效应组成，结构上与普通的二极管相似，但具有强大的光电转换能力。
光电二极管可以将光信号转化为电信号，并经过适当的电路处理，进一步转化为数字信号，实现光电转换的功能。
光电二极管技术目前已广泛应用于通信领域。
在光纤通信中，光电二极管作为光信号的接受器件，能够将光信号转换为电信号，并经过放大和处理后传输至接收端，完成光信号的传输。
光电二极管的高灵敏度和快速响应特性使得通信系统能够实现高速、稳定的光纤传输，满足现代通信系统对于高速、大容量传输的需求。
此外，光电二极管技术在光电子学器件中的应用也越来越广泛。
例如，在光电二极管的基础上发展出了光电晶体管和光电倍增管等器件，用于信号放大和光电转换等应用。
光电晶体管通过引入光控材料，增强了光电二极管的灵敏度和响应速度，适用于高速光通信和光电子学器件中。
而光电倍增管则通过增强二次发射效应，将光电信号增强并放大，广泛应用于夜视仪、光电成像和科学研究等领域。
在光电二极管技术的发展过程中，人们不断探索新材料和新结构以提高器件性能。
近年来，石墨烯材料的出现引起了科学家们的广泛关注。
石墨烯具有极高的电子迁移率、光电转换效率和较宽的吸收光谱范围，被认为是下一代光电二极管材料的理想选择。
石墨烯基光电二极管具有高速响应、低噪声和宽波长响应等特性，有望在光通信、光电子学和生物医学等领域发挥重要作用。
光电二极管
I
I当p 光I0辐(1射 e作xp用( qU到/光kT电))二极管上
ห้องสมุดไป่ตู้
时，光电二极管的全电流方程为
：
伏安特性
由电流方程可以得到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。
雪崩光电二极管（APD）
发射键型光电二极管
……
PN结的形成
P区
N区
扩散运动
内电场
扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡
光电二极管的基本原理
反向偏置：势垒增强，少数载 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
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 场作用下漂移至n区;
目录
1 光电二极管的简介及基本原理 2 光电二极管的基本结构 3 光电二极管的特性 4 几种常见光电二极管
光电二极管简介
种类：
光电二极管和普通二极管一样， 也是由一个PN结组成的半导体器 P件N ，结具型有光电单二方极向管导电特性，是把 光信号转换成电信号的光电传感 器PI件N 结型光电二极管
应用：高速光通信、高速光检测
P
P(N)
N
光
－
＋
I0
APD载流子雪崩式倍增示意图
感谢下 载
可编辑
光电二极管的基本特性 1.光谱特性 2.伏安特性 3.噪声特性 4.温度特性
光谱特性
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，不同材料的 光谱响应范围不同
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
光电二极管教程
工作原理
结光电二极管是一种基本器件，其功能类似于一个普通的信号二极管，但在结半导体的耗尽区吸收光时，它会产生光电流。
光电二极管是一种快速，高线性度的器件，在应用中具有高量子效率，可应用于各种不同的场合。
根据入射光确定期望的输出电流水平和响应度是有必要的。
图1描绘了一个结光电二极管模型，它由基本的独立元件组成，这样便于直观了解光电二极管的主要性质，更好地了解Thorlabs光电二极管工作过程。
图1: 光电二极管模型
光电二极管术
响应度
光电二极管的响应度可以定义为给定波长下，产生的光电流(I PD)和入射光功率(P)之比：
工作模式(光导模式和光伏模式)
光电二极管可以工作在这两个模式中的一个: 光导模式(反向偏置)或光伏模式(零偏置)。
工作模式的选择根据应用中速度和可接受暗电流大小(漏电流)而定。
光导模式
处于光导模式时，有一个外加的偏压，这是我们DET系列探测器的基础。
电路中测得的电流代表器件接受到的
光照; 测量的输出电流与输入光功率成正比。
外加偏压使得耗尽区的宽度增大，响应度增大，结电容变小，响应
度趋向直线。
工作在这些条件下容易产生很大的暗电流，但可以选择光电二极管的材料以限制其大小。
(注: 我
们的DET器件都是反向偏置的，不能工作在正向偏压下。
)
光伏模式
光伏模式下，光电二极管是零偏置的。
器件的电流流动被限制，形成一个电压。
这种工作模式利用了光伏效应，
它是太阳能电池的基础。
当工作在光伏模式时，暗电流最小。
暗电流
暗电流是光电二极管有偏压时的漏电流. 工作在光导模式时, 容易出现更高的暗电流, 并与温度直接相关. 温度
每增加 10 °C, 暗电流几乎增加一倍, 温度每增加 6 °C, 分流电阻增大一倍. 显然, 应用更大的偏压会降低结电
容, 但也会增加当前暗电流的大小.
当前的暗电流也受光电二极管材料和有源区尺寸的影响. 锗器件暗电流很大, 硅器件通常比锗器件暗电流小.下
表给出了几种光电二极管材料及它们相关的暗电流, 速度, 响应波段和价格。
Material Dark Current Speed Spectral Range Cost Silicon (Si) Low High Speed Visible to NIR Low Germanium (Ge) High Low Speed NIR Low Gallium Phosphide (GaP) Low High Speed UV to Visible Moderate Indium Gallium Arsenide (InGaAs) Low High Speed NIR Moderate Indium Arsenide Antimonide (InAsSb) High Low Speed NIR to MIR High
High High Speed NIR High Extended Range Indium Gallium
Arsenide (InGaAs)
High Low Speed NIR to MIR High Mercury Cadmium Telluride (MCT,
HgCdTe)
结电容
结电容（C j）是光电二极管的一个重要性质，对光电二极管的带宽和响应有很大影响。
需要注意的是，结区面积
大的二极管结体积也越大，也拥有较大的充电电容。
在反向偏压应用中，结的耗尽区宽度增加，会有效地减小结
电容，增大响应速度。
带宽和响应
负载电阻和光电二极管的电容共同限制带宽。
要得到最佳的频率响应，一个50欧姆的终端需要使用一条50欧姆
的同轴电缆。
带宽（f BW）和上升时间响应（t r）可以近似用结电容（C j）和负载电阻（R load）表示：
终端电阻
使用负载电阻将光电流转换为电压（V OUT）以便在示波器上显示：
根据光电二极管的类型，负载电阻影响其响应速度。
为达到最大带宽，我们建议在同轴电缆的另一端使用50欧姆的终端电阻。
其与电缆的本征阻抗相匹配，将会最小化谐振。
如果带宽不重要，您可以增大负载电阻（R load），从而增大给定光功率下的光电压。
终端不匹配时，电缆的长度对响应影响很大，所以我们建议使电缆越短越好。
分流电阻
分流电阻代表零偏压下光电二极管的结电阻。
理想的光电二极管分流电阻无限大，但实际值可能从十欧姆到几千兆欧不等，与其材料有关。
例如，InGaAs探测器分流电阻在10兆欧姆量级，而Ge探测器的分流电阻在千欧量级。
这会显著影响光电二极管的噪声电流。
然而，在大部分应用中，大电阻几乎不产生效应，因而可以忽略。
串联电阻
串联电阻是半导体材料的电阻，这个小电阻通常可以忽略。
串联电阻来自于光电二极管的触点和线接头，通常用来确定二极管在零偏压下的线性度。
通用工作电路
图2：反向偏压电路（DET 系列探测器）
DET系列探测器有上面所示的模块化电路。
探测器反向偏置对输入光产生线性响应。
光电流的大小与入射光大小以及波长有关，输出端加一个负载电阻就可以在示波器上显示。
RC滤波电路的作用是滤掉输入电源的高频噪声，这些噪声会影响输出端的噪声。
图3：放大探测器电路
也可以用光电探测器加放大器来实现所需要的高增益。
用户可以选择工作在光导模式和光伏模式。
使用这个有源电路有几个优势：
•光伏模式：由于运算放大器A点电势和B点电势相等，因而光电二极管两端的电势差为零伏。
这样最小化了暗电流的可能
•光导模式：二极管反向偏置，于是增大了带宽降低了结电容。
探测器的增益与反馈元件（R f）有关。
探测器的带宽可用下面的式子计算：
其中GBP是放大器增益带宽积，C D是结电容和放大器电容之和。
斩波频率的影响
光导体信号将保持不变，直到时间常数响应极限为止。
许多探测器（包括PbS、PbSe、HgCdTe (MCT)和InAsSb 探测器）具有1/f的典型噪声频谱(即，噪声随着斩波频率增大而减小)，这会对低频时的时间常数具有较大影响。
探测器在低斩波频率下会表现出较低响应度。
频率响应和探测率对于下式最大化。