第七章 光电二极管
光电二极管优秀课件
• 在无辐射作用旳情况下（暗室中），PN结硅光电 二极管旳正、反向特征与一般PN结二极管旳特征 一样。其电流方程为：
I
I
0
qU
e
kT
1
• 当光辐射作用到光电二极管上时，光p I0(1 exp(qU / kT ))
• 式中I0为暗电流，IP为光电流
伏安特征
2CU型(a)
2DU型(b)
基本构造
反型层成为PN结表面漏电流旳通道，使经过负载旳暗电流 增大，从而会影响器件旳探测极限
为了减小这种表面漏电 流，采用旳措施是在受 光面旳四面加上一种环 极把受光面包围起来。 在接电源时，使环极电 势一直保持高于前极电 势，给表面漏电流提供 一条直接流入电源旳通 道。
• 应用：照度计、彩色传感器、线性图像传感器、分光光度 计、摄影机曝光计。
Light
PIN型光电二极管
• 因为PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收， 因而光电转换效率低，响应速度慢。为改善器件旳特征， 在PN结中间设置一层本征半导体(称为I)，这种构造便是 常用旳PIN光电二极管
P-Si I-Si N-Si
PN管构造
PIN管构造
雪崩光电二极管
• PIN型光电二极管提升了PN结光电二极管旳时间响应，但对 器件旳敏捷度没有多少改善。雪崩光电二极管是利用PN结 在高反向电压下产生旳雪崩效应来工作旳一种二极管，能 够提升光电二极管旳敏捷度
• 应用：高速光通信、高速光检测
APD载流子雪崩式倍增示意图
• 1.光谱特征 • 2.伏安特征 • 3.噪声特征 • 4.温度特征
光电二极管旳基本特征
光谱特征
• 以等功率旳不同单色辐射波长旳光作用于光电二极管时， 其电流敏捷度与波长旳关系称为其光谱响应，不同材料旳 光谱响应范围不同
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
光电二极管光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样，也是由一个PN 结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。
但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。
原理：普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。
光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。
光的强度越大，反向电流也越大。
光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。
PN型特性：优点是暗电流小，一般情况下，响应速度较低。
用途：照度计、彩色传感器、光电三极管、线性图像传感器、分光光度计、照相机曝光计。
PIN型特性：缺点是暗电流大，因结容量低，故可获得快速响应。
用途：高速光的检测、光通信、光纤、遥控、光电三极管、写字笔、传真。
检测方法①电阻测量法用万用表1k挡。
光电二极管正向电阻约10MΩ左右。
在无光照情况下，反向电阻为∞时，这管子是好的(反向电阻不是∞时说明漏电流大)；有光照时，反向电阻随光照强度增加而减小，阻值可达到几kΩ或1kΩ以下，则管子是好的；若反向电阻都是∞或为零，则管子是坏的。
②电压测量法用万用表1V档。
用红表笔接光电二极管“+”极，黑表笔接“—”极，在光照下，其电压与光照强度成比例，一般可达0．2—0．4V。
③短路电流测量法用万用表50μA档。
用红表笔接光电二极管“+”极，黑表笔接“—”极，在白炽灯下(不能用日光灯)，随着光照增强，其电流增加是好的，短路电流可达数十至数百μA。
主要技术参数：1.最高反向工作电压；2.暗电流；dark current 也称无照电流光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。
光电二极管的工作原理与特性
光电二极管的工作原理与特性光电二极管是一种能够将光能转化为电能的器件，广泛应用于电子和通信领域。
它的工作原理主要依赖于光电效应和半导体材料的特性。
本文将从两个方面探讨光电二极管的工作原理和特性。
一、光电效应和光电二极管的原理光电效应是指当光照射到物质表面时，光的能量被吸收，使得物质中的电子受到激发而被释放出来。
光电二极管利用光电效应将光转化为电流。
当光照射到光电二极管的PN结上时，光子的能量使得PN结区域的电子跃迁到导带能级，形成电子空穴对。
PN结是光电二极管的核心结构，是由P型半导体和N型半导体接触形成的。
P 型半导体中的杂质原子需要提供电子，而N型半导体中的杂质原子需要接受电子。
当两者结合时，形成一个电子富集区和一个电子亏损区。
当光照射到PN结上时，光子的能量使得PN结中的电子跃迁到导带能级，空穴留在价带能级上。
这样，导体区域就形成了电子流，产生了电压和电流。
二、光电二极管的特性1. 灵敏度：光电二极管的灵敏度指的是对光信号的响应能力。
灵敏度通常由两个因素决定：一是光电二极管的材料，二是光电二极管的面积。
在相同条件下，材料的光吸收能力越强、面积越大，光电二极管的灵敏度就越高。
2. 响应时间：光电二极管的响应时间指的是从光照射到电流形成的时间。
这个时间取决于载流子在半导体材料中的移动速度。
通常情况下，硅双向二极管的响应时间约为微秒级，而光电二极管的响应时间可以达到纳秒级。
3. 饱和电流和暗电流：在没有光照射时，光电二极管的导电能力是极低的，这时的电流被称为暗电流。
当光照射到光电二极管上时，电流会迅速增加，最终趋于稳定，这时的电流被称为饱和电流。
饱和电流和暗电流的大小与光强度和温度有关。
4. 光电二极管的频率特性：光电二极管对不同频率的光信号有不同的响应能力。
在较低的频率下，光电二极管的响应能力较高；而在较高的频率下，由于载流子的移动速度限制，光电二极管的响应能力会下降。
总结：光电二极管是一种利用光电效应将光能转化为电能的器件。
《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
三，二极管特性参数
1 量子效率， 响应度：是光生电流与产生该事件光功率的比。公式 是 , (I是短路光电流，p是输入光功率)
R I/p 2.暗电流： 在无入情况下通过器件的电流称为暗电流。暗电流主要 是半导体结的饱和电流。
3.光电二极管的频率特性响应
频率特性主要由3个因素决定：
3.《半导体器件物理》作者（美）尼曼
译者赵毅强
二，举例：PIN二极管
在上述的光电二极管的PN结中间掺入一层浓度很低的N型半导体，就可 以增大耗尽区的宽度，达到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目 的。
由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征（Intrinsic）半导体，故称 I层，因此这种结构成为PIN光电二极管。
I层较厚，几乎占据了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I层内被吸收 并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是掺杂浓度很高的 P型和N型半 导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光产生电流中漂 移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。
电压测量法： 用万用表1V档。用红表笔接光电 二极管“+”极，黑表笔接“—”极，在光照下， 其电压与光照强度成比例，一般可达0．2— 0．4V。
短路电流测量法：用万用表 50μA档。用红表笔接
光电二极管“+”极，黑表笔接“—”极，在白炽 灯下（不能用日光灯），随着光照增强，其电流 增加是好的，短路电流可达数十至数百μA。
光生伏打效应：半导体吸收光能后，在结上产生光生电动势的效应。 主要涉及三个物理过程： 1，半导体吸收光能产生非平衡的电子-空穴对；
2，这些非平衡电子和空穴以扩散和漂移的方式向势场区（结的空间电 荷区）运动
光电二极管的定义
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光电二极管的定义
一、光电二极管的定义
光电二极管是一种超级有趣的电子元件呢。
它呀，就像是一个小小的电子眼睛，对光有着独特的感应能力。
你可以把它想象成一个特殊的二极管，普通二极管主要是对电流有单向导通等特性，而光电二极管在普通二极管的基础上，多了一个对光敏感的功能。
当光线照射到光电二极管上的时候，它内部就会发生一些奇妙的变化。
具体来说，光电二极管是利用半导体的光电效应制成的一种探测器。
光照射到半导体材料上时，光子的能量会被半导体中的电子吸收。
如果光子的能量足够大，就能把电子从价带激发到导带，这样就产生了电子 - 空穴对。
在光电二极管内部的电场作用下，这些电子和空穴就会向不同的方向移动，从而形成电流。
这个电流的大小和光的强度是有关系的哦。
光强越强，产生的电子 - 空穴对就越多，形成的电流也就越大。
而且光电二极管在很多地方都有应用呢。
在我们日常的生活中，比如自动感应的水龙头，它能够感应到我们手靠近时的光线变化，这背后就可能有光电二极管的功劳。
在一些光通信设备中，光电二极管也是不可或缺的一部分，它可以把接收到的光信号转化为电信号，这样我们就能接收到各种信息啦。
还有在一些光学测量仪器中，光电二极管也能准确地测量光的强度等参数。
光电二极管就像是一个小小的光能与电能的转换使者，默默地在很多设备和仪器中发挥着它独特而重要的作用呢。
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(整理)第七章光电传感器习题答案
•第七章光敏传感器•1．光电效应通常分为哪几类？简要叙述之。
与之对应的光电器件有哪些？•2．半导体内光电效应与入射光频率的关系是什么？3．光电倍增管产生暗电流的原因有哪些？如何降低暗电流？•4．试述光电倍增管的组成及工作原理？•5．简述光敏二极管和光敏三极管的结构特点、工作原理及两管的区别？•6．为什么在光照度增大到一定程度后，硅光电池的开路电压不再•随入射照度的增大而增大？硅光电池的最大开路电压为多少？•7．试举出几个实例说明光电传感器的实际应用，并进行工作原理的分析。
答案：一、光电效应分为两类：外光电效应和内光电效应外光电效应：入射光子被物质的表面所吸收，并从表面向外部释放电子的一种物理现象。
基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。
内光电效应当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。
分为光电导效应（如：光敏电阻）和光生伏特效应（如光电池、光电二极管、光电三极管）。
二、、对于不同的本征半导体材料，禁带宽度Eg不同，对入射光的波长或频率的要求也不同，一般都必须满足：7he1.24「hv=T^^-Eg式中v、A分别为入射光的频率和波长。
对于杂质半导体：Ei为杂质电离能三、1、欧姆漏电欧姆漏电主要指光电倍增管的电极之间玻璃漏电、管座漏电和灰尘漏电等。
欧姆漏电通常比较稳定，对噪声的贡献小。
在低电压工作时，欧姆漏电成为暗电流的主要部分。
在使用光电倍增管时，保证管壳和所有连接件的清洁干燥是十分必要的。
2、热发射由于光电阴极材料的光电发射阈值较低，容易产生热电子发射，即使在室温下也会有一定的热电子发射，并被电子倍增系统倍增。
要减小热电子发射，应选用热发射小的阴极材料，并在满足使用的前提下，尽量减小光电阴极的面积，降低光电倍增管温度。
3、残余气体放电光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体电离，产生正离子和光子，它们也将被倍增，形成暗电流。
这种效应在工作电压高时特别严重，使倍增管工作不稳定。
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光敏二极管
光敏二极管的反向偏置接线及 光照特性示意图
•在 没 有 光 照 时 ， 由于二极管反向偏 置，反向电流（暗 电流）很小。
RL
光照
光敏二极 管的反向 偏置接法
当光照增加 时，光电流IΦ与光 照度成正比关系。
光变化－电流变化 外形 光电转换器 光敏特性
光输入
+
或
U
R
输出
-
（a） （b） 光电二极管的符号与光电特性的测量电路 （a）符号 （b）光电特性的测量电路
雪崩光电二极管(APD)
高速运动的电子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子电 离，产生新的电子 - 空穴对。新产生的二次电子再次 和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载 流子雪崩式倍增。所以这种器件就称为雪崩光电二极 管(APD)。
P P (N) N
光
－
＋
I0
APD载流子雪崩式倍增示意图
光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系
（3）频率响应特性
光电二极管的频率特性响应主要由三个因素决定： (a)光生载流子在耗尽层附近的扩散时间； (b)光生载流子在耗尽层内的漂移时间； (c)与负载电阻RL并联的结电容Ci所决定的电路时间常数。
频率特性优于光电导探 测器 , 适宜于快速变化的 光信号探测。
某些光敏二极管的特性参数
2、 PIN光电二极管原理
由于 PN结耗尽层只有几微米，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。
P-Si I-Si N-Si
PN管结构
PIN管结构
2、
PIN光电二极管原理
PIN 管的结构：在 P 型半导体和 N 型半导体之间夹着一 层本征半导体。因为本征层相对于 P 区和 N 区是高阻 区这样，PN结的内电场就基本上全集中于 I 层中。
因此硅光电二极管得到广泛应用
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硅光电二极管的结构
硅光电二极管的两种典型结构，其中(a)是采用N型单晶 硅和扩散工艺，称为 p ＋ n 结构。它的型号是 2CU 型。而 (b) 是采用 P 型单晶磷和扩散工艺，称 n ＋ p 结构。它的型 号为2DU型。
2CU型
2DU型
p+n结构硅光电二极管(2CU)
地应用。
•在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光 敏区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必 须保持更高的工艺和保证结面的平整。 •其缺点是工艺要求高，受温度影响大。
APD光电二极管性能
光电三极管
P-Si I-Si N-Si
PIN管结构示意图
PIN光电二极管原理
I 层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内 部被充分吸收而产生大量电子 - 空穴对，因而大幅度 提高了光电转换效率，从而使灵敏度得以提高。两侧 P层和 N层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占 据整个耗尽层， 因而光生电流中漂移分量占支配地 位，从而大大提高了响应速度。
光电二极管
定义：
以光导模式工作的结型光伏探测器称为光电二极管 PN 结型光电二极管（也称PD） PIN 结型光电二极管 种类： 雪崩光电二极管（记为APD） 肖特基势垒光电二极管 光电三极管 ……
• 制造一般光电二极管的材料几乎 全部选用硅或锗的单晶材料。 • 由于硅器件较之锗器件暗电流温 度系数小得多 • 制作硅器件采用平面工艺使其管 芯很容易精确控制
P-Si I-Si N-Si
I层所起的作用:
本征层的引入，明显增大了 p+ 区的耗尽层的厚度，这 有利于缩短载流子的扩散过程。耗尽层的加宽，也可 以明显减少结电容 Cj, 从尔使电路常数减小。同时耗尽 加宽还有利于对长波区的吸收。 性能良好的PIN光电二极管，扩散和漂移时间一般在1010 s 数量级，频率响应在千兆赫兹。实际应用中决定光 电二极管的频率响应的主要因素是电路的时间常数。 合理选择负载电阻是一个很重要的问题。
由图可见，在低反压下电 流随光电压变化非常敏感。 这是由于反向偏压增加使 耗尽层加宽、结电场增强， 它对于结区光的吸收率及 光生裁流子的收集效率影 响很大。当反向偏压进一 步增加时，光生载流子的 收集已达极限，光电流就 趋于饱和。这时，光电流 与外加反向偏压几乎无关， 而仅取决于入射光功率。
光电二极管在较小负载电阻下，入射光功率与 光电流之间呈现较好的线性关系。图示出了在 一定的负偏压下，光电二极管光电流输出特性。
PN结 PIN结
PIN光电二极管的特点 频带宽（可达10GHz） 灵敏度高 线性输出范围宽 噪声低
PIN硅光电二极管特点：
频带宽，可达 10GHz 。另一个特点是线性输出范围宽。 由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压 会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使 频带宽度变宽。 不足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零 点几微安至数微安。
电 流
照度
PIN光电二极管性能
3、雪崩光电二极管（APD）
PIN型光电二极管提高了PN结光电二极管的时间响应， 但对器件的灵敏度没有多少改善。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，使光电二 极管的光电灵敏度提高到需要的程度。
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。
硅光电二极管
硅光电二极管的特性
1.光谱特性
2.伏安特性
3.频率特性 4.温度特性
（1）光谱响应特性
通常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。硅光电二极管的电流响 应率通常在0.4~05A/W
Si光电二极管光谱响 应范围：0.4~1.1m 峰值响应波长约为 0.9 m
（2）伏安特性
i M i0
i为输出电流，i0为倍增前的电流. 倍增系数M与PN结所 加的反向偏压有关。
一般在100～200V。也 有的管子工作电压更高。
雪崩光电二极管特点: •雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率
响应快，带宽可达100GHz。是目前响应最快的一种
光敏二极管。它在微弱辐射信光伏器件。它利 用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应， 以获得光电流的增益。在雪崩过程中，光生载流子在 强电场的作用下高速定向运动，具有很高动能的光生 电子或空穴与晶格原子碰撞，使晶格原子电离产生二 次电子－空穴对；二次电子和空穴对在电场的作用下 获得足够的动能，又使晶格原子电离产生新的电子－ 空穴对，此过程像“雪崩”似地继续下去。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。
雪崩光电二极管输出电流 I 和反偏压 U 的关系示于图。 随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。当 反向偏压增加到一定数值时，光电流急剧增加，最后 器件被击穿，这个电压称为击穿电压UB。
输 出 光 电 I0 流
光电流 暗电 流 0 反向偏压 U UB
雪崩光电二极管的电流增益用倍增系数或雪崩增益M表 示，它定义为: