第六章2 光电二极管
光电二极管 (2)
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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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
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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。
第六章2 光电二极管
I c Ib I p SE E
等效：光电二极管与普通晶体管的组合
二、特性参数 1、伏安特性： 1）电流大于二极管，mA量级，光放大作用； 2）零偏置时，输出电流微小； 3）要有合适的工作电压，工作线性范围与工作电压有 关。
Ic(mA)
E 增 大
Vce(V)
硅光电三极管的伏安特性曲线
三、工作模式 1、无基极引线：依靠光“注入”，把集电结光电二极管的 光电流加以放大 优点：暗电流小，适用于低速光电开关
2、有基极引线：能给其提供适当的基极偏流 优点： 1）可减小光敏三极管的发射电阻，改善弱光条件下的频率 特性； 2）使交流放大系数进入线性区，有利于调制光的探测。 四、应用：光电控制、光开关
基区空穴向 发射区的扩散可 忽略。
p
Vc
n
进入P 区的电 子少部分与基区的 空穴复合，多数扩 散到集电结。
发射结正偏， 发射区电子不断向 基区扩散，形成发 射极电流Ie。
光照下总的集电极电流为
I c Ib I cb 0
其中β为光电三极管的电流放大倍数，Ib为基极电流， Icb0 为无光照下集电结的反向饱和电流。 一般情况下， Ib>> Icb0
0.1-0.01 1000
大 小
二、光电二极管的特性参数 1、伏安特性： 光照下p-n结光电二极管的伏安特性可用下式表示
qV I L I 0 exp kT
ห้องสมุดไป่ตู้ 1 S E E
式中V为p-n结两端外加电压 1）光照后，光电二极管的伏安 特性曲线沿电流轴向下平移，平 移幅度与光照成正比。 2）在一定反向电压范围内，反 向电流的大小几乎与反向电压无 关，而在入射光照度一定条件下， 输出电流恒定。 IL（μA） V
光电二极管检测电路的工作原理及设计方案
光电二极管检测电路的工作原理及设计方案目录一、内容描述 (2)二、光电二极管基本知识 (3)1. 光电二极管的工作原理 (4)2. 光电二极管的特性与参数 (4)三、光电二极管检测电路的工作原理 (6)1. 光电检测电路的基本概念 (7)2. 光电检测电路的工作原理详解 (7)四、设计方案 (9)1. 设计目标及要求 (10)2. 电路设计 (11)（1）电路拓扑结构 (12)（2）元器件选择与参数设计 (13)3. 信号处理与放大电路 (15)（1）信号输入与处理电路 (16)（2）信号放大电路 (17)4. 电源及辅助电路设计 (18)（1）电源电路设计 (20)（2）保护及指示电路设计 (21)五、实验验证与优化 (22)1. 实验设备与工具准备 (23)2. 实验操作流程及步骤说明 (24)3. 数据记录与分析处理 (25)4. 电路性能评估与优化建议 (26)六、实际应用场景及推广价值 (27)1. 实际应用场景分析 (28)2. 推广价值及市场前景展望 (29)七、总结与展望 (30)一、内容描述光电二极管检测电路是一种基于光电效应工作的电子检测电路，主要用于检测光信号的强度或光照度。
该电路通过光电二极管将光信号转换为电信号，进而实现对光信号的测量、监控和控制。
本文将详细介绍光电二极管检测电路的工作原理及设计方案。
在光电二极管检测电路中，光电二极管作为核心元件，其工作原理主要基于光电效应。
当光线照射到光电二极管时，光子能量被材料中的电子吸收，从而使电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对，产生光生电流。
通过测量光生电流的大小，可以反映光照度的强弱。
根据不同的应用场景和需求，光电二极管检测电路的设计方案也有所不同。
常见的设计方案包括：直接测量法：通过测量光电二极管产生的光生电流来直接反映光照度。
这种方法简单直观，但受限于光电二极管的响应速度和灵敏度，适用于低光照度测量。
信号放大法：通过对光电二极管产生的光生电流进行放大处理，可以提高测量灵敏度和精度。
光电二极管的工作原理及其应用
光电二极管的工作原理及其应用光电二极管是一种特殊的半导体器件，通过光的作用来产生电信号。
光电二极管广泛应用于光电测量、光电通信、光电成像等领域。
本文将从光电二极管的工作原理和应用两方面展开讨论。
一、光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理是基于光电效应的。
光电效应是指光照射到金属或半导体上时，物质中的电子受到能量的刺激而被释放出来。
当光照射到光电二极管中的半导体材料时，光子的能量被传递到半导体中的电子，电子受到能量刺激后跃迁到导带中，产生电子空穴对。
这些电子空穴对在外电场的作用下被分离，这就是光电二极管产生电流的原理。
光电二极管的构造是由n型和p型半导体层组成的。
在n型半导体的表面上加一层p型半导体以形成pn结，这个结就是光电二极管的关键部分。
当光子照射在pn结上时，光子的能量被传递给半导体，电子从能量较低的价带跃迁至能量较高的导带中，导带中的电子在外加电场的作用下，向p区移动，价带中的空穴向n 区移动。
这样就形成了电子空穴对，形成一个电路。
如果在光子作用下，外电压恰好等于内部电势差，电子空穴对能够产生电流，这就是光电二极管的输出信号。
光电二极管有多种类型，如Si（硅）光电二极管、Ge（锗）光电二极管、InGaAsP（化合物半导体）光电二极管等。
它们在不同的波长范围内具有不同的灵敏度。
二、光电二极管的应用1. 光电测量光电二极管广泛应用于光电测量中。
例如，它可用于光学频率计的接收端，利用反射光调制输出电流变化来转换频率信号。
它也可以用于激光功率测试，直接将激光束照射在光电二极管上，通过光电二极管产生的电流来测量激光功率。
2. 光电通信光电二极管在光电通信中也具有广泛的应用。
例如，它可以用于光导纤维解调器的接收端，将光信号转换成电信号，并进一步处理后将其转换回光信号，以便进行传输。
它也可以用于信号放大器和光电门控制器等领域。
3. 光电成像光电二极管在光电成像领域中也具有广泛的应用。
例如，它可用于早期计算机的摄像头中，将光信号转换成模拟电信号，进一步处理后可用于显示器上。
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三、工作模式 1、反偏（光电导模式）：一般工作于此模式 特点：1）反偏动态电阻大，负载可选择范围较大； 2）光电流小，不利于检测微弱信号。 2、零偏（光伏工作模式）： 负载电阻远小于动态电阻，接近短路 1）RL必须小，响应时间小，频率特性好； 2）输出信号无暗电流，适于弱光探测； 3）线性范围宽。 四、应用 光电探测，实现光电转换。 输出信号弱，需放大装置。
三、工作模式 1、无基极引线：依靠光“注入”，把集电结光电二极管的 光电流加以放大 优点：暗电流小，适用于低速光电开关
2、有基极引线：能给其提供适当的基极偏流 优点： 1）可减小光敏三极管的发射电阻，改善弱光条件下的频率 特性； 2）使交流放大系数进入线性区，有利于调制光的探测。 四、应用：光电控制、光开关
• 半导体光电二极管
• 半导体光电三极管
第三节：光电二极管
优点： 量子效率高、噪声低、响应快、线性工作范围大、 耗电少、体积小、寿命长及使用方便。
结构： PN结型、PIN结型、雪崩型以及肖特基结型 制造材料：硅、锗、砷化镓、磷砷化镓等
一、光电二极管的原理及结构
原理：光电二极管一般工作在反向偏置状态
第四节 光电三极管
一、结构原理
光电三极管放 大的外部条件 发射结正偏 集电结反偏 从电位的角度看： npn Vc>Vb >Ve
SiO2
c
c
c b e
n p
n
e
e
b
Vc RL
硅光电三极管结构原理图及符号
集电结反偏， 光照产生光电流
n+
从基区扩散来的电 子作为集电结的少 子，漂移进入集电 结而被收集
2、响应时间： 取决于：1）光生载流子扩散到结区的时间； 2）势垒区中的漂移时间； 3）基区载流子渡越时间； 4）集电结、反射结结电容。
3、温度特性 集电结反向饱和电流Iceo与放大系数随温度最敏感， 温度升高时， Iceo变化远大于光电流的变化，放大系 数变化，线性范围漂移，严重时无法工作。 进行温度补偿十分必要
0.1-0.01 1000
大 小
二、光电二极管的特性参数 1、伏安特性： 光照下p-n结光电二极管的伏安特性可用下式表示
qV I L I 0 exp kT
1 S E E
式中V为p-n结两端外加电压 1）光照后，光电二极管的伏安 特性曲线沿电流轴向下平移，平 移幅度与光照成正比。 2）在一定反向电压范围内，反 向电流的大小几乎与反向电压无 关，而在入射光照度一定条件下， 输出电流恒定。 IL（μA） V
光电二极管和光电池的主要差别：用途不同
光电池：能量转化 光电二极管：探测 提高转化率 灵敏度、响应快、高量子效率
特性差异：1、响应范围要求不同； 2、响应时间不同 3、工作模式不同 结构差异
偏置方式 掺杂浓度 电阻率 受光面积 （cm3） （/cm） 光电池 光电二极管
零偏 反偏
1016-1019 1012-1013
3、暗电流 光电二极管的暗电流包括： 1）反向饱和电流：反偏时有少数载流子扩散引起的 2）势垒区产生—复合电流：势垒区存在复合中心 3）表面漏电流
4、响应时间 取决于：1）光生载流子扩散到结区的时间 2）光生载流子在势垒区中的漂移时间 3）势垒电容引起的介电时间驰豫
减小PN结光电二极管的响应时间，可采取如下措施 1）减小PN结面积； 2）增加势垒区宽度，提高材料体电阻率和增加结深； 3）适当增加工作电压； 4）尽量减少结构造成的分布电容； 5）增加PN结深，减小串联电阻； 6）设计选用最佳负载阻值。 5、温度特性 温度增加，光电流增加，暗电流也增加，信噪比降低 信号检测时，应采取恒温或补偿措施。
SiO2
n
p
Vb
RL
图6.2.1 硅光电二极管原理图
结构：与光电池相似 根据基底不同，分为2DU型和2CU型： 2DU型：P型基底上重掺杂N+型层 2CU型：N型基底上重掺杂P+型层
SiO2 n
p
图6.2.2 硅光电二极管示意图及符号
环极结构
前极 环极
SiO2 n p
表面漏 电流
n+
n p
后极
图6.2.3 环极结构图
I c Ib I p SE E
等效：光电二极管与普通晶体管的组合
二、特性参数 1、伏安特性： 1）电流大于二极管，mA量级，光放大作用； 2）零偏置时，输出电流微小； 3）要有合适的工作电压，工作线性范围与工作电压有 关。
Ic(mA)
E 增 大
Vce(V)
硅光电三极管的伏安特性曲线
E 增 大
图6.2.4 光电二极管
的伏安特性曲线
2、光谱响应： 响应率随波长的变化曲线称为光谱响应曲线 长波：基区少子寿命和扩散长度 短波：受光表面载流子的复合速度和 表面区中的寿命 设计时应考虑 1）改善长波响应的措施 A、选用电阻率高的材料：增加基区少子的扩散长度； B、尽可能选取少子寿命长的材料，减少体内复合损失； C、加强退火处理，减少在高温热处理后，基区少子寿 命降低造成的损失。 2）改善短波相应的措施 A、减小结深； B、选择适当掺杂剂和表面浓度； C、提高表面质量，通过钝化来降低表面复合速度。
基区空穴向 发射区的扩散可 忽略。
p
Vc
n
进入P 区的电 子少部分与基区的 空穴复合，多数扩 散到集电结。
发射结正偏， 发射区电子不断向 基区扩散，形成发 射极电流Ie。
光照下总的集电极电流为
I c Ib I cb 0
其中β为光电三极管的电流放大倍数，Ib为基极电流， Icb0 为无光照下集电结的反向饱和电流。 一般情况下， Ib>> Icb0