光电二极管PPT
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雪崩光电二极管(ADP)演示ppt
第贰章
特 性 参 数
平均雪崩增益
响应度
过剩噪音因子
Si，Ge，InGaAs雪崩光电二 极管的通用工作特性参数
第三章
功 能 比 较
带噪量可结
宽声子靠构
二 较 小 效 性 简
高
率高单 高，
极
电
管
压 低
特
，
点
使
用
方
便
ADP PIN
噪高高灵
声电增敏
大压益度
，
高二
结 构
极
复
管
杂
特
点
第肆章
应 用 举 例
明朝会
与真空光电倍增管相比，雪崩光电二极管具有小 型、不需要高压电源等优点，因而更适于实际应用; 与一般的半导体光电二极管相比，雪崩光电二极管具 有灵敏度高、速度快等优点.特别当系统带常比较大 时，能使系统的探测性能获得大的改善。
因此，雪崩光电二极管主要应用与激光测距仪、 共焦显微镜检查、视频扫描播成像仪、高速分析仪器、 自由空间通信、紫外线传感、分布式温度传感器等领 域。
雪
（
崩 光
ADP
电
）
二 极
管
2021.4.14
壹
贰
叁
肆
名
特
功
应
词
性
能
用
释
参
比
举
义
数
较
例
第壹章
名 词 释 义
东南 胜形
APD是激光通信中使用的光敏元件。 在以硅或锗为材料制成的光电二极管的 P-N结上加上反向偏压后,射入的光被PN结吸收后会形成光电流。加大反向偏 压会产生“雪崩”(即光电流成倍地激增) 的现象,因此这种二极管被称为“雪崩光 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
《光电二极管光电池》PPT课件
一、光电二极管 光电二极管等效电路示图 (d) 中。 因为光电二极管总是在反向偏 压下工作，所以iD ＝iS，iS和 光电流iφ都是反向电流。
为了符合人们通常的观察习 惯，把图中第三象限的伏安 特性在i和u倒转后变到第一 象限中,如图 (a)所示。其 中，弯曲点M′所对应的电 压 值 V″ 称 为 曲 膝 电 压 。 为 分析方便，经线性化处理后 的特性曲线如图所示。
这是一种由金属和半导 体接触所制成的光电二 极管，所以这种光电二 极管也称为金属半导体 光电二极管：
M
-
++ ++ ++ ++ ++
S
当金属和n型半导体接触时， 由于金属的费米能级比半导 体的费米能级低，n型半导体 内的电子便向金属内移 动．结果金属一侧带负电。
半导体一侧带正电，形 成内电场。由于内电场 的存在，它将阻止n型 半导中的电子继续移向 金属．直至建立起稳定 的内部电场。
异质结光电二极管有Si-PbS， CdS-PbS，Pb1xSxSb-Pbs，Pb1-xSnxTe-PbTe…等。
四、雪崩光电二极管(APD)
雪崩光电二极管是利用二极管在 高的反向偏压下发生雪崩倍增效 应而制成的光电探测器。
这种器件有电流内增益，一般硅 或锗雪崩光电二极管电流内增益 可达102--103，灵敏度高，响应 速度快，在超高频的调制光照射 下仍有很显著的增益。
要的。图是光电二极管的噪声等效电路。对高频应用，两个主要的噪声源是
散粒噪声
和电阻热噪声
。
i2 nTຫໍສະໝຸດ ins 2所以输出噪声电流的有效值为
I n (ins 2 inT 2 )1/ 2
[2e(is
二极管及应用PPT课件
NO.3 光电（光敏）二极管
1、符号
NO.3 光电（光敏）二极管
2、特性：将光信号转变成电信号 3、工作条件：加反向电压。工作在反向偏置状态（反向 截止区）。
NO.3 光电（光敏）二极管
4、主要参数： （1）最高工作电压 VRM：光电二极管在无光照条件下，反 向电流不超过 0.1 A 时所能承受的最高反向电压。VRM 越 大，管子性能越稳定。
6、两个稳压二极管串联 （1）U导通=0.7V，UZ1=6V，UZ2=8V。 ③两反
NO.2 稳压二极管
6、两个稳压二极管串联 （1）U导通=0.7V，UZ1=6V，UZ2=8V。 ④两正
NO.2 稳压二极管
7、两个稳压二极管并联 假设两个硅稳压二极管，VZ1的稳压值是6V，VZ2的稳压值是
8V，他们的导通压降均为0.7V。现将他们两并联，可以得到几种输 出电压值？
NO.2 稳压二极管
7、两个稳压二极管并联 （1）U导通=0.7V，UZ1=6V，UZ2=8V。 ①一正一反
NO.2 稳压二极管
7、两个稳压二极管并联 （1）U导通=0.7V，UZ1=6V，UZ2=8V。 ②一反一正
NO.2 稳压二极管
7、两个稳压二极管并联 （1）U导通=0.7V，UZ1=6V，UZ2=8V。 ③两反
8V，他们的导通压降均为0.7V。现将他们两串联，可以得到几种输 出电压值？
NO.2 稳压二极管
6、两个稳压二极管串联 （1）U导通=0.7V，UZ1=6V，UZ2=8V。 ①一正一反
NO.2 稳压二极管
6、两个稳压二极管串联 （1）U导通=0.7V，UZ1=6V，UZ2=8V。 ②一反一正
NO.2 稳压二极管
NO.4 变容二极管
雪崩光电二极管(APD)PPT课件
杂区，而且很宽。当偏压加到一定p程 度后，耗尽区 将被拉通到π层，一直抵达 层 。
结构——APD
2、保护环型硅雪崩光电二极管（GAPD） 其雪崩增益与反向偏压间的非线性关系
非常突出，所以具有很高的响应度的优点。 要想得到足够大的增益，GAPD 必须工作在接 近击穿电压处，但击穿电压对温度的变化十 分敏感，因此有了增益对温度变化很敏感的 缺点。
雪崩光电二极管 （APD）
目录
• 名词释义 • 工作原理 • 制造材料的选择 • 结构 • 特性参数 • PIN光电二极管和APD光电二极管的比较 • 应用
名词释义——APD
APD是激光通信中使用的光敏元件。在以硅或 锗为材料制成的光电二极管的P-N结上加上反向偏压 后，射入的光被P-N结吸收后会形成光电流。加大反 向偏压会产生“雪崩”（即光电流成倍地激增）的 现象，因此这种二极管被称为“雪崩光电二极管” 。
F Gx
式中，x是过剩噪声指数。其 与器件所用材料和制造工艺有关。 Si-APD的x在0.3-0.5之间，Ge-APD的 x在0.8-1.0之间，InGaAs-APD的x在 0.5-0.7之间。
Si，Ge，InGaAs雪崩光电二极管的通 用工作特性参数
参数 符号
波长范围
雪崩增益 G
暗电流
ID
上升时间 t
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。
制造材料的选择
• 理论上，在倍增区中可采用任何半导体材料。 • 硅材料适用于对可见光和近红外线的检测，且具有较低的
倍增噪声（超额噪声）。 • 锗材料可检测波长不超过1.7µm的红外线，但倍增噪声较
大。 • InGaAs材料可检测波长超过1.6µm的红外线，且倍增噪声
结构——APD
2、保护环型硅雪崩光电二极管（GAPD） 其雪崩增益与反向偏压间的非线性关系
非常突出，所以具有很高的响应度的优点。 要想得到足够大的增益，GAPD 必须工作在接 近击穿电压处，但击穿电压对温度的变化十 分敏感，因此有了增益对温度变化很敏感的 缺点。
雪崩光电二极管 （APD）
目录
• 名词释义 • 工作原理 • 制造材料的选择 • 结构 • 特性参数 • PIN光电二极管和APD光电二极管的比较 • 应用
名词释义——APD
APD是激光通信中使用的光敏元件。在以硅或 锗为材料制成的光电二极管的P-N结上加上反向偏压 后，射入的光被P-N结吸收后会形成光电流。加大反 向偏压会产生“雪崩”（即光电流成倍地激增）的 现象，因此这种二极管被称为“雪崩光电二极管” 。
F Gx
式中，x是过剩噪声指数。其 与器件所用材料和制造工艺有关。 Si-APD的x在0.3-0.5之间，Ge-APD的 x在0.8-1.0之间，InGaAs-APD的x在 0.5-0.7之间。
Si，Ge，InGaAs雪崩光电二极管的通 用工作特性参数
参数 符号
波长范围
雪崩增益 G
暗电流
ID
上升时间 t
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。
制造材料的选择
• 理论上，在倍增区中可采用任何半导体材料。 • 硅材料适用于对可见光和近红外线的检测，且具有较低的
倍增噪声（超额噪声）。 • 锗材料可检测波长不超过1.7µm的红外线，但倍增噪声较
大。 • InGaAs材料可检测波长超过1.6µm的红外线，且倍增噪声
光电二极管电流课件PPT
光电倍增管响应速度很快，不到1ns。
缺点：成本高，体积大，重量大，需要一个能提
供数百伏偏置电压的电压源。
2021/3/10
19
7.3 Semiconductor Photodiode 半导体光电二 半导体光电二极管极体积管小，重量轻，灵敏度
高，响应速度快，在几伏的偏置电压下即可 工作。
定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之
比，即
发射电子数
入射光子数
发射电子数
P hf
iePePCP
hf hc
检测电流正 比于光功率
在子－光空电穴二Pi对极，管h因的e此应f检用测中he器，c的10量0个子U光效子率会范产e围h生P为f303RL到0%9~5个95P电%R。L
2021/3/10
2021/3/10
11
例7.1，铯是一种常见的光致发光材料，其 功函数为1.9eV,计算其截止波长。
1.240.65m
1.9
光波长小于这个值时，光子能量超过功函数， 才能被铯阴极检测到。
2021/3/10
12
Quantum Efficiency 量子效率
量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它
i e0.00A 6/W 4
P hc
M 1 .9 1 5 6 0 0 .00 1 .6 5 k 2 /W 4 A
iM 1.5 2 13 0 1 6 0 1.5 2 mA
2021/3/1U 0 M 1.5 2 13 05 0 6m 25V
18
Photomultiplier
光电倍增管产生内部增益(Internal Gain)，可以 在不显著降低信噪比的情况下放大信号，而放大 器的外部增益（External Gain）一般会引入噪声 ，降低信噪比。
缺点：成本高，体积大，重量大，需要一个能提
供数百伏偏置电压的电压源。
2021/3/10
19
7.3 Semiconductor Photodiode 半导体光电二 半导体光电二极管极体积管小，重量轻，灵敏度
高，响应速度快，在几伏的偏置电压下即可 工作。
定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之
比，即
发射电子数
入射光子数
发射电子数
P hf
iePePCP
hf hc
检测电流正 比于光功率
在子－光空电穴二Pi对极，管h因的e此应f检用测中he器，c的10量0个子U光效子率会范产e围h生P为f303RL到0%9~5个95P电%R。L
2021/3/10
2021/3/10
11
例7.1，铯是一种常见的光致发光材料，其 功函数为1.9eV,计算其截止波长。
1.240.65m
1.9
光波长小于这个值时，光子能量超过功函数， 才能被铯阴极检测到。
2021/3/10
12
Quantum Efficiency 量子效率
量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它
i e0.00A 6/W 4
P hc
M 1 .9 1 5 6 0 0 .00 1 .6 5 k 2 /W 4 A
iM 1.5 2 13 0 1 6 0 1.5 2 mA
2021/3/1U 0 M 1.5 2 13 05 0 6m 25V
18
Photomultiplier
光电倍增管产生内部增益(Internal Gain)，可以 在不显著降低信噪比的情况下放大信号，而放大 器的外部增益（External Gain）一般会引入噪声 ，降低信噪比。
《自光电二极管列阵》课件
《自光电二极管列阵》PPT课 件
这份课件将介绍自光电二极管列阵的基本原理、应用场景和未来发展前景。
光电二极管基础
光电二极管是一种将光信号转换为电信号的器件。本节将介绍它的结构和基本工作原理。
结构
光电二极管的典型结构包括p-n结、引线、玻 璃保护窗等部分。
原理
光照射到p-n结上，电子-空穴对会被激发并分 离，从而产生电流。
• 2Y0Y1L8i.et al., "A comprehensive review of photodetectors for medical imaging," Physics in Medicine & Biology, vol. 64, no. 14, 2019.
总结
本课程介绍了自光电二极管列阵技术的基本原理和应用，还对其发展趋势进行了探讨。
自光电二极管列阵技术
自光电二极管列阵是一种将多个光电二极管按特定布局排列的技术，具有以下特点。
高精度
自光电二极管列阵采用微纳加工技术，具 有较高的制造精度。
高灵敏度
与单个光电二极管相比，自光电二极管列 阵具有更高的光信号检测灵敏度。
自光电二极管列阵的应用
自光电二极管列阵在多个领域都有广泛应用，包括以下三个领域。
1
光通信
自光电二极管列阵可以用于高速光信号检测和解调，广泛应用于光纤通信系统中。
2
光雷达
自光电二极管列阵可以用于高分辨率光雷达系统中，有助于实现高精度三维成像。
3
红外成像
自光电二极管列阵也可以用于红外成像等领域，在军事、安防等领域具有广泛应 用。
参考文献
以下是该领域的一些相关文献和研究论文，供读者参考。
1 优点
这份课件将介绍自光电二极管列阵的基本原理、应用场景和未来发展前景。
光电二极管基础
光电二极管是一种将光信号转换为电信号的器件。本节将介绍它的结构和基本工作原理。
结构
光电二极管的典型结构包括p-n结、引线、玻 璃保护窗等部分。
原理
光照射到p-n结上，电子-空穴对会被激发并分 离，从而产生电流。
• 2Y0Y1L8i.et al., "A comprehensive review of photodetectors for medical imaging," Physics in Medicine & Biology, vol. 64, no. 14, 2019.
总结
本课程介绍了自光电二极管列阵技术的基本原理和应用，还对其发展趋势进行了探讨。
自光电二极管列阵技术
自光电二极管列阵是一种将多个光电二极管按特定布局排列的技术，具有以下特点。
高精度
自光电二极管列阵采用微纳加工技术，具 有较高的制造精度。
高灵敏度
与单个光电二极管相比，自光电二极管列 阵具有更高的光信号检测灵敏度。
自光电二极管列阵的应用
自光电二极管列阵在多个领域都有广泛应用，包括以下三个领域。
1
光通信
自光电二极管列阵可以用于高速光信号检测和解调，广泛应用于光纤通信系统中。
2
光雷达
自光电二极管列阵可以用于高分辨率光雷达系统中，有助于实现高精度三维成像。
3
红外成像
自光电二极管列阵也可以用于红外成像等领域，在军事、安防等领域具有广泛应 用。
参考文献
以下是该领域的一些相关文献和研究论文，供读者参考。
1 优点
PN结型光电二极管ppt课件
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
基本概念
在光电器件中,自发发射、受激辐 射和受激吸收过程总是同时出现的。 但对于各个特定的器件,只有一种 机理起主要作用。这三种作用机理 对应的器件分别是：发光二极管、 半导体激光器和光电二极管。
缺点
倍增为随机性的，放大电流的随机性或 不可预测性限制了管子的灵敏度，所以， 在设计雪崩管时应注意尽量减小随机性。
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
硅雪崩型光电二极管管心的结构图
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
Picture of PIN Photodiode PIN光电管照片
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
三、雪崩型光电二极管--APD
由于普通光电二极管产生的电流微弱，进行放大和处理 时将引入放大器噪声。为了克服这种缺点，有必要加大 光电管的输出电流，由此产生了雪崩型光电二极管。
二极管上不加电压，利用PN结在受光照时 产生正向电压的原理，把光电二极管用作 光致发电器件，这种器件称为光电池。 光纤传感器中这两类器件都得到应用。
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
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光电二极管
组员：姚骏杰、祝大时、彭国彬、王启志
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
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。
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
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。
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。
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。它在微弱辐射信号的探测方向被广泛
P-Si I-Si N-Si
PIN管结构示意图
Байду номын сангаас
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。
因此硅光电二极管得到广泛应用
3
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型单晶和磷扩散工艺，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)
反向电压偏置
5
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。
输出光电流I0
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:
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
雪崩光电二极管是具有内增益的一种光伏器件。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。
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。
硅光电二极管的封装
6
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。
光敏二极管外形
包含1024个InGaAs元件 的线性光电二极管阵列，可用 于分光镜。
（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
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
组员：姚骏杰、祝大时、彭国彬、王启志
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
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。
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
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。
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。
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。它在微弱辐射信号的探测方向被广泛
P-Si I-Si N-Si
PIN管结构示意图
Байду номын сангаас
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。
因此硅光电二极管得到广泛应用
3
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型单晶和磷扩散工艺，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)
反向电压偏置
5
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。
输出光电流I0
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:
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
雪崩光电二极管是具有内增益的一种光伏器件。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。
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。
硅光电二极管的封装
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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。
光敏二极管外形
包含1024个InGaAs元件 的线性光电二极管阵列，可用 于分光镜。
（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
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