第七章光電二極管

光電二極管

以光導(dǎo)模式工作的結(jié)型光伏探測器稱為光電二極管種類：PN結(jié)型光電二極管（也稱PD）PIN結(jié)型光電二極管雪崩光電二極管（記為APD）肖特基勢壘光電二極管光電三極管……定義：3制造一般光電二極管的材料幾乎全部選用硅或鍺的單晶材料。由于硅器件較之鍺器件暗電流溫度系數(shù)小得多制作硅器件采用平面工藝使其管芯很容易精確控制因此硅光電二極管得到廣泛應(yīng)用硅光電二極管的兩種典型結(jié)構(gòu)，其中(a)是采用N型單晶硅和擴(kuò)散工藝，稱為p＋n結(jié)構(gòu)。它的型號是2CU型。而(b)是采用P型單晶磷和擴(kuò)散工藝，稱n＋p結(jié)構(gòu)。它的型號為2DU型。2CU型2DU型硅光電二極管的結(jié)構(gòu)5p+n結(jié)構(gòu)硅光電二極管(2CU)反向電壓偏置光敏二極管

光敏二極管的反向偏置接線及光照特性示意圖在沒有光照時，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。

當(dāng)光照增加時，光電流IΦ與光照度成正比關(guān)系。

光敏二極管的反向偏置接法RL光照外形光變化－電流變化光電轉(zhuǎn)換器光敏特性

（a）（b）光電二極管的符號與光電特性的測量電路（a）符號（b）光電特性的測量電路硅光電二極管硅光電二極管的特性1.光譜特性2.伏安特性3.頻率特性4.溫度特性（1）光譜響應(yīng)特性Si光電二極管光譜響應(yīng)范圍：0.4~1.1m峰值響應(yīng)波長約為0.9m通常將其峰值響應(yīng)波長的電流靈敏度作為光電二極管的電流靈敏度。硅光電二極管的電流響應(yīng)率通常在0.4~05A/W（2）伏安特性由圖可見，在低反壓下電流隨光電壓變化非常敏感。這是由于反向偏壓增加使耗盡層加寬、結(jié)電場增強(qiáng)，它對于結(jié)區(qū)光的吸收率及光生裁流子的收集效率影響很大。當(dāng)反向偏壓進(jìn)一步增加時，光生載流子的收集已達(dá)極限，光電流就趨于飽和。這時，光電流與外加反向偏壓幾乎無關(guān)，而僅取決于入射光功率。光電二極管在較小負(fù)載電阻下，入射光功率與光電流之間呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。圖示出了在一定的負(fù)偏壓下，光電二極管光電流輸出特性。（3）頻率響應(yīng)特性光電二極管的頻率特性響應(yīng)主要由三個因素決定：(a)光生載流子在耗盡層附近的擴(kuò)散時間；(b)光生載流子在耗盡層內(nèi)的漂移時間；(c)與負(fù)載電阻RL并聯(lián)的結(jié)電容Ci所決定的電路時間常數(shù)。頻率特性優(yōu)于光電導(dǎo)探測器,適宜于快速變化的光信號探測。某些光敏二極管的特性參數(shù)

由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收，因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層本征半導(dǎo)體(稱為I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。2、

PIN光電二極管原理P-SiN-SiI-SiPIN管結(jié)構(gòu)PN管結(jié)構(gòu)PIN管結(jié)構(gòu)示意圖PIN管的結(jié)構(gòu)：在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層本征半導(dǎo)體。因為本征層相對于P區(qū)和N區(qū)是高阻區(qū)這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于I層中。2、

PIN光電二極管原理P-SiN-SiI-SiI層很厚，吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子-空穴對，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率，從而使靈敏度得以提高。兩側(cè)P層和N層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整個耗盡層，因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應(yīng)速度。P-SiN-SiI-Si

PIN光電二極管原理I層所起的作用:本征層的引入，明顯增大了p+區(qū)的耗盡層的厚度，這有利于縮短載流子的擴(kuò)散過程。耗盡層的加寬，也可以明顯減少結(jié)電容Cj,從爾使電路常數(shù)減小。同時耗盡加寬還有利于對長波區(qū)的吸收。性能良好的PIN光電二極管，擴(kuò)散和漂移時間一般在10-10s數(shù)量級，頻率響應(yīng)在千兆赫茲。實(shí)際應(yīng)用中決定光電二極管的頻率響應(yīng)的主要因素是電路的時間常數(shù)。合理選擇負(fù)載電阻是一個很重要的問題。PN結(jié)PIN結(jié)

頻帶寬（可達(dá)10GHz）靈敏度高線性輸出范圍寬噪聲低PIN光電二極管的特點(diǎn)PIN硅光電二極管特點(diǎn)：頻帶寬，可達(dá)10GHz。另一個特點(diǎn)是線性輸出范圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結(jié)電容要進(jìn)一步減小，使頻帶寬度變寬。不足：I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。照度電流PIN光電二極管性能3、雪崩光電二極管（APD）PIN型光電二極管提高了PN結(jié)光電二極管的時間響應(yīng)，但對器件的靈敏度沒有多少改善。為了提高光電二極管的靈敏度，人們設(shè)計了雪崩光電二極管，使光電二極管的光電靈敏度提高到需要的程度。雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。雪崩光電二極管是具有內(nèi)增益的一種光伏器件。它利用光生載流子在強(qiáng)電場內(nèi)的定向運(yùn)動產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，以獲得光電流的增益。在雪崩過程中，光生載流子在強(qiáng)電場的作用下高速定向運(yùn)動，具有很高動能的光生電子或空穴與晶格原子碰撞，使晶格原子電離產(chǎn)生二次電子－空穴對；二次電子和空穴對在電場的作用下獲得足夠的動能，又使晶格原子電離產(chǎn)生新的電子－空穴對，此過程像“雪崩”似地繼續(xù)下去。電離產(chǎn)生的載流子數(shù)遠(yuǎn)大于光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子數(shù)，這時雪崩光電二極管的輸出電流迅速增加。APD載流子雪崩式倍增示意圖高速運(yùn)動的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對。新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增。所以這種器件就稱為雪崩光電二極管(APD)。雪崩光電二極管(APD)雪崩光電二極管輸出電流I和反偏壓U的關(guān)系示于圖。隨著反向偏壓的增加，開始光電流基本保持不變。當(dāng)反向偏壓增加到一定數(shù)值時，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個電壓稱為擊穿電壓UB。光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關(guān)系雪崩光電二極管的電流增益用倍增系數(shù)或雪崩增益M表示，它定義為:倍增系數(shù)M與PN結(jié)所加的反向偏壓有關(guān)。一般在100～200V。也有的管子工作電壓更高。i為輸出電流，i0為倍增前的電流.雪崩光電二極管具有電流增益大，靈敏度高，頻率響應(yīng)快，帶寬可達(dá)100GHz。