光電子技術(shù)王俊波光電二極管1.ppt

1、4.7 光電二極管,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,光電二極管的伏安特性,有光 光電接收二極管 反偏狀態(tài) 光電流（恒流） 光電流與照度線性關(guān)系,無光 暗電流,國產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。 2CU系列以N-Si為襯底， 2DU系列以P-Si為襯底 2CU系列光電二極管只有兩個引出線， 而2DU系列光電二極管有三條引出線，除了前極、后極外，還設了一個環(huán)極。 硅光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖 2DU管加環(huán)極的目的是為了減少暗電 流和噪聲。,光電二極管的

2、受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中又常含有少量的鈉、鉀、氫等正離子。 SiO2是電介質(zhì)，這些正離子在SiO2中是不能移動的，但是它們的靜電感應卻可以使P-Si表面產(chǎn)生一個感應電子層。 這個電子層與N-Si的導電類型相同，可以使P-Si表面與NSi連通起來。 當管子加反偏壓時，從前極流出的暗電子流，除了有PN結(jié)的反向漏電子流外，還有通過表面感應電子層產(chǎn)生的漏電子流，從而使從前極流出的暗電子流增大。,為了減小暗電流，設置一個N+-Si的環(huán)把受光面（N-Si）包圍起來，并從N+-Si環(huán)上引出一條引線（環(huán)極），使它接到比前極電位更高的電位上，為表面漏電子流提供一條不經(jīng)過負載即可達到電源的通

3、路。 這樣，即可達到減小流過負載的暗電流、減小噪聲的目的。 如果使用時環(huán)極懸空，除了暗電流、噪聲大些外，其它性能均不受影響。 2CU管子，因為是以N-Si為襯底，雖然受光面的SiO2防反射膜中也含有少量的正離子，而它的靜電感應不會使N-Si表面產(chǎn)生一個和P-Si導電類型相同的導電層，從而也就不可能出現(xiàn)表面漏電流，所以不需要加環(huán)極。,光電二極管的用法： 光電二極管的用法只能有兩種。 一種是不加外電壓，直接與負載相接。 另一種是加反向電壓，如圖所示。 a) 不加外電源 b) 加反向外電源 c) 2DU環(huán)極接法 實際上，不是不能加正向電壓，只是正接以后就與普通二極管一樣，只有單向?qū)щ娦裕憩F(xiàn)不出它

4、的光電效應。,加反向電壓時，伏安特性曲線常畫成如下圖所示的形式。 與硅光電池的伏安特性曲線圖比較，有兩點不同。 一是把硅光電池的伏安特性曲線圖中、象限里的圖線對于縱軸反轉(zhuǎn)了一下，變?yōu)樯蠄D(a)。這里是以橫軸的正向代表負電壓，這樣處理對于以后的電路設計很方便。 二是因為開路電壓UOC一般都比外加的反向電壓小很多，二者比較可略而不計，所以實用曲線常畫為上圖(b)的形式。,微變等效電路與頻率特性： 光電二極管的等效電路可表達如下： 其中圖a為實際電路； 圖b為考慮到光電二極管結(jié)構(gòu)、功能后畫出的微變等效電路，其中Ip為光電流，V為理想二極管，Cf為結(jié)電容，Rsh為漏電阻，Rs為體電阻，RL為負載電阻；

5、 圖c是從圖b簡化來的，因為正常運用時，光電二極管要加反向電壓，Rsh很大，Rs很小，所以圖b中的V、Rsh、Rs都可以不計，因而有圖c的形式；,圖d又是從圖c簡化來的，因為Cf很小，除了高頻情況要考慮它的分流作用外，在低頻情況下，它的阻抗很大，可不計。 因此具體應用時多用圖d和圖c兩種形式。 流過負載的交變電流復振幅為 ： ILIp1/(1+j),：入射光的調(diào)制圓頻率，2f，f為入射光的調(diào)制頻率。 = CfRL IL的模量為 可見，IL是頻率的函數(shù)，隨著入射光調(diào)制頻率的增加而減小。當=1/時， 這時f = 1/2 稱為上限截止頻率，或稱為帶寬。,幾種國產(chǎn)2CU型硅光電二極管的特性,幾種國產(chǎn)2

6、DU型硅光電二極管的特性,2.7.2 PIN管,PIN管是光電二極管中的一種。是在P型半導體和N型半導體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體。 這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于I層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。 由式 = CfRL與f = 1/2知，Cf小，則小，頻帶將變寬。因此，這種管子最大的特點是頻帶寬，可達10GHz。另一個特點是，因為I層很厚，在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。,PIN硅光電二極管,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)電容要進一步減小，使頻帶寬度變寬。 所不足的是，I層電阻很大，管子的輸出電流小，

7、一般多為零點幾微安至數(shù)微安。 目前有將PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內(nèi)的商品出售。,PIN光電二極管光電轉(zhuǎn)換,2.7.3 雪崩光電二極管,雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應來工作的一種二極管。 這種管子工作電壓很高，約100200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達到幾百。,雪崩二極管,當電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達106，即產(chǎn)生所謂的自持雪崩。 這種管子響應速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前響應速度最快的一種光電二極管。

8、噪聲大是這種管子目前的一個主要缺點。 由于雪崩反應是隨機的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。,2.7.4 光電晶體管,光電晶體管和普通晶體管類似，也有電流放大作用。只是它的集電極電流不只是受基極電路的電流控制，也可以受光的控制。 光電晶體管的外形，有光窗、集電極引出線、發(fā)射極引出線和基極引出線（有的沒有）。 制作材料一般為半導體硅，管型為NPN型，國產(chǎn)器件稱為3DU系列。 光電晶體管原理性結(jié)構(gòu)如右圖,正常運用時，集電極加正電壓。因此，集電結(jié)為反偏置，發(fā)射結(jié)為正偏置，集電結(jié)為光電結(jié)。 當光照到集電結(jié)上時，集電結(jié)即產(chǎn)生光電流Ip

9、向基區(qū)注入，同時在集電極電路即產(chǎn)生了一個被放大的電流Ic（Ie（1）Ip），為電流放大倍數(shù)。 因此，光電晶體管的電流放大作用與普通晶體管在上偏流電路中接一個光電二極管的作用是完全相同的。,光電晶體管的靈敏度比光電二極管高，輸出電流也比光電二極管大，多為毫安級。 但它的光電特性不如光電二極管好，在較強的光照下，光電流與照度不成線性關(guān)系。 所以光電晶體管多用來作光電開關(guān)元件或光電邏輯元件。 光電晶體管的伏安特性曲線如圖,2.7.5 陣列式或象限式結(jié)型光電器件,利用集成電路技術(shù)使2個至幾百個光電二極管或光電池排成一行，集成在一塊集成電路片子上，即成為陣列式的一維光電器件，也可以使光電二極管或光電池制

10、成象限式的二維光電器件。 這兩種器件中，襯底是共用的，而各光敏元都是獨立的，分別有各自的前極引出線。 這種器件的特點是，光敏元密集度大，總尺寸小，容易作到各 單元多數(shù)一致，便于信號處理。,就目前的應用看，兩個并列的光電二極管或光電池，可用來辨別光點移動的方向。 24個并列的光敏元，可用來收集光點移動的相位信息。 幾十個至幾百個或更多并列的光敏元，可用來攝取光學圖象或用作空間頻譜分析。 象限式光電器件可用來確定光點在二維平面上的位置坐標。多用于準直、定位、跟蹤或頻譜分析等方面。,2.7.6 光電位置探測器（PSD）Position Sensitive Detectors,PSD是利用離子注入技術(shù)

11、制成的一種可確定光的能量中心位置的結(jié)型光電器件，有一維的和二維的兩種。 當入射光是一個小光斑，照射到光敏面時，其輸出則與光的能量中心位置有關(guān)。 這種器件和象限光電器件比較，其特點是，它對光斑的形狀無嚴格要求， 光敏面上無象限分隔線， 對光斑位置可連續(xù)測量。,光電開關(guān)與光電耦合器,光電開關(guān)和光電耦合器都是由發(fā)光端和受光端組成的組合件。 光電開關(guān)不封閉，發(fā)光端與受光端之間可以插入調(diào)制板。 光電耦合器則是把發(fā)光元件與受光元件都封閉在一個不透光的管殼內(nèi)。 光電開關(guān)與光電耦合器結(jié)構(gòu)示意圖 a) 光電開關(guān) b) 光電耦合器,發(fā)光端與受光端彼此獨立，完全沒有電的聯(lián)系，兩端之間的電阻一般都在1011以上。 光

12、電開關(guān)多用于光電計數(shù)、報警、安全保護、無接觸開關(guān)，及各種光電控制等方面。 光電耦合器多用于電位隔離、電平匹配、抗干擾電路、邏輯電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、長線傳輸、過流保護，及高壓控制等方面。,2.7.7 光伏探測器使用要點,1）極性結(jié)型器件都有確定的極性，如要加電壓使用時，光電結(jié)必須加反向電壓，即P端與外電源的低電位相接。 2）使用時對入射光強范圍的選擇應視用途而定。 用于開關(guān)電路或邏輯電路時光照可以強些。 用于模擬量測量時，光照不宜過強。 因為一般器件都有這樣的性質(zhì)：光照弱些，負載電阻小些，加反偏壓使用時，光電線性好，反之則差。,3）靈敏度主要決定于器件，但也與使用條件和方法有關(guān)，例如光源和接收器在光譜特性上是否匹配；入射光的方向與器件光敏面法線是否一致等。 4）結(jié)型器件的響應速度都很快。它主要決定于負載電阻和結(jié)電容所構(gòu)成的時間常數(shù)（RC）。負載電阻大，輸出電壓可以大，但會變大，響應變慢。相反，負載電阻小些，輸出電