《光电二极管光电池》PPT课件

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1、利用p-n结的光伏效应而制成的光电探测器称为光伏探测器。和光电导探测器不同，光伏探测器的内电流增益等于1。光电二极管光伏探测器有光电池和光电二极管之分，相应于两种工作模式。一、两种工作模式p-n结光伏探测器用图（a）中的符号表示，它等效为一个普通二级管和一个恒流源（光电流源）并联，如图（b）所示。有两种不同的工作方式，由外偏压回路决定在零偏压时，如图（c）称为光伏工作模式当外电路采用反偏压时，即外加p端为负n端为正的电压时，如图（d）所示，称为光导工作模式。我们知道，普通二极管的伏安特性为因此，光伏探测器的总电流为式中e是电子电荷，u是

2、探测器两端电压，K是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，第一象限是正偏压状态，iD本来就很大，所以光电流不起主要作用，在这一区域工作没有意义。第三象限是反偏压状态，这时，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流（对应于光功率P=0），数值很小，这时的光电流（等于i－is）是通过探测器的主要电流。光伏探测器的伏安特性曲线即i～u曲线如图所示。由于这种情况外回路特性与光电导探测器十分相似，所以反偏压下的工作方式称为光导模式，相应的探测器称为光电二极管。在第四象限中，外偏压为零时，流过探测器的电流仍为光电流，这时探测器的输出是通过负载电阻RL上

3、的电压或流过RL上的电流来体现的，因此称为光伏工作模式。相应的探测器称为光电池。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。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。为保证输出光电流和入射光功率之间呈线性关系，如何确定电路的最佳负载电阻。当光信号功率由P′慢慢变化到P″，为使输出光电流和入射光功率之间呈线性

4、变化，负载线必须通过M′点的右方。如还要求输出电压最大，则负载线必须通过M′点，这时最大输出电压umax可求得为当光电二极管用于慢变化光功率探测时，其伏安特性曲线如图所示。与此相应的GL为式中Ri为光电二极管的电流灵敏度,g是光电二极管的内电导,其值等于管子内阻的倒数,g′是光电二极管的临界电导，GL是负载电阻RL的倒数。如进一步要求电流输出最大，则由图可知，在给定V值后，通过u轴上V值的点并垂直于u轴的负载线，即GL＝∞或RL＝0的负载线，具有最大的电流输出，显然有当光电二极管用于对脉冲光信号探测时，其探测电路和伏安特性如图所示。假定

5、光信号功率作正弦脉动，即P＝P0+Pmsinωt通常所关心的问题是：给定入射光功率时，最佳功率输出的条件，以及给定反偏压V时，最佳功率输出的条件。Rs是体电阻和电极接触电阻，一般很小。考虑到这两个因素之后，工程计算的简化等效电路如（b）所示。其高频截止频率fC为其中（a）是比较完全的等效电路，Rd是光电二极管的内阻，亦称暗电阻。由于反偏压工作，所以光电二极管可以等效为一个高内阻的电流源。光电二极管的高频等效电路如图所示。通常定义电路的时间常为事实上，光电二极管的频率响应不仅决定于上述的电路时间常数，因此在制造工艺上要尽量减小这个时间，所

6、以，一般把光敏面做得很薄。还与光生载流子在耗尽层附近的扩散时间和光生载流子在耗尽层内的漂移时间有关，对硅光电二极管，前者也具有10-5秒量极，后者有10-11秒量级。由于光电二极管常常用于微弱信号的探测。因此了解它的噪声性能是十分必要的。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。所以输出噪声电流的有效值为式中is、ib、id分别是信号光电流、背景光电流和反向饱和暗电流的平均值。由式可见，从材料及制造工艺上尽量减小id，并合理选取负载电阻RL是合理减小噪声的有效途径。制造光电二极管的材料几乎全部选用

7、硅或锗的单晶材料。由于硅器件较之锗器件暗电流小得多，频率特性好，因此硅光电二极管得到了广泛的应用。相应的噪声电压为二、PIN硅光电二极管为改善光电二极管其频率特性，就得设法减小载流子扩散时间和结电容。人们提出了—种在P区和n区之间相隔一本征层(I层)的PIN光电二极管。PINdiode：普通的二极管由PN结组成.在P和N半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层,组成的这种P-I-N结构的二极管就是PINDiode.正因为有Intrinsic层的存在，PINdiode应用很广泛，从低频到高频的应用都有，主要用在R

8、F领域，用作RFSwitch和RF保护电路，也有用做PhotoDiode。异质结是由两种不同的半导体材料形成的p-n结。p-n结两边是不同的基质材料，两边的禁带宽度不同。三、异质结光电二极管通常以禁带宽度大