光电子技术_王俊波_光电二极管.ppt

4.7 光电二极管 光电二极管的伏安特性 国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。 2CU系列以N-Si为衬底， 2DU系列以P-Si为衬底 2CU系列光电二极管只有两个引出线， 而2DU系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，还设了一个环极。 硅光电二极管结构示意图 2DU管加环极的目的是为了减少暗电 流和噪声。 光电二极管的受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中又常含有少量的钠、钾、氢等正离子。 SiO2是电介质，这些正离子在SiO2中是不能移动的，但是它们的静电感应却可以使P-Si表面产生一个感应电子层。 这个电子层与N-Si的导电类型相同，可以使P-Si表面与N－Si连通起来。 当管子加反偏压时，从前极流出的暗电子流，除了有PN结的反向漏电子流外，还有通过表面感应电子层产生的漏电子流，从而使从前极流出的暗电子流增大。 为了减小暗电流，设置一个N+-Si的环把受光面（N-Si）包围起来，并从N+-Si环上引出一条引线（环极），使它接到比前极电位更高的电位上，为表面漏电子流提供一条不经过负载即可达到电源的通路。 这样，即可达到减小流过负载的暗电流、减小噪声的目的。 如果使用时环极悬空，除了暗电流、噪声大些外，其它性能均不受影响。 2CU管子，因为是以N-Si为衬底，虽然受光面的SiO2防反射膜中也含有少量的正离子，而它的静电感应不会使N-Si表面产生一个和P-Si导电类型相同的导电层，从而也就不可能出现表面漏电流，所以不需要加环极。 光电二极管的用法： 光电二极管的用法只能有两种。 一种是不加外电压，直接与负载相接。 另一种是加反向电压，如图所示。 a) 不加外电源? b) 加反向外电源? c) 2DU环极接法 实际上，不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二极管一样，只有单向导电性，而表现不出它的光电效应。 加反向电压时，伏安特性曲线常画成如下图所示的形式。 与硅光电池的伏安特性曲线图比较，有两点不同。 一是把硅光电池的伏安特性曲线图中Ⅰ、Ⅱ象限里的图线对于纵轴反转了一下，变为上图(a)。这里是以横轴的正向代表负电压，这样处理对于以后的电路设计很方便。 二是因为开路电压UOC一般都比外加的反向电压小很多，二者比较可略而不计，所以实用曲线常画为上图(b)的形式。 微变等效电路与频率特性： 光电二极管的等效电路可表达如下： 其中图a为实际电路； 图b为考虑到光电二极管结构、功能后画出的微变等效电路，其中Ip为光电流，V为理想二极管，Cf为结电容，Rsh为漏电阻，Rs为体电阻，RL为负载电阻； 图c是从图b简化来的，因为正常运用时，光电二极管要加反向电压，Rsh很大，Rs很小，所以图b中的V、Rsh、Rs都可以不计，因而有图c的形式； 图d又是从图c简化来的，因为Cf很小，除了高频情况要考虑它的分流作用外，在低频情况下，它的阻抗很大，可不计。 因此具体应用时多用图d和图c两种形式。 流过负载的交变电流复振幅为 ： IL＝Ip·1/(1+jωτ) ω：入射光的调制圆频率，ω＝2πf，f为入射光的调制频率。 τ = CfRL IL的模量为 可见，IL是频率的函数，随着入射光调制频率的增加而减小。当ω=1/τ时， 这时f = 1/2πτ 称为上限截止频率，或称为带宽。 几种国产2CU型硅光电二极管的特性 几种国产2DU型硅光电二极管的特性 2.7.2 PIN管 PIN管是光电二极管中的一种。是在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。 这样，PN结的内电场就基本上全集中于I层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。 由式τ = CfRL与f = 1/2πτ知，Cf小，τ则小，频带将变宽。因此，这种管子最大的特点是频带宽，可达10GHz。另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，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。 所不足的是，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。 目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。 2.7.3 雪崩光电二极管 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。 这种管子工作电压很高，约100～200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到