光电二极管.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,微电子器件 主题讨论,光电二极管,第二小组,1,简介,1,简介,物理过程,光电流推导,应用拓展,光电二极管和普通二极管一样，是由一个,PN,结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。,光电二极管多采用单晶硅和单晶锗作为基础材料，其中硅光电二极管的应用更为广泛。,光电二极管中的,PN,结多为单边突变结。同时，结面积较大，这是为了增大光的吸收面积。,特性相关,2,简介,1,简介,物理过程,光电流推导,应用拓展,光电二极管主要工作在反偏情况下。,无光照时，反向饱和电流很小。有光照射,PN,结时，流过,PN,结的电流随着光照强度的增加而增加。,可见，光电二极管可以把光信号转化成电信号。,特性相关,3,物理过程,2,简介,物理过程,光电流推导,应用拓展,概述,无光照时,在一定反向电压范围内，反向电流很小且处于饱和状态。在光电二极管中称为暗电流。,有光照时,当有光照射,PN,结时，将会形成光注入，器件内将产生大量电子空穴对，使流过,PN,结的电流随着光照强度的增加而增加。此时的反向电流称为光电流。,需要注意的是，不同波长的光（如蓝光、红光、红外光）会在光电二极管的不同区域被吸收形成光电流。,下面，我们将讨论不同波长的光照射,PN,结时器件中的物理过程。,特性相关,4,物理过程,2,简介,物理过程,光电流推导,应用拓展,详细讨论,光电二极管中的,PN,结为单边突变结。我们的讨论均以,P,+,N,结为例。光电二极管一般工作在外加反向电压的情况下，因此讨论仅限于外加反向电压时,PN,结中的电流情况。,无光照时,无光照时，在电压足够大的情况下，反向电流会趋于饱和。这是因为此时由本征激发所产生的电子,-,空穴对数目十分有限，反向电流几乎不变且很小。,特性相关,5,物理过程,2,简介,物理过程,光电流推导,应用拓展,短波长光（如蓝光）照射时,短波长的光主要被,P,型扩散层表面（,P,型中性区）被吸收。此时，该区域会产生大量的电子,-,空穴对。,多子空穴将会漂移至器件表面的电极处。,激发产生的少子电子由扩散运动运动至势垒区边界处。由于反偏时势垒区中存在很强的电场，电子将很快被势垒区中强大的电场拉至,N,区。,特性相关,6,物理过程,2,简介,物理过程,光电流推导,应用拓展,波长较长的光（如红光）照射时,波长较长的光将透过,P,型中性区在耗尽区激发出大量电子空穴对。,此时电子和空穴将分别被势垒区中的强电场拉往,N,区和,P,区。,特性相关,7,物理过程,2,简介,物理过程,光电流推导,应用拓展,长波长光（如红外光）照射时,波长更长的光将透过,P,型中性区和耗尽区被,N,型中性区吸收。此时，该区域会产生大量的电子,-,空穴对。,多子电子将会漂移至器件表面的电极处。,激发产生的少子空穴由扩散运动运动至势垒区边界处。由于反偏时势垒区中存在很强的电场，电子将很快被势垒区中强大的电场拉至,P,区。,特性相关,8,物理过程,2,简介,物理过程,光电流推导,应用拓展,光照时总的光电流,通过以上对物理过程的讨论可知，实际光电二极管在接受光照时产生的光电流是以上三种电流之和。,对光电流的讨论方法,对于,P,+,N,结而言，对光电流的讨论可以着眼于少子的扩散电流和势垒区的产生电流，方法与普通,PN,结类似。需要考虑的是光照带来的额外的产生率。,特性相关,9,光电流推导,3,简介,物理过程,光电流推导,应用拓展,光照引起的产生率,G,为了体现光照的影响，引入光照引起的产生率,G,。,实际上，产生率并不是一个定值，而是位置的函数。但是，一方面，讨论产生率本身的变化十分复杂，另一方面，我们仅仅是希望借助表达式的推导帮助我们去理解光电流，因此，对于产生率可以作如下简化。,对于产生率,G,，假设其在整个器件中相同。,这个假设和实际情况是存在出入的，但是有助于我们对光电流大小有简明的理解。,特性相关,10,光电流推导,3,简介,物理过程,光电流推导,应用拓展,一、扩散电流,连续性方程,由于电子和空穴的讨论是相同的，我们仅对空穴电流作分析。稳态情况下，空穴满足连续性方程：,这是一个二阶常系数非齐次线性微分方程。可以得到该方程的通解为：,其中,C,和,D,为待定系数。由此需要确定方程的边界条件。,特性相关,11,光电流推导,3,简介,物理过程,光电流推导,应用拓展,边界条件,对于,x=0,（势垒区边界）处，反向偏压下，由于耗尽区的强电场，光注入的非平衡载流子会很快消散，认为在势垒区边界仍然符合未加光照时的结定律,同时，对于远离耗尽区边界处，存在由于产生率引起的非平衡载流子浓度变化，有,特性相关,12,光电流推导,3,简介,物理过程,光电流推导,应用拓展,空穴浓度分布,带入边界条件可以得到空穴浓度分布,空穴扩散电流,由空穴浓度分布可以得到空穴扩散电流为,则耗尽区边界处的空穴扩散电流为,运用同样的方法可以得到电子扩散电流大小。,特性相关,13,光电流推导,3,简介,物理过程,光电流推导,应用拓展,二、势垒区产生电流,由于没有光照时势垒区内载流子数量极少，且无法从欧姆接触处获得补充。因此在施加光照后，势垒区中载流子的复合可以忽略，仅考虑载流子的产生。,由此可以得到势垒区的产生电流为,上式中，,Xd,为势垒区宽度。,特性相关,14,光电流推导,3,简介,物理过程,光电流推导,应用拓展,总电流,电子与空穴的扩散电流与势垒区的产生电流之和即为通过,PN,结的总电流大小。如下所示。,I,。为反向饱和电流：,I,L,为光电流：,特性相关,15,光电流推导,3,简介,物理过程,光电流推导,应用拓展,光电流表达式的物理含义,从光电流的表达式可以看出，光电流可以等效为在二极管耗尽区及其两侧一个少子扩散长度内光生载流子的贡献之和。,特性相关,16,应用拓展,4,简介,物理过程,光电流推导,应用拓展,一、微型光电池,主要利用的是光生伏特效应。,示意图如上所示。,光照激发产生的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的,N,区和空穴向带负电的,P,区运动。通过界面层的电荷分离，将在,P,区和,N,区之间产生一个向外的可测试的电压。,特性相关,17,应用拓展,4,简介,物理过程,光电流推导,应用拓展,二、光电耦合器,光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。,常见的发光源为发光二极管，而光电二极管则可以作为受光器。,（没找到合适的受光器为光电二极管的电路图，上图中是三极管，但原理是一样的）,特性相关,18,应用拓展,4,简介,物理过程,光电流推导,应用拓展,光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（,LED,），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电,光,电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。,光电耦合器的应用十分广泛。例如，可以用来连接高频和低频电路，起到隔离作用，阻绝频率的不同对其他电路可能造成的影响。,特性相关,19,特性相关,5,简介,物理过程,光电流推导,应用拓展,一、部分主要性能参数,响应率,响应度是光生电流与产生该事件光功率的比。工作于光导模式时的典型表达为,A/W,。响应度也常用量子效率表示，即光生载流子与引起事件光子的比。,暗电流,在光电导模式下，当不接受光照时，通过光电二极管的电流被定义为暗电流。当光电二极管被用作精密的光功率测量时，暗电流产生的误差必须认真考虑并加以校正。,等效噪声功率,等效噪声功率是指能够产生光电流所需的最小光功率，与,1,赫兹时的噪声功率均方根值相等。等效噪声功率大约等于光电二极管的最小可探测输入功率。,特性相关,20,特性相关,5,简介,物理过程,光电流推导,应用拓展,二、材料与波长范围,特性相关,对于常用的材料硅和锗，其制作的光电二极管工作波长范围很宽。,由于硅光电二极管具有更大的能隙，因此它在应用过程中产生的信号噪声比锗光电二极管小。,21,特性相关,5,简介,物理过程,光电流推导,应用拓展,三、伏安特性,特性相关,在低反向偏压时，光电二极管对电压变化非常敏感。这是反向偏压使得耗尽层展宽、结电场增强所致，这使得对光生载流子的收集效率增加。,当反向电压进一步增加，光生载流子的收集几乎达到极限，则光电流趋于饱和。此时光电流与外加反向偏压几乎无关而仅取决于入射光的功率。,22,特性相关,5,简介,物理过程,光电流推导,应用拓展,四、入射光功率与电流的关系,特性相关,光电二极管在负载电阻较小时，入射光功率与光电流之间呈现出较好的线性关系。,23,特性相关,5,简介,物理过程,光电流推导,应用拓展,五、光电二极管的具体参数,下面列出了光电二极管一些参数比较有代表性的值。,1,、反向工作电压,无光照时，光电二极管中反向电流约为,0.2,至,0.3A,时，最大反向电压一般不大于,10V,，最大可以达到,50V,。,2,、暗电流,通常,50V,反压下暗电流小于,100nA,。,3,、光电流,一般可以达到几十,A,，与照度呈线性关系。,4,、光谱相应特性,硅光电二极管的光谱范围为,400,至,1100nm,，其峰值波长为,880,至,900nm,。恰好与砷化镓发光二极管波长相匹配，可以获得很高的传输效率（光电耦合）。,特性相关,24,谢谢大家！,25,