APD32.4雪崩光电二极管..pptx

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光伏效应探测器件光电池硅光电二极管SiPIN光电二极管雪崩光电二极管（APD）位置灵敏探测器件（PSD）光电三极管,7/9/2019,常用光伏探测器,硅光电池,扩散型光电二极管PIN型光电二极管,雪崩光电二极管（APD）肖特基光电二极管,光电二极管,异质结型光伏器件光电三极管,常用光伏探测器分类,7/10/2019,3.2.1光电池,光敏面,7/10/2019,能提供较大电流的大面积光电池,3.2.1光电池,7/10/2019,硅光电池受光面的输出电极多做成梳齿状或“E”字型电极，以减小硅光电池的内电阻。

以P型硅为衬底，然后在衬底上扩散磷而形成N型层并将其作为受光面。

光电池的基本结构和工作原理按硅光电池衬底材料的不同可分为2DR型和2CR型。

2DR型硅光电池结构外形符号,3.2.1光电池,7/10/2019,PN结获得的偏置电压U与光电池输出电流IL及负载电阻RL有关，即U=ILRL,当光作用于PN结时，耗尽区内的光生电子与空穴在内建电场力的作用下分别向N区和P区运动，在闭合的电路中产生输出电流IL，且负载电阻RL上产生电压降为U。

硅光电池工作原理示意,7/10/2019,图,3.2.1光电池,光电池输出电流IL包括光生电流IP、扩散电流与暗电流等三部分，即,7/10/2019,3.2.1光电池,3.2.1光电池,开路电压和短路电流与光电池受光面积的关系,入射光照度（mW/cm2）,受光面积（mm2）,7/10/2019,开路电压和短路电流与入射光的照度关系,光电池特性

（1）光电特性光电池开路电压与入射光照度成对数关系，在弱光情况下短路电流与入射光照度成线性关系。

光电流在弱光照射下与光照度成线性关系。

在光照增加到一定程度后，输出电流达到饱和。

7/10/2019,3.2.1光电池,照度（lx）,输出电流出现饱和的光照度与负载电阻有关，负载电阻大时，容易出现饱和，负载电阻小时，能够在较宽的范围内保持线性关系。

在不同负载电阻下的输出电流与光照的关系曲线因此，如要获得大的光电线性范围，负载电阻不宜取得过大。

（2）伏安特性,3.2.1光电池,硅光电池的伏安特性,光电池输出电压、输出电流和输出功率随负载电阻变化的关系曲线,7/10/2019,光电池的响应频率受极间电容、内阻以及负载电阻的限制，一般不会太高，硅光电池的最高截止频率仅为数千赫。

3.2.1光电池,频率（Hz）,7/10/2019,（3）频率特性硅光电池的频率特性,3.2.1光电池,（4）光谱特性光电池对光的响应表现出选择特性光，其光谱响应都存在着短波阈、峰值波长和长波阈（红限波长）。

这主要与光电池材料、生长工艺有关。

常见几种硅光池的光谱曲线,波长（m）,7/10/2019,3.2.1光电池,（5）温度特性光电池的参数与温度有关，其参数值随环境温度改变而变化。

如图给出了短路电流和开路电压与温度的关系曲线。

光电池温度特性,开路电压UOC（mV）,7/11/2019,短路电流ISC（mA）,温度（）,光电池作为探测器件时，应适当采取温度补偿措施，以保证测量数据的精度。

3.2.2硅光电二极管,硅光电二极管是最简单、使用最广泛、最具有代表性的光伏效应的光半导体器件。

硅光电二极管的基本结构和工作原理a）2DU型光电二极管结构原理b）工作原理,7/10/2019,3.2.2硅光电二极管,IS：

二极管反向饱和电流，e：

电子电荷，K：

波耳兹曼常数，T：

绝对温度,等效电路原理图,根据右图的等效电路可得出I0的公式：

7/10/2019,3.2.2硅光电二极管,开放端电压VOC，即I0=0时的输出电压，其公式表示如下：

注意：

微弱光检测时，此式关系不成立。

短路电流ISC是当RL=0、V0=0时的输出电流，其公式表示如下：

7/10/2019,3.2.2硅光电二极管光电二极管的基本特性,照度（lx）,可知，光电流灵敏度与材料对光的吸收系数a有关。

1光电特性（光电灵敏度）光电二极管的电流灵敏度定义为输出电流与入射到光敏面上辐射通量之比。

一般有下面的关系式：

硅光电二极管光电特性曲线,7/10/2019,3.2.2硅光电二极管,照度（lx）7/10/2019,同时，光电流灵敏度与入射光辐射波长也有关系，通常将其峰值波长的电流灵敏度作为光电二极管的电流灵敏度。

短路电流和光照度的关系开路电压与光照度的关系,照度（lx）,3.2.2硅光电二极管,电流电压特性,2伏安特性在无光照的条件下，给硅光电二极管加电压，电流-电压（伏-安）特性，如图中曲线。

受到光的照射事曲线会向曲线的方向移动，光再变强向曲线平行移动。

7/10/2019,3.2.2硅光电二极管,光电二极管在大多数场合都是加反向偏压工作的。

如果加正向偏压，它就与普通二极管一样，只具有单向导电性，而表现不出它的光电效应。

在低反向偏压下光电流随反向偏压的变化较为明显；当进一步增加反向偏压时，光电流趋于饱和这。

时光电流仅决定入射光的功率，而几乎与反向偏压无关。

光电二极管的伏安特性曲线,7/10/2019,3暗电流光电二极管在无光照射时的暗电流就是二极管的反向饱和光电流I0，暗电流对温度变化非常敏,感。

3.2.2硅光电二极管,温度（）,7/10/2019,暗电流与温度关系曲线,3.2.2硅光电二极管,S2551,偏压（v）,偏压（v）,7/10/2019,S2281,另外，暗电流也与所加偏压有关。

暗电流与偏压关系曲线,2.1硅光电二极管,7/10/2019,在环境温度变化较大的情况下，为了使电路能稳定工作，必须把暗电流对输出特性的影响减到最小，这是设计光电检测电路的重要问题之一。

下面介绍两种减小暗电流影响的措施：

2.1硅光电二极管,热敏电阻补偿电路,电流或电压仍然不变，故放大器输出也没有改变，因此实现了温度补偿。

7/10/2019,（a）热敏电阻补偿电路如图选用负温度系数的热敏电阻RT进行温度补偿。

温度升高时，光电二极管VT1的暗电流增加相，当于电阻下降，与此同时，热敏电阻RT的阻值也下降，所以VT2的基极,2.1硅光电二极管,（b）桥式补偿电路,出受温度的影响减小了，这,7/10/2019,种电路的温度补偿效果较好，但要挑选两支暗电流随温度变化性能相同的光电二极管比较困难。

（b）桥式补偿电路光电二极管的桥式补偿工作电路。

它利用两支型号和性能完全相同的光电二极管，其中VT1接收光信号，VT2处在黑暗状态。

由于两个光电二极管处在同一温度下，暗电流随温度变化相同，两者互相抵消，所以电桥输,4光谱响应以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光电二极管时，其响应程度或电流灵敏度与波长的关系称为光电二极管的光谱响应。

典型硅光电二极管光谱响应长波限为1.1m左右，短波限接近0.4m，峰值响应波长为0.9m左右。

3.2.2硅光电二极管,7/10/2019,7/10/2019,3.2.2硅光电二极管,5时间特性（频率响应）光电二极管响应速度-时间特性，通常用上升时间或截止频率来表示。

上升时间定义为输出信号的波形前沿幅度的10%与90%的两点时间间隔，用tr表示。

它主要决定于：

极间电容Ct和负载电阻RL的时间常数t1t1=2.2CtRLCt是封装电容和光电二极管结电容Cj的RL是和负，载电阻,3.2.3SiPIN光电二极管,7/10/2019,耗尽层外生成的载流子的扩散时间t2入射光从光电二极管的受光部分开始到比外部边缘和耗尽层更深的基板处被吸收。

这种载流子即使扩散的话，时间也有几微秒（s）以上。

载流子通过耗尽层时间t3载流子在耗尽层中移动速度Vd是用载流子的移动速度（）和耗尽层中的电场（E）决定的即Vd=E，因平均电场E=VR/d，那么t3可以近似由下式表示：

t3=d/Vd=d2/（VR）,3.2.2硅光电二极管,上升时间可由下式近似表示为：

相应的截止频率fC，可表示为：

光输入输出波形t1、t3t2输出波形t2t1、t3,响应波形,频率,7/10/2019,频率特性,、工作原理与结构,3.2.3SiPIN光电二极管,为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，消除在PN结外光生载流子的扩散运动时间，常采用在P区与N区之间生成没有杂质的本征层（I型层）。

7/10/2019,、工作原理与结构,结构图,外形图,电场分布,7/10/2019,3.2.3SiPIN光电二极管,特点：

（1）时间响应快

（2）光谱响应向长波方向移动（3）输出线性范围宽。

不足：

I层较厚，电阻大，输出电流较小。

2.2PIN型光电二极管,PIN光电二极管的工作原理,7/10/2019,7/10/2019,3.2.3SiPIN光电二极管,反向偏压VR（V）,二、PIN光电二极管的特性

（1）结电容结电容是PIN光电二极管的重要参数，结电容与激发面积和反向偏压有关。

结电容与偏压关系曲线,7/10/2019,3.2.3SiPIN光电二极管,无光照射,光照射下,

（2）电流-电压特性（伏安特性）无光照条件下，有光照射下，是增加光强的曲线InGaAS/GaAsPIN光电二极管伏安特性曲线,3.2.3SiPIN光电二极管,（3）线性PIN光电二极管的线性，下限由噪声决定，上限由感光面电极的结构决定。

为了使上限延伸，可通过增加反向偏压来实现。

入射光辐射通量（mw）,GaAsPIN光电二极管的线性,入射光辐射通7/10/2019量（mw）,InGaASPIN光电二极管不同激活面积的线性曲线,3.2.3SiPIN光电二极管,7/10/2019,（4）响应特性响应特性通常用上升时间或截止频率来表示上，升时间是指输出信号峰值从10%到90%的建立时间：

tr=2.2Ct（RL+RS）Ct是封装电容和结电容Cj之之和；RL是负载电阻；RS串联阻抗通常RLRS，RS可以忽略不计。

为了减上小升时间，则Ct、RL值要求很小是非常必要的。

3.2.3SiPIN光电二极管,频率（GHz）,7/10/2019,有时候响应速度用截止频率表示。

上升时间和截止频率有如下关系：

InGaAsPIN光电二极管的频率特性曲线,PIN光电二极管提高了PN结光电二极管的时间响应，但未能提高器件的光电灵敏度，为了提高光电二极管的灵敏度，人们设计了雪崩光电二极管。

雪崩光电二极管具有高响应度，高信噪比，高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距激、光制导等光电信息传输和光电对抗系统。

3.2.4雪崩光电二极管（APD）,7/10/2019,3.2.4雪崩光电二极管（APD）,一、基本结构在P型硅基片上扩散杂质浓度大的N+层，制成P型N结构的雪崩光电二极管在N型硅基片上扩散杂质浓度大的P+层，制成N型P结构；所示为PIN型雪崩光电二极管,7/10/2019,二、工作原理输出端受光照时，P+层受光子能量激发跃迁至导带的载流子，在内部加速电场作用下，高速通过P层，使P层发生碰撞电离而产生新的电子一空穴对。

而它们又从强电场中获得足够的量能，再次晶格原子碰撞，又产生出新的电子一空穴对。

这种过不程断重复，使PN结内电流急剧倍增放大（雪崩），形成强大的光电流。

3.2.4雪崩光电二极管（APD）,7/10/2019,雪崩光电二极管光电转换原理动画演示,3.2.4雪崩光电二极管（APD）,7/10/2019,式中，I为倍增输出的电流，I0为倍增前输出的电流。

7/10/2019,3.2.4雪崩光电二极管（APD）,三、雪崩光电二极管性能参数1增益（放大倍数）电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数，这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加，其电流倍增系数M定义为,实验表明雪崩二极管增益M与PN结的反向偏压材、料及结构有关，也可以用下面公式近似表示：

3.2.4雪崩光电二极管（APD）,式中UBR为击穿电压；U为管子外加反向偏压；n是与材料、掺杂和器件结构有关常数由上式可见，当UUBR时，M，PN结将发生击穿。

7/10/2019,在强电场作用下，当通过耗尽区的每个载流子平均能产生一对电子空穴对时，就发生雪崩现当象。

M时，PN结上所加的反向偏压就是雪崩击穿电压UBR。

实验发现，倍增系数M随外加反向偏压U的变化可用经验公式近似表示,n是与APD材料和结构有关的常数，对于硅器件，n1.54，锗器件则n2.58。

7/10/2019,3.2.4雪崩光电二极管（APD）,3.2.4雪崩光电二极管（APD）,反向偏压（V）,增益与温度、反向偏压的关系曲线,亮电流,反向偏压（V）,7/10/2019,光电流、暗电流与反向偏压的关系曲线,3.2.4雪崩光电二极管（APD）,2光谱响应特性APD的光谱灵敏度特性在没有加偏压时和普通光电二极管特性相同。

当加偏压时，光谱灵敏度特性的波形会发生变化。

不同类型的APD光谱响应曲线,波长（nm）,7/10/2019,式中，第一项为散粒噪声和雪崩过程中的附加噪声对总噪声的贡献；Id为暗电流、k为与器件材料有关的系数。

3.2.4雪崩光电二极管（APD）,3噪声特性雪崩效应是大量载流子电离过程的累加，本身就是一个随机过程，因此雪崩光电二极管的噪声应该包括散粒噪声、由雪崩过程中引入的附加噪声和负载电阻RL的热噪声。

7/10/2019,输出信噪比与雪崩增益密切相关，如图所示：

3.2.4雪崩光电二极管（APD）,雪崩光电二极管的输出信噪比为：

发射噪声,热噪声,增益,7/10/2019,3.2.4雪崩光电二极管（APD）,7/10/2019,4响应速度决定雪崩光电二极管的响应速度的主要因素是CR（C主要是器件的结电容）和耗尽层内载流子的运动时间。

为了能达到高速响应，必须减小极间电容，而且减小受光面积，加宽耗尽层厚度也是有必要的。

通常APD响应速度特别快。

一般雪崩光电二极管的响应时间（上升时间）为0.52ns。

由于APD加的反向偏压较高，使用时还得注意下面几点：

需在偏置电路上加保护电阻，以达到限流目的；需要加过压保护电路；在温度范围比较宽的情况下使用，可采用配合温度变化来控制所加偏压；在检测微弱光时，可采用光学滤光片，改善激光调制，控制视野角等，达到降低背景光的影响。

7/10/2019,3.2.4雪崩光电二极管（APD）,3.2.4雪崩光电二极管（APD）,四、典型应用光的波粒二重性的实验光的波粒二重性实验原理图,7/10/2019,3.2.5位置灵敏探测器件（PSD）,7/10/2019,位置灵敏光电探测器件是一种基于横向光电效应的光电位置灵敏探测器，利用离子注入技术制成的一种对入射光敏面上的光点位置敏感的光电器件分，一维和二维。

特点：

除定位性能外，还具有灵敏度高、分辨率高、响应速速快和电路配置简单等特点发展趋势：

高分辨率、高线性度、快速响应速度及信号采集处理等多功能集成。

3.2.5位置灵敏探测器件（PSD）,一、PSD器件的工作原理当光束入射到PSD器件光敏层上距中心点的距离为xA时，在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过电阻p型层分别由电极1与2输出。

PSD器件机示构意图,7/10/2019,3.2.5位置灵敏探测器件（PSD）,设p型层的电阻是均匀的，则电极1，2输出的电流与光点距离电极的距离（电阻值）成反比。

两电极间的距离为2L，流过两电极的电流分别为I1和I2，流过n型层上电极的电流I0为总电流I1和I2之和。

I0=I1+I2,7/10/2019,

（1）一维PSD器件,一维PSD器件主要用来测量光斑在一维方向上的位置或位置移动量的装置。

一维PSD器件S1543的原理结构图,等效电路,1和2为信号电极，3为公共电极。

它的光敏面为细长的矩形条。

3.2.5位置灵敏探测器件（PSD）二、PSD的种类,7/10/2019,34,光电流I1经反向放大器A1放大后分别送给放大器而光A与电A流，I2经反向放大器A2放大后也分别送给放大,放大器,器A3与A43，,12,A为加法电路，完成光电流I与I相加的运算（放大,器A5用来调整运算后信号的相位）；放大器A4用作减法电完路成，光电流I2与I1相减的运算。

一维PSD位置检测电路原理图,7/10/2019,3.2.5位置灵敏探测器件（PSD）,3.2.5位置灵敏探测器件（PSD）,7/10/2019,

（2）二维PSD器件在二维PSD根据结构分为双面分割型和单面分割型。

单面分割型还包含了对感光面电极进行改良后的改良表面分割型（缓冲型）。

单面分割型单面分割型PSD是在PSD的单阻抗层上设置4个电极。

光电流是在同一阻抗层分个成4位置信号输出。

3.2.5位置灵敏探测器件（PSD）,单面分割型单面分割型的结构和等效电路如图入。

射位置后移的计算公式：

单面分割型结构和等效电路图,7/10/2019,3.2.5位置灵敏探测器件（PSD）,双面分割型双面分割型PSD两面阻抗层采用直角构造，X轴方向的位置信号从表面电极输出，Y轴方向的位置信号从里面电极输出。

双面分割型结构和等效电路图,不同极性的电流被分割成两面，信号强度是单面分割型的得到2倍了，优良的位置分辨率。

7/10/2019,3.2.5位置灵敏探测器件（PSD）,三、性能特性

（1）位置分辨率位置分辨率用感光面距离表示PSD感光面上能检出光点最小位置变化。

位置分辨率是由PSD的阻抗长度和信噪比（S/N）来决定的。

根据PSD位置演算式子可以确定下面的式子：

x：

位置微小变化I：

输出电流的变化,7/10/2019,3.2.5位置灵敏探测器件（PSD）,因此，x可由下式表示：

通常PSD的噪声电流为In，那么位置分辨率R就用下面的式子来表示:

7/10/2019,3.2.5位置灵敏探测器件（PSD）,7/10/2019,

（2）位置检测误差PSD通过各输出电极的输出光电流，就能够计算点光源的入射位置。

计算出的入射位置是光量的重心位置，不受光点大小、形状及光量的影响。

当点光源入射到PSD感光面上，各输出电极的光电流值相等的点光源的入射位置称为点光源的中心位置。

以这个中心位置为原点，根据点光源入射位置和光电流值计算出的入射位置定义为位置检测误差。

3.2.5位置灵敏探测器件（PSD）,Xi：

实际入射位置（m）Xm：

计算位置（m）,如图给出了PSD的剖面图，点光源实际入射位置是Xi，各输出电极的电流是Ix1和Ix2，以此计算出的位置为Xm。

这里的Xi与Xm的差定义为位置检查误差（E）。

E=XiXm,PSD剖面图,7/10/2019,3.2.5位置灵敏探测器件（PSD）,7/10/2019,（3）响应速度PSD的响应速度与光电二极管一样，光产生的载流子迅速传到外部电路后输出的电流值，响应速通度常用上升时间（tr）表示。

主要由两部分决定：

负载电阻（RL）、极间电阻（Rie）、极间电容（Ct）的时间常数t1t1=2.2Ct（RL+Rie）,3.2.5位置灵敏探测器件（PSD）,耗尽层外产生的载流子电流的扩散时间t当光入射到偏离PSD感光面到达接线端边缘时，在耗尽层或更深的基板内吸收时产生光载流子电流这，时载流子扩散到基板内后输出，扩散所需要的时间（t2）。

所以PSD的上升时间可用下面式子表示：

7/10/2019,3.2.5位置灵敏探测器件（PSD）,上升时间与反向电压关系曲线,反向偏压（V）,7/10/2019,3.2.5位置灵敏探测器件（PSD）,入射位置（mm）,入射位置（mm）,7/10/2019,（4）饱和光电流PSD在室外或在强光下使用时，可能出现电流饱和非线性现象，这时PSD不能正常工作。

正常工作时光电流输出饱和状态工作时光电流输出,3.2.5位置灵敏探测器件（PSD）,7/10/2019,PSD的饱和现象是与极间电阻和反向电压有关。

当感光面全部受到入射光照射，容易产生饱和电流，如果微小光点照射，此时的光电流就小于饱和光电流。

避免饱和光电流可采用以下的方法：

用光学滤光片滤掉背景光使用感光面积小的PSD提高反向偏压降低极间电阻避免光点集中,3.2.5位置灵敏探测器件（PSD）,四、典型应用

（1）三角测距,光源发出的光集中投射到透镜上，再照射被测物体上其反射光又通过透镜2入射到PSD感光面上。

若光源和PSD的距离为B，透镜焦距为f，假定光点自PSD中心位置移动距离为X，到被测物体距离为L，则可用1/XfB表示，这样可以无需考虑被测物体反射率不同，也不用考虑光源的能量的强弱，皆可测距。

三角测距原理图,7/10/2019,3.2.5位置灵敏探测器件（PSD）,

（2）直接位置检测如图，光源LED或LD发出的光通过狭缝入射到PSD感光面上。

移动狭缝使PSD感光面上的入射光位置也在发在变化，所,以通过计算其位置的信息信号可以得到狭缝的移动的位置量。

直接位置检查原理示意图,7/10/2019,3.2.6光电三极管,7/10/2019,光电三极管是将光电二极管与放大器集成在单硅芯片上的组合，这祥的组合克服了光电二极管单增益的最大缺点。

典型的光电三极管的增益范围在100到1500以上。

光电三极管是具有内部增益的固态光的探测器，可提供模拟信号或数字信号输出。

可用作环境光的探测器。

当在一个可控制光源中使用时，如典型的红外发光二极管（IRED），光电三极管通常充当光隔离器或发射或反射光学开关的探测器件。

3.2.6光电三极管,7/10/2019,光电三极管外形,一、结构与工作原理光电三极管是具有二个PN结的光伏器件，与普通半导体三极管一样有两种基本结构，NPN结构与PNP结构。

用N型硅材料为衬底制作的光电三极管为NPN结构，称为3DU型用P型硅材料为衬底制作的光电三极管为PNP结构，称为3CU型,3DU型原理结构电路符号图,7/10/2019,3.2.6光电三极管,光电三极管的工作原理分为两个过程：

一是光电转换；二是光电流放大。

工作原理图,3.2.6光电三极管,集电极输出的电流为:

发射极极输出的电流为:

7/10/2019,二、光电三极管特性

（1）光电特性光电三极管的光电特性是指在正常偏压下的集电极的电流与入射光照度之间的关系由于光电三极管有电流放大作用，它的灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管大，多为毫安（mA）级。

3.2.6光电三极管,三极管光电特性曲线,照度E（lx）,7/10/2019,二、光电三极管特性

（2）伏安特性光电三极管在偏置电压为零,时无，论光照度有多强，集电极电流都为零。

偏置电压要保证光电三极管的发射结（ce）处于正向偏置，而集电结（bc）处于反向偏置。

随着偏置电压的增高伏安特性曲线趋于平坦。

伏安特性曲线向上偏斜，间距增大。

这是因为光电三极管除具有光电灵敏度外，还具有电流增益，并且，值随光电流的增大而增大。

3.2.6光电三极管,三极管伏安特性曲线,7/10/2019,（3）温度特性硅光电二极管和硅光电三极管的暗电流Id和光电流IL均随温度而变化，由于硅光电三极管具有电流放大功能，所以硅光电三极管的暗电流Id和亮电流IL受温度的影响要比硅光电二极管大得多。

7/10/2019,3.2.6光电三极管,光电二极管与三极管亮电流IL与温度的关系曲线,光电二极管与三极管暗电流Id与温度的关系曲线,随着温度的升高暗电流增长很快,7/11/2019,光电三极管亮电流IL随温度的变化比光电二极管亮电流IL随温度的变化快。

3.2.6光电三极管,7/11/2019,3.2.6光电三极管,频率f（KHz）,（4）频率特性影响光电三极管频率响应的因素除与光电二极管相同外，还受基区渡越时间和发射结电容、输出电路的负载电阻的限制，因此频率特性比光电二极管差。

光电三极管的频率响应曲线,3.2.6光电三极管,集电极电流I（mA）