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3.4.3 光伏器件——光电二极管 一、光电二极管 1.光电二极管与光电池的比较 相同点 工作原理相同，都是基于pn结工作的 不同点 1.结区面积小 2.通常工作于反偏置状态 3.内建电场强，结区厚，结电容小，频率特性好 4.光电流小，在微安量级 两种管子的电极数不同。2CU型管子只有前后两个电极，而2DU型管子除有前后极外还有一个环极。 设环极的目的是为了减少表面漏电流，减小噪声，提高探测极限力。 设环极的原因 1.反型层： 成为pn结表面漏电流的通道，使通过负载的暗电流增大，从而会影响器件的探测极限。 2.环极 为了减小这种表面漏电流，采用的方法是在受光面的四周加上一个环极把受光面包围起来。在接电源时，使环极电势始终保持高于前极电势，给表面漏电流提供一条直接流入电源的通道。 如果不用环极，除了前级暗电流大，噪声大一些外，对其它性能均无影响。 3.光电二极管的电流方程 二、 光电二极管的基本特性 工作区的选择 低反偏压下光电流随光电压变化非常敏感，这是由于反偏压增加使耗尽层加宽。结电场增强，这对于结区光的吸收率及光生载流子的收集效率影响很大。 当反偏压进一步增加时，光生载流子的收集已达极限，光电流就趋于饱和，特性曲线近似于乎直，而且在低照度部分比较均匀。利用光电二极管作线性测量时，主要是用特性曲线平直、均匀的这部分。通过选取适当的负载电阻，可得较大的线性输出范围。 3. 光谱响应 4.噪声 5.时间响应 二、 PIN型光电二极管 ——PIN管 1.结构与工作原理 1.本征半导体近似于介质，这就相当于增大了pn结结电容两个电极之间的距离，使结电容变得很小。 2.p型半导体和n型半导体中耗尽层的宽度是随反向电压增加而加宽的，随着反偏压的增大，结电容也要变得很小。 3.由于i层的存在，而p区一般做得很簿，入射光子只能在i层内被吸收，而反向偏压主要集中在i区，形成高电场区，i区的光生载波子在强电场作用下加速运动，所以载流子渡越时间非常短，即使i层较厚，对渡越时间影响也不大，这样使电路时间常量减小，从而改善了光电二极管的频率响应。 4. i层的引入加大了耗尽区，展宽了光电转换的有效工作区域，从而使灵敏度得以提高。 2.时间特性 由于耗尽层宽度小，度越时间小但量子效率将变低，决定了频率特性（带宽）与响应度之间的矛盾关系。 耗尽层宽度的选取，在保证响应度的情况下，Si和Ge材料，一般为20-50μm，渡越时间大于200ps；InGaAs材料，一般为3-5μm，渡越时间30-50ps。 几种常见的PIN比较 3.应用及常用器件介绍 PIN及组件由于工作电压较低、性价比好，在数据通信、电信业务以及一般的应用如工业控制等领域有着广泛的应用。 国内外著名的光通信公司，如Mitel公司、AMP公司、Prilli公司、飞通光电有限公司和武汉电信器件公司等都有相应的产品。 2.雪崩倍增过程 当光电二极管的pn结加相当大的反向偏压时，在耗尽层内将产生一个很高的电场，它足以使在强电场区漂移的光生载流子于获得充分的动能，通过与晶格原子碰撞将产生新的电子－空穴对。新的电子－空穴对在强电场作用下。分别向相反的方向运动，在运动过程中又可能与原子碰撞再一次产生新的电子—空穴对。如此反复，形成雪崩式的载流子倍增。这个过程就是APD的工作基础。 2.工作原理 3.偏压设置 APD一般在略低于反向击穿电压值的反偏压下工作。 在无光照时，pn结不会发生雪崩倍增效应。 有光照射，激发出的光生载流于就被临界强电场加速而导致雪崩倍增。 若反向偏压大于反向击穿电压时，光电流的增益可达106，即发生“自持雪崩倍增”。由于这时出现的散粒噪声可增大到放大器的噪声水平，以致使器件无法使用。 3.噪声 4.线性区 当入射光功率在1nw到几个μw时，倍增电流与入射光具有较好的线性。 当入射光功率过大时，倍增系数凡反而会降低，从而引起光电流的畸变。 当入射光功率较小时，多采用APD。在入射光功率较大时，采用PIN管更为恰当。 5.应用 雪崩光电二极管在光纤通信、激光测距及光纤传感等光电变换系统中得到了广泛应用。由于具有内增益，大大降低了对前置放大器的要求。但APD管需要上百伏的工作电压．影响了它的推广使用。 常用的APD特性 通信用PIN与APD比较 课堂练习1 1.有Si基光伏探测器，圆形光敏面直径0.4mm，有波长700nm光波入射，光敏面辐照度为0.1mW/cm2，此时输出光电流为Ip＝56.6nA，求该探测器此时的灵敏度和量子效率？ 课堂练习2 2.有InGaAs APD探测器，量子效率为60％，有波长1550nm 光波入射，入射通量为20nW，求 1）电流倍增系数为1时的光电流。 2）当电流倍增系数为12时，该探测器此时的响应率。 3DU型光电三极管是以p型硅