结型光电探测器.ppt

2.3.3 雪崩型光电二极管(APD) 一般光电二极管的灵敏度都不够高，大约在每1000lx的照射下，只输出几μA光电流。雪崩光电二极管(APD)，利用了高反压下二极管耗尽层产生载流子的雪崩倍增效应来获得很高的光电流增益，其增益可达102~104，电流达mA量级，因此其灵敏度高，且响应速度快，可达102GHz，适用于探测弱光信号和快速变化的信号，非常有发展前途。 原理:雪崩反应 噪声大是这种管子目前的一个主要缺点 . 在正常情况下，雪崩光电二极管的反向工作偏压，一般略低于反向击穿电压。 光电倍增系数Mph：倍增光电流iph与不发生倍增效应时光电流ipho之比. UB—反向击穿电压； U—外加电压； n—调整参数，它取决于半导体材料、器件结构和入射辐射的波长，对Si，n=1.5-4,对Ge，n=2.5-3。 光电倍增系数与电压电流的关系 APD的倍增系数受温度影响严重。温度升高时，APD击穿电压随着上升，工作电压不变，倍增系数将减小。 为使APD保持在最佳增益值状态下工作，获得最大信噪比，需控制APD偏压，通常采用自动增益控制电路。 渡越时间短，一般为10-10s数量级。结电容cj为几pF，所以管子响应时间一般很小，如国外APD5-3R硅雪崩光电二极管结电容3pF，响应时间小于0.5ns，频率响应可达105MHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。 APD二极管结构示意图 雪崩型光电二极管需要加保护环，如图2-32，保护环作用有二： 一是由于保护环为深扩散，在保护环处结区拉得较宽，且其在光照较弱，在反向电压作用下，相当于PN结加反向电压，呈现高阻抗，阻止表面感应电子层流到电极上，可以减小表面漏电，并耐一定的击穿电压。 二是避免了由于结边缘材料的不均匀及缺陷，使结边缘过早击穿，所以也可称为保护环雪崩光电二极管(GAPD)。 Si-APD耗尽层达30~50μm，要产生雪崩效应，电压太高，偏压高达300V。为降低偏压，研制出RAPD(拉通型APD)， 它使雪崩效应仅发生在在很薄的区域内。P+和N+为高掺杂低阻区，I为本征区，PN结附近为倍增高场区，随偏压增高，耗尽区从P区扩大直至“拉通”整个I区，I区电场比PN+结区电场低，但也能保证载流子有很高的漂移速度。 入射光子在I区吸收后形成电子空穴对，一次电子向PN+区漂移 ，并在PN+区内产生倍增。 可见只有一次电子参加初始碰撞电离，倍增噪声非常低。 其工作电压约200V。Si-RAPD具有低倍增噪声、高量子效率、高响应速度等优点，是用于0.8~0.9μm波段光纤通信最适合的结构。 2.4 光电三极管 2.4.1 光电三极管结构和工作原理 光电三极管的结构及简化原理图及符号 光电三极管是在光电二极管基础上发展起来的。目前用得较多的两种是PNP和NPN型平面硅光电三极管，称PNP型为3CU，NPN型为3DU型光电三极管。 I c= I c =(1+β)I p β——电流放大倍数， Ip——所对应的光电二极管的电流。 2.4.2 光电三极管的主要性能参数 1．光照特性 光电三极管的光照特性 光电达林顿管的结构 2．伏安特性 图2-39 光电三极管的光照特性 有两个特点： 在照度低时比较均匀，而随照度增加曲线变密，这是因为电流放大倍数β与光照强度有关，随E增加，β下降，导致I下降，在强光照射下，光电流与照度不呈线性。 工作电压低时，光电三极管的集电极电流与照度呈非线性，如图2-39。为了避免电压对线性的影响，光电三极管工作电压尽可能高些。 3．温度特性 光电三极管的温度特性 （a） 光电流 (b) 暗电流 4．频率特性 光电三极管的频率特性 光电三极管的频率特性与结的结构，负载及结电容有关。 一般的光电三极管为了得到较大的信号电流，增大吸收光敏面积，集电结做得较大，因此电容Cbc较大，使它的频率特性比光电二极管的要差。 在Uce=10V，f=1kHz时，它的结电容Cj约几pF。响应时间与负载有关系，在Uce=10V时，RL=100Ω，响应时间=10μs，频带宽度约105Hz，随负载电阻增加，频率特性变差， 作业： 1.衡量光电子器件探测能力的参数有哪些？其中光谱响应度和响应度，最小可探测功率和探测率之间具有怎样的关系？光电器件的性能参数主要有哪些？并做简要说明 2.光电效应的种类，解释什么是内光电效应，外光电效应，光电导效应，光伏效应。何为外光电效应，何为内光电效应，分别解释其原理及利用各自原理的主要器件。 3.光敏电阻的性能特点 4.影响光敏电阻光谱特性的主要有那两个因素？