PIN光电二极管、雪崩光电二极管特性及应用

PIN光电二极管、雪崩光电二极管特性及应用 PIN光电二极管、雪崩光电二极管的特性及应用 摘要:PIN光电二极管、雪崩光电二极管均为基于内部光电效应的两种光电探测器件。本文分别详细介绍了PIN PD、APD的结构、原理,同时列举了PIN光电二极管特性参数，包括截止波长、量子效率、响应度、带宽、伏安特性曲线、噪声等，以及雪崩光电二极管特性参数，包括过剩噪声因子、增益带宽积等。通过对PIN光电二极管、雪崩光电二极管的比较，明确了它们各自的适用范围。最后简单介绍了两种光电二极管在光纤通信、激光测距、长距离激光引信和光传感器等方面的实际应用。 关键词:PIN光电二极管、雪崩光电二极管、特性、应用. Abstract:PIN photodiode and avalanche photodiode are both photo-detectors based on internal photoelectric effect. This essay expounds the structure, principle and in detail respectively, it also list characteristic parameters of PIN PD， including edge wavelength, quantum efficiency，responsivity，bandwidth，current voltage characteristic diagram，noise，and APD’s as well，including excessive noise factor ，gain bandwidth product. With a comparison between PIN PD and APD, we can define their own scope of application clearly. At last, it introduces the practical application of optic communication, laser ranging ，long-distance these two photodiode in fiber- laser fuze and optical sensor in brief . Key words:PIN PD，APD，character，application. 1.结构与原理 (1)PIN光电二极管结构与原理 普通的二极管由PN结组成，由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收， 因而光电转换 效率低，响应速度慢，量 子效率低。为改善器件的 特性，如果在P型和N型 半导体材料之间加入一层 低掺杂的本征(Intrinsic) 半导体层以增大耗尽区宽 度w，达到减小扩散运动 的影响，组成的这种P-I-N 结构的二极管就是PIN 图1 Diode，如图1所示 (2)雪崩光电二极管结构与原理 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。在二极管的P-N结上加高反向电压(一般为几十伏或几百伏)，此时 在结区形成一个强电场，在高场区内光生载流 子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原 子发生碰撞，使价带的电子得到能量，越过禁 带到导带，产生了新的电子,空穴对，新产生 的电子,空穴对在强电场中又被加速，再次碰 撞，又激发出新的电子,空穴对……如此循环 下去，类似于光电倍增管，像雪崩一样，从而 使光电流在管子内部增益。常用的APD有保 护环形( GAPD )和拉通型( RAPD )两种， 拉通型如图2所示 图2 2.特性参数 (1)PIN光电二极管特性参数 hc1.24<1>上限截止波长:，对于纯Si，=1.12ev, 上限截止波长,,E,cgEEgg =1.1m;对于Ge，=1.6m;对于InGaAs:=1.6,m。 ,,,,,ccc <2>量子效率 :每个入射光子所释放的, 平均电子数，设pn结吸声系数为()，,, I/ep结宽为w，==1-exp(w)，欲使,,,p/hv 变大，则w应尽可能的宽，这就是在pn结中引入I层构的原因所在 图3 Ip<3>响应度R:单位功率引起的光电流大小，即R=，单位A/W或mA/W p 1w<4>带宽:BW=，=，=， ,,RCRCsdtr2,(,，,)vtrRCsat,、,分别为传送时间和放电时间，v为载流子漂移速度，参数BW用于光通RCsattr 信时十分重要。 <5>伏安特性曲线 图4为PIN光电二极管的伏安特性曲线，PIN 光电二极管工作在第三象限，即光电导模式。 无光照时的电流称为暗电流，通常，Si光电二 极管的暗电流最低，Ge PIN光电二极管最大， 这也是Si PIN光电二极管更受青睐的主要原 因。 图4 <6>响应速度 PIN光电二极管的响应速度受到渡越时间的 限制，PIN光电二极管的等效电路如图5所示。 上升时间t:输出电流从最大值的10%上升r 到90%所用的时间。 t=2.19RC Lrd 图5 <7>噪声。PIN光电二极管的噪声包括散粒噪声i、热噪声i、暗电流噪声i、std 1闪烁噪声 f 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 均方根散粒噪声i=2eI，为光电流 Ipps 4KTB标准均方根热噪声电流 i=， tR 标准均方根暗电流噪声i=2eI ,d 1闪烁噪声在高频条件下可以忽略不计 f 各PIN光电二极管的通用工作特性参数如图6所示 图6 总结:1.由<1>、<3>可知，PIN光电二极管的工作波长要适宜，波长大于上限截 止波长，光子的能量比禁带宽度还小，无法将价带电子激发到导带，相反，Eg 当波长小于短波长限，由谱响应R()可知，响应度非常小，价带电子激发到导, 带的概率非常小，因此需选择合适波长。 , 2.由<2>、<4>可知，PIN光电二极管的结款w的选择需综合考虑量子效率和带宽限制。w越大，量子效率越高，但由于结宽变大，传送时间变大，光电二极,tr 因此需选择合适的结宽w。 管带宽变窄，限制了它的应用范围, (2)雪崩光电二极管的特性参数 (1)响应度R, 由于APD的内部增益M，APD响应度R,=MR (2)增益带宽积M ，BW 1Io倍增因子M:总输出电流与起始电流之比，即M=，增益带宽积M ，BW,2,,Ii (3)过剩噪声因子F 在APD中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程，具有随机性，这将导致倍增增益的波动，这种波动是额外的倍增噪声的主要根源，通常用过剩噪声因子 xF来 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征这种倍增噪声。F又可近似表为:F,M 各雪崩光电二极管的通用工作特性参数如图7所示 图7 3.PIN光电二极管、雪崩光电二极管的比较 PIN光电二极管、雪崩光电二极管均属于半导体光电探测器，所使用的材料一样，光谱响应范围也一样。PIN光电二极管优点在于响应度高，响应速度快，频带也较宽，工作电压低、偏置电路简单，在反偏压下可承受较高的反向电压，所以线性输出范围宽，不足之处在于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，所以PIN光电二极管通常接有前置放大器。雪崩光电二极管是具有内部增益光电探测器，雪崩增益虽比光电倍增管(PMT)小的多，但仍使APD的灵敏度比PIN光电二极管高的多，解决了PIN光电二极管灵敏度低的问题，在高速调制、微弱信号检测时其优点便更加明显,但由于其增管效益，信号中的噪声也会同时被放大，且其增益系数受温度影响，必要时还需采用温度 补偿措施，较之APD，PIN 光电二极管对温度不敏感，适用场合受限制较少，所以绝大多数系统均采用PIN 光电二极管，但在信号损耗过大，光信号过于微弱或长距离传输等条件下，APD就很有必要。 4. PIN光电二极管、雪崩光电二极管的实际应用 PIN光电二极管、雪崩光电二极管作为光电信息转换器件，在光电信息交换方面有广泛的应用。 在光纤通信领域，两者在光纤通信中均可作为光接收机。由于PIN光电二极管响应度高，响应速度快，基本能满足绝大多数光接收机的要求，所以PIN光电二极管是光纤通信系统最常用的检测器。选用PIN PD 还是 APD，需要综合考虑整个通信系统的损耗(包括光源耦合、熔接、连接器和光功率分割引起的损耗等)和噪声。 在激光测距应用中，光电二极管是核心器件。原理如下:经过调制的脉冲激光 c,,T发射到达目的地反射回来， 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 传输时间T，距离L=，n为周围介质的,2n 折射率.这就要求光探测器必须响应速度快，PIN光电二极管和雪崩光电二极管 还是 APD的问均能满足要求，考虑到APD能放大系统噪声，在选用PIN PD 题上，需考虑PIN 光电二极管和前置放大电路的噪声，只要APD能提高信号，而不增加整个系统的噪声，APD是首选，对于高频微光检测，APD有明显的优势。为避免APD 增加整个系统的噪声，可以在接受端放置合适的带通滤波片，滤除外界光引进的噪声，也可以选择合适的APD增益倍数M，以此提获得最佳信噪比。 在激光引信应用中，由于远距离激光引信回波信号极其微弱，使用无内部增益的PIN型光电二极管无法探测信号，因此通常采用高灵敏度、低噪声、具有内增益的雪崩光电二极管(APD)作为系统的光电探测器，有效提高信号信噪比。 PIN光电二极管也可用于制作在光存储(OS)领域使用的新型单片集成光传感器，该传感器由PIN光电二极管、压控电流放大器、电流-电压转换器三部分组成，所有组件被集成在一块芯片上，光源采用波长为675nm的半255,m，255,m 导体激光器(LD)，采用多模光纤将激光完全耦合进八角形的PIN光电二极管(带宽BW=720MHz，响应度R=0.53A/W)。新型传感器具有很宽的光灵敏度动态范围(可达78.4dB)，传统的光传感器稳定性不高，而新型传感器可以在不影响稳 ,定性的前提下提高带宽，获得很高的光灵敏度和跨阻带宽积(可达285 THz)，具有线性度好，失调电压低，耗能低的特性。 仅供参考，谢谢～～ 参考书籍: 1.《光纤通信》第五版 王江平，刘杰， 闻传花 译 2.《光电子器件及其应用》 孙海金 参考文献: 1.《激光测距机》 美国莱特太平洋公司 2.《激光引信雪崩二极管光电探测》郭婧，张河，张祥金，王晓锋 2010.2 3.《BiCMOS Optical Sensor for Optical Storage Systems》Niksa Tadic, Milena Zogovic，Wolfgang Gaberl Horst Zimmermann 2011