【導(dǎo)讀】本文主要是關(guān)于PIN雪崩光電二極管的相關(guān)介紹，希望通過本文能對(duì)你有所幫助。普通二極管在反向電壓作用時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，只能流過微弱的反向電流，光電二極管在設(shè)計(jì)和制作時(shí)盡量使PN結(jié)的面積相對(duì)較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時(shí)，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時(shí)，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。
本文主要是關(guān)于PIN雪崩光電二極管的相關(guān)介紹，希望通過本文能對(duì)你有所幫助。
光電二極管
普通二極管在反向電壓作用時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，只能流過微弱的反向電流，光電二極管在設(shè)計(jì)和制作時(shí)盡量使PN結(jié)的面積相對(duì)較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時(shí)，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時(shí)，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，成為光電傳感器件。
技術(shù)參數(shù)
1.最高反向工作電壓；
2.暗電流；
dark current 也稱無照電流光電耦合器的輸出特性是指在一定的發(fā)光電流IF下，光敏管所加偏置電壓VCE與輸出電流IC之間的關(guān)系，當(dāng)IF=0時(shí)，發(fā)光二極管不發(fā)光，此時(shí)的光敏晶體管集電極輸出電流稱為暗電流，一般很小。 此外在生理學(xué)方面，是指在無光照時(shí)視網(wǎng)膜視桿細(xì)胞的外段膜上有相當(dāng)數(shù)量的Na離子通道處于開放狀態(tài)，故Na離子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，形成一個(gè)從外段流向內(nèi)段的電流，稱為暗電流（dark current）。 暗電流是指器件在反偏壓條件下,沒有入射光時(shí)產(chǎn)生的反向直流電流.(它包括晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和載流子熱擴(kuò)散形成的本征暗電流.) 所謂暗電流指的是光伏電池在無光照時(shí)，由外電壓作用下P-N結(jié)內(nèi)流過的單向電流。 光電倍增管在無輻射作用下的陽極輸出電流稱為暗電流
3.光電流；
4.靈敏度；
5.結(jié)電容；
6.正向壓降；
7.響應(yīng)度
響應(yīng)度是光生電流與產(chǎn)生該事件光功率的比。工作于光導(dǎo)模式時(shí)的典型表達(dá)為A/W。響應(yīng)度也常用量子效率表示，即光生載流子與引起事件光子的比。
8.噪聲等效功率
噪聲等效功率（NEP）等效于1赫茲帶寬內(nèi)均方根噪聲電流所需的最小輸入輻射功率，是光電二極管最小可探測(cè)的輸入功率。
9.頻率響應(yīng)特性
光電二極管的頻率特性響應(yīng)主要由3個(gè)因素決定：
a.光生載流子在耗盡層附近的擴(kuò)散時(shí)間；
b.光生載流子在耗盡層內(nèi)的漂移時(shí)間；
c.負(fù)載電阻與并聯(lián)電容所決定的電路時(shí)間常數(shù)。
光電二極管與光電倍增管相比，具有電流線性良好、成本低、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、量子效率高（典型值為80%）及無需高電壓等優(yōu)點(diǎn)，且頻率特效好，適宜于快速變化的光信號(hào)探測(cè)。不足是面積小、無內(nèi)部增益（雪崩光電管的增益可達(dá)100~1000，光電倍增管的增益則可達(dá)100000000）、靈敏度較低（只有特別設(shè)計(jì)后才能進(jìn)行光子計(jì)數(shù)）以及相應(yīng)時(shí)間慢，且工藝要求很高。
光電二極管和一般的半導(dǎo)體二極管相似，可以暴露（探測(cè)真空紫外）或用窗口封裝或由光纖連接來感光。
光電二極管的檢測(cè)方法
①電阻測(cè)量法
用萬用表1k擋。光電二極管正向電阻約10MΩ左右。在無光照情況下，反向電阻為∞時(shí)，這管子是好的(反向電阻不是∞時(shí)說明漏電流大)；有光照時(shí)，反向電阻隨光照強(qiáng)度增加而減小，阻值可達(dá)到幾kΩ或1kΩ以下，則管子是好的；若反向電阻都是∞或?yàn)榱?，則管子是壞的。
②電壓測(cè)量法
用萬用表1V檔。用紅表筆接光電二極管“+”極，黑表筆接“—”極，在光照下，其電壓與光照強(qiáng)度成比例，一般可達(dá)0．2—0．4V。
③短路電流測(cè)量法
用萬用表50μA檔。用紅表筆接光電二極管“+”極，黑表筆接“—”極，在白熾燈下(不能用日光燈)，隨著光照增強(qiáng)，其電流增加是好的，短路電流可達(dá)數(shù)十至數(shù)百μA。
在實(shí)際工作中，有時(shí)需要區(qū)別是紅外發(fā)光二極管，還是紅外光電二極管(或者是光電三極管)。其方法是：若管子都是透明樹脂封裝，則可以從管芯安裝外來區(qū)別。紅外發(fā)光二極管管芯下有一個(gè)淺盤，而光電二極管和光電三極管則沒有；若管子尺寸過小或黑色樹脂封裝的，則可用萬用表(置1k擋) 來測(cè)量電阻。用手捏住管子(不讓管子受光照)，正向電阻為20-40kΩ，而反向電阻大于200kΩ的是紅外發(fā)光二極管；正反向電阻都接近∞的是光電三極管；正向電阻在10k左右，反向電阻接近∞的是光電二極管。
PIN雪崩光電二極管建模
光電探測(cè)器是光纖通信和光電探測(cè)系統(tǒng)中光信號(hào)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件,是光電集成電路(OEIC)接收機(jī)的重要組成部分.隨著集成電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展,通過建立PIN雪崩光電二極管(APD)的數(shù)學(xué)模型,并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其特性進(jìn)行分析和研究成為OEIC設(shè)計(jì)中的重要組成部分.目前PIN-APD的等
效電路模型,通常在PSPICE中模擬實(shí)現(xiàn)[1,2,4-7]
.這種方法能較好的進(jìn)行直流、交流、瞬態(tài)分析.但無法跟蹤反映PIN-APD工作過程中載流子和光子的變化,同時(shí)建模過程中一些虛擬器件的存在和計(jì)算使模型特性出現(xiàn)誤差.本文通過求解反偏PIN結(jié)構(gòu)中各區(qū)過剩載流子速率方程,建立數(shù)學(xué)模型,并對(duì)模型參數(shù)和器件進(jìn)行了修正,在Matlab中進(jìn)行了模擬計(jì)算.模擬結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果吻合較好
1 PIN-APD數(shù)學(xué)模型
為分析方便，采用圖1所示的一維結(jié)構(gòu)
考慮光由N區(qū)入射.并假設(shè):①:I區(qū)完全耗盡,即N,P區(qū)耗盡層擴(kuò)展相對(duì)于I區(qū)的寬度可忽略;②:I區(qū)電場(chǎng)均勻,N,P區(qū)電場(chǎng)為零.
要模擬PIN-APD的光電特性,需要研究各區(qū)載流子在電場(chǎng)及輸入光作用下的變化及運(yùn)動(dòng)情況.設(shè)為反偏PIN結(jié)構(gòu),則各區(qū)過剩載流子運(yùn)動(dòng)情況計(jì)算如下:1.1 N區(qū)空穴擴(kuò)散電流
根據(jù)漂移-擴(kuò)散理論,N區(qū)中的少子主要是擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)連續(xù)性方程為[8]:
同時(shí)對(duì)于反偏的PIN結(jié)構(gòu),N區(qū)過剩載流子速率方程為
暗電流特性和脈沖響應(yīng)特性模擬參數(shù)
根據(jù)表(1)中的參數(shù),由公式(18),在Matlab中
編程,計(jì)算,并繪制波形圖.
圖(2)為PIN-APD管的暗電流特性.在計(jì)算暗電流時(shí),由于當(dāng)反偏壓較高時(shí),隧穿電流起主要作用,所以式(19)中的λ取1.圖中,實(shí)線為模擬結(jié)果,"*"為文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.從圖中可見該器件的擊穿電壓為80.5V.
圖(3)為脈沖響應(yīng)特性,輸入信號(hào)為Gauss形脈沖,脈沖FWHM為10ps,峰值功率為1mW,偏壓
為50V,取樣電阻為50Ψ,光由P區(qū)入射.圖中,實(shí)線為模擬結(jié)果,"*"為文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.
由圖可見,模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致.
本文針對(duì)PIN雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)的特殊性,以載流子速率方程為基礎(chǔ),通過適當(dāng)?shù)募僭O(shè)和擬合,
把工作過程中的光、電子量及其轉(zhuǎn)化過程完全用數(shù)
學(xué)模型表述.在Matlab中對(duì)該模型進(jìn)行了計(jì)算、模擬,其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好.表明該模型能比較好地反應(yīng)器件的特性和預(yù)測(cè)器件的性能.該模型可用于直流、交流、瞬態(tài)等分析.并具有一定的通用性,可以與其它OEIC器件接口使用。
結(jié)語
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