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硅光电二极管是最简单、最具有代表性的光生伏特器件

作者: 来源: 日期:2022-4-18 10:13:17 人气:7

硅光电二极管是最简单、最具有代表性的光生伏特器件,其中,PN结硅光电二极管为最基本的光生伏特器件,因其高响应速度和低暗电流,结电容等特性,广泛应用于光电检测,传感,安检等各个领域。

一、结构

光电二极管可分为两种结构形式:以P型硅为衬底的2DU型,以N型硅为衬底的2CU型。

2CU型硅光电二极管是用N型硅单晶制作的,根据外形尺寸的大小它又可分2CU1,2CU-2,2CU3等型号,其中2CU1与2CU2体积较大,2CU3稍小些(见图1(a))。这种类型的光电二极管多用带透镜窗口的金属管壳封装,下端有正、负两个电极引线,它们分别与管心中的光敏面(P型层)和N型衬底相连。光线从窗口射入后经透镜聚焦在管心上,由于这种聚光作用增强了光照强度,从而可以产生较大的光电流。

2DU型硅光电二极管是用P型硅单晶制作的,从外形上分有2DUA,2DUB等类型,其中2DUA型管子体积较小些(见图1(b))。2DU型硅光电二极管目前多采用陶瓷树脂封装,入射光的窗口不带透镜。这类管子引线共有三条,分别称作前极、后极、环极(见图1(b))。前极即光敏区(N型区)的引线;后极为衬底(P型区)的引线;环极是为了减小光电管的暗电流和提高管子的稳定性而设计的另一电极。光电管的暗电流是指光电二极管在无光照、最高工作电压下的反向漏电流。我们要求暗电流越小越好,这样的管子性能稳定,同时对检测弱光的能力也越强。

二、 基本特性

由光电二极管的电流方程可以得到光电二极管在不同偏置电压下的输出特性曲线。

光电二极管的工作区域应在图的第3象限与第4象限。在光电技术中常采用重新定义电流与电压正方向的方法把特性曲线旋转成所示。重新定义的电流与电压的正方向均以PN结内建电场的方向相同的方向为正向。

(1)光谱响应特性

通常将其峰值响应波长的电流灵敏度作为光电二极管的电流灵敏度。硅光电二极管的电流响应率通常在0.4~05mA/mW。Si光电二极管光谱响应范围:0.4~1.1mm峰值响应波长约为0.9 mm

(2)伏安特性

由图可见,在低反压下电流随光电压变化非常敏感。这是由于反向偏压增加使耗尽层加宽、结电场增强,它对于结区光的吸收率及光生裁流子的收集效率影响很大。当反向偏压进一步增加时,光生载流子的收集已达极限,光电流就趋于饱和。这时,光电流与外加反向偏压几乎无关,而仅取决于入射光功率。

光电二极管在较小负载电阻下,入射光功率与光电流之间呈现较好的线性关系。图示出了在一定的负偏压下,光电二极管光电流输出特性。

(3)频率响应特性

光电二极管的频率特性响应主要由三个因素决定:

(a)光生载流子在耗尽层附近的扩散时间;

(b)光生载流子在耗尽层内的漂移时间;

(c)与负载电阻RL并联的结电容Ci所决定的电路时间常数。

频率特性优于光电导探测器,适宜于快速变化的光信号探测。


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