光电探测器(光电二极管)
光电探测器(光电二极管)
本文介绍了光电与系统的组成，阐述了光电二极管的分类及原理，本文着重介绍了pn 光电二极管，及其结构原理。
1引言
自年第一台红宝石激光器问世以来,古老的光学发生了革命性的变化与此同时,电子学也突飞猛进地向前发展.光学和电子学紧密联合形成了光电子学这一崭新的学科.由此发展起来的光电子高新技术, 已深入到人们生活的各个领域, 从光纤通信, 镭射唱盘到海湾战争中的现代化武器, 都和光电子技术密切相关.而光电探测器则是光电子系统中不可缺少的重要器件.可以毫不夸大地说, 没有光电探测器件, 就没有今天的光电子学系统
2工作原理
光电探测器的机理是光电效应原理，光电效应有三种：光电导效应，光生伏特效应，光电子发射效应。
光电导效应：在光照下，半导体吸收光子能量后，载流子的浓度增大，使材料的电导率增大，电阻率减小。
光生伏特效应：在光照下，p-n 结的两端产生电势差，当材料短接时能得到短路电流。
光电子发射效应：金属或半导体受光照射，如果光子能量足够大，可以使电子从材料表面逸出，成为真空中的自由电子。
利用这三种效应制作的光电探测器称为光子探测器。
除光子探测器外，光电探测器还有热探测器，其机理是材料因吸收光辐射能量使其自身温度升高，从而改变它的电学性能。
光电探测器的分类：
2.1．pn 光电二极管
2.1.1、空间电荷区
考虑两块半导体晶体，n 型和p 型。
n 型：电子很多而空穴很少；p 型: 空穴很多而电子很少。
单独的n 型和p 型半导体是电中性的。
光电二极管
pin 光电二极管
雪崩光电二极管
光电三极管
光电池
光敏电阻
光电倍增管
热释电探测器
热敏电阻
热电偶
气动管
当两块半导体结合形成p-n结时，由于存在载流子浓度梯度，导致了空穴从p 区到n区，电子从n区到p区的扩散运动。从而在pn结附近p区和n区两侧各自形成了一个负电荷区和正电荷区，这两个区域称为空间电荷区。
2.1.2．pn结光电探测器工作原理
通常pn光电探测器要加反向偏压。当反向偏压Vr加到pn结两端时，由于耗尽层（空间电荷区）的电阻较大，所以电压Vr大部分落在耗尽层上。此时耗
尽层两端的电压应当为：Vr+V
0，其中V
为内建电动势（built-in voltage）。
见下图，其中（a）为空间电荷区，（b）为杂质浓度，p区有均匀受主杂质
浓度N
A ，n区有均匀施主浓度N
D
，若势垒区的正负空间电荷区的宽度分别为x
N
和-x
p
，且取x=0处为交界面，则势垒区的电荷密度为（c）。注意，空间电荷区的宽度和该区的杂质浓度成反比。杂质浓度高的一边宽度小，杂质浓度低的一边宽度大。所以空间电荷区要向杂质浓度低的一边扩展。空间电荷区的电场强度为（d），注意：电场强度是位置x的线性函数，电场方向沿x负方向，从n区指向p区，在x=0处，电场强度达到最大值Emax。
见下图，在A处，一个入射的光子在p型半导体中被吸收并产生一个空穴和一个自由电子，如果这个过程发生在耗尽层的扩散长度（可以将扩散长度看成是少数载流子与相反类型的载流子复合之前行走的平均距离）以内，则电子会有很大的几率到达耗尽层的边界，并在电场的影响下漂过它。每穿过结的电子对外电路电流贡献为一个电荷e的流动。如果光子在耗尽层的n型那一边被吸收，见图中的C点，结果生成的空穴会扩散进入结并漂移跨过它，这也同样会在外电路中形成电荷e的流动。如果光子在耗尽层中B处被吸收，此时所产生的电子和空穴两者皆会在电场的作用下漂移而分别到达p和n的那一边，在实用中最后的过程是最为可取的，因为每一个吸收都会形成电荷e的流动，并避免了由有限扩散时间引起的电流响应延迟。
简单地说，pn光电二极管的工作原理如下：当光照射在pn结部位时，由于光吸收使电子由价带激发到导带，分别在导带和价带生成电子和空穴。这些电子和空穴，在pn结区域耗尽层存在的内建电场的作用下，分别向n型区域和p型区域移动。这时，如果将p型区域和n型区域用外电路将其短路的话，外部电路就有由这些载流子产生的光电流。
对于pn结而言，耗尽层太窄，这不利于电子空穴的漂移。（这是pn结的一个缺点，其它的缺点后面还要再讲）所以光电探测器常采用pin型的结构，其中一个本征的高电阻率i层被夹在p和n型材料之间，电压降中的绝大部分跨过该层，它应该具有足够的厚度，以保证大部分入射光子会在其中被吸收。
2.1.3．半导体的光吸收
半导体光吸收的主要过程：价带电子跃迁。当一定波长的光照射半导体材料时，电子吸收足够的能量，从价带跃迁入导带。
同原子吸收的差别：原子中的能级是不连续的，两能级间的能量差是定值，因而电子的跃迁只能吸收一定能量的光子，出现的是吸收线。而在晶体中，与原子能级相当的是一个由很多能级组成，实际上是连续的能带，因而光吸收也就表现为连续的吸收带。
1．本征吸收
本征吸收：理想半导体在绝对零度时，价带是完全被电子占满的，因此价带内的电子不可能被激发到更高的能级。唯一可能的吸收是足够能量的光子使电子激发，越过禁带跃迁入空的导带，而在价带中留下一个空穴，形成电子-空穴对。这种由于电子由带与带之间的跃迁所形成的吸收过程称为本征吸收。见下图。
发生本征吸收的条件：光子能量必须等于或大于禁带宽度Eg ，即：
g E h h =≥0νν
上式说明：对应于本征吸收光谱，在低频方面必然存在一个频率界限ν0（或者说在长波方面存在一个波长界限λ0）。当频率低于ν0，或波长大于λ0时，不可
能产生本征吸收，吸收系数迅速下降。这种吸收系数显著下降的特定波长λ0称为半导体的本征吸收限。
本征吸收长波限的公式为： )(24
.10eV E =λ，单位微米。
下图是几种常用半导体材料本征吸收限和禁带宽度的对应关系。
2．直接跃迁和间接跃迁
跃迁需满足的条件：在光照下，电子吸收光子的跃迁过程，除了能量必须守恒外，还必须满足动量守恒。即满足：
hk/ -hk=光子动量
其中k和k/为电子原来的波矢量和跃迁后的波矢量。由于一般半导体所吸收的光子，其动量远小于能带中电子的动量，光子动量可忽略不计，因而上式可近似地写为：
k/ =k
也就是说，电子吸收光子跃迁时波矢保持不变（电子能量增加）。上式也称为选择定则。
考察一维的E(k)曲线，为了满足选择定则，以使电子在跃迁过程中波矢保持不变，则原来在价带中状态A的电子只能跃迁到导带中的状态B。A与B在E（k）曲线上位于同一垂线上，因而这种跃迁称为直接跃迁。
直接跃迁的特点：在A到B直接跃迁中所吸收光子的能量hv与图中垂直距离AB 相对应。任何一个k值的不同能量的光子都有可能被吸收，而吸收光子最小能量应等于禁带宽度Eg。因此，本征吸收形成一个连续的吸收带，并具有一波长吸收限。因而从光吸收的测量，可求得禁带宽度。
Ⅲ-Ⅴ族的GaAs、InSb及Ⅱ-Ⅵ族等材料，导带极小值和价带极大值对应于相同的波矢，称为直接带隙半导体。
但不少半导体的导带和价带极值对应于不同的波矢，这种半导体材料称为间接带隙半导体。例如Si，Ge。对应的跃迁过程称为间接跃迁过程。
间接跃迁的特点：在间接跃迁过程中，电子不仅吸收光子，同时还和晶格交换一定的振动能量，即放出或吸收一个声子。间接跃迁过程是电子、光子和声子三者同时参与的过程，能量关系为：
E
0?=±电子能量差p E h ν
其中Ep 代表声子的能量，“+”号是吸收声子，“-”是发射声子。由于声子能量非常小，可忽略不计。因此，可近似认为电子在跃迁前后能量差就是所吸收的光子能量，hv 只在Eg 附近有微小的变化。
间接跃迁也要满足动量守恒。即：
光子动量差±声子动量=光子动量
略去光子动量，得：
k / -k=±q
式中，q 是声子的波矢。上式说明在间接跃迁过程中，伴随发射或吸收适当的声子，电子的波矢k 是可以改变的。 总结：在光的本征吸收过程中，如果只考虑电子和电磁波的相互作用，则根据动量守恒要求，只可能发生直接跃迁。但如果还考虑电子与晶格的相互作用，则间接跃迁也是可能的，这是由于依靠发射或吸收一个声子，使动量守恒原则仍然得到满足。
注意：间接跃迁过程的几率要比只取决于电子与电磁波相互作用的直接跃迁的几率小得多。因此，间接跃迁的光吸收系数比直接跃迁的光吸收系数小很多。前者一般为1～103cm-1，而后者一般为104～106cm-1。
下图是间接带隙半导体（Si ，Ge ）和直接带隙半导体材料（GaAs ）的本征吸收系数和能量的关系。
对于间接带隙半导体，光子能量hv=Eg 时，本征吸收开始。随着光子能量的增加，吸收吸收首先上升一段较平缓的区域，这对应于间接跃迁，向更短波长方面，随着hv 增加，吸收系数再一次陡增，发生强烈的光吸收，表示直接跃迁的开始。GaAs 是直接带隙半导体，光子能量大于hv 后，一开始就有强烈吸收，吸收系数陡峻上升，反映出直接带隙跃迁过程。
3．其它吸收过程
实验证明：波长比本征吸收限长的光波在半导体中也能被吸收。这说明，除了本征吸收外，还存在着其它的光吸收过程：主要有激子吸收、杂质吸收、自由载流子吸收等。
（1）激子吸收
现象：当光子能量g E hv 时，本征吸收形成连续光谱。但在低温时发现，某些晶体在本征连续吸收光谱出现以前，即g E hv 时，就已经出现一系列吸收线。而且对应于这些吸收线并不伴有光电导，可见这种吸收并不引起价带电子直接激发到导带（对于本征吸收产生的电子空穴之间没有相互作用，能互不相关地受到外加电场的作用而改变运动状态，因而使电导率增大），而形成所谓“激子吸收”。 激子吸收的特点：
1..如果光子能量hv 小于Eg ，价带电子受激发后虽然跃出了价带，但还不足以进入导带而成为自由电子，仍然受到库仑场作用。实际上，受激电子和空穴相互束缚而结合在一起成为一个新的系统，这种系统称为激子。
2.激子在晶体中某一部位产生后，并不停留在该处，它可以在整个晶体中运动；但由于它作为一个整体是电中性的，因此不幸成电流。
3.激子在运动过程中可以通过两种途径消失：一种是通过热激发或其它能量的激发使激子分离成为自由电子或空穴；另一种是激子中的电子和空穴通过复合，使激子消灭而同时放出能量（发射光子或同时发射光子和声子）。
1.激子中电子与空穴的作用类似氢原子中电子与质子之间的相互作用。因此，激子的能态也与氢原子相似，由一系列能级组成。
（2）自由载流子吸收
现象：对于一般半导体材料，当入射光子的频率不够高，不足以引起电子从带到带的跃迁或形成激子时，仍然存在着吸收，而且强度随波长增大而增加。见下图左。
原因：这是自由载流子在同一带内的跃迁引起的，称为自由载流子吸收。 自由载流子吸收的特点：
与本征跃迁不同，自由载流子吸收中，电子从低能态到较高能态的跃迁是在同一能带内发生的。见上图右。这种跃迁过程同样必须满足能量守恒和动量守恒关系。和本征吸收的非直接跃迁相似，电子的跃迁也必须伴随着吸收或发射一个声子。
（3）杂质吸收
原因：对于大多数半导体，多数施主和受主能级能很接近于导带和价带。电子可以吸收光子跃迁到导带能级；空穴也同样吸收光子而跃迁到价带（或者说电子离开价带填补了束缚在杂质能级上的空穴）.
杂质吸收的特点：
1.杂质吸收为连续的吸收光谱。
。一般，电1.引起杂质吸收的最低的光子能量等于杂质上电子或空穴的电离能E
I
子跃迁到较高的能级，或空穴跃迁到较低的价带能级，几率逐渐变得很小，因此，吸收光谱主要集中在吸收限E
的附近。
I
2.由于E
小于禁带宽度Eg，杂质吸收一定在本征吸收限以外长波方面形成吸收
I
带。
3.杂质能级越深，能引起杂质吸收的光子能量也越大，吸收峰比较靠近本征吸收限。
4.杂质吸收也可以是电子从受主能级能级跃迁到导带，或空穴从施主能级跃迁入价带。
（4）晶格振动吸收
在晶体吸收光谱的远红外区，有时还发现一定的吸收带，这是晶格振动吸收形成的。在这种吸收中，光子能量直接转换为晶格振动动能。
2.2 pn光电二极管的缺点
p-n结光电二极管的主要缺点有两个：光电转换的效率低和光电响应速度低。
造成这两个缺点的主要原因是：
（1）结电容大，高频响应特性差；
（2）耗尽层太窄（几微米），长波长光子的穿透深度大于耗尽层宽度，使大量光子在耗尽层外被吸收。由于耗尽层以外的电场很小，可视为无场区，因此电子空穴对无法在电场的作用下分离，只能通过扩散入耗尽层而形成漂移电流，扩散速度相对较慢，所以这部分载流子多经历了一个慢速扩散过程，产生的附加时延使探测器输出电流脉冲后沿的拖尾加长，影响光电二极管的响应速度。对光脉冲的影响如图所示。
（3）一部分载流子在扩散过程中要因复合而损失掉，只有小部分能够达到结区，因此降低了量子效率。
解决办法：加宽耗尽层，让光子尽可能在耗尽层内被吸收。
给p-n结加反向偏压本身有助于加宽耗尽层。另外通过降低某一个区域半导体的掺杂浓度也可以加宽耗尽层。现多采用PIN光电二极管的结构。
2.3．PIN光电二极管的结构
在高掺杂的p+型和n+型半导体之间夹一层掺杂浓度很低的半导体，该层近乎为本征半导体，故称为i层。本征层厚度5-50μm。
无外加电场，热平衡时，p+区的空穴和n+区的电子向i 区扩散并因复合而消失，在p+区和n+区留下了净电荷。内建电场如图所示，在i 区中是均匀的。对于pn 结，内建电场是不均匀的。
光电二极管的结电容：
W A C r dep εε0= A ：结面积，W ：结宽度（本征层宽度）。典型值
为微法数量级。
pin 管加反向偏压时，由于本征层材料的高阻抗
性质，使大部分电压降落其上，耗尽层宽度近似
为i 层厚度。反向偏压为Vr ，本征层中的电场为
0V V W V W V E E r r r >>≈+=
照射光子主要在本征层中被吸收，在电场作用下，
电子和空穴分别向n+区和p+区漂移，形成光电
流。
2.4．响应时间
从光功率输入到转换为光电流输出，有时间延迟，
称为响应时间（response time ），其值主要取决
于载流子通过耗尽层的渡越时间t tr d tr W t v =
W 为耗尽区宽度，vd 为平均漂移速度。减小耗尽层宽度或加大反向偏压，均可以使渡越时间缩短。
减小耗尽层宽度，W 小，v d 大，使t tr 减小，但光子被耗尽层吸收的机会减少。
加大反向偏压，电场增强，漂移速度增大。当电场高到一定程度时，载流子达到饱和漂移速度。
实际中，pin管的本征层是轻掺杂的n型层，因此其电场在i区是不完全均匀的，如下图所示。
3 结束语：
本文探讨了光电探测器的原理及结构缺点。光电探测器应用广泛是光电子系统的重要部分，研究好光电探测器有深远的意义。
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LED发光二极管 半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称LED）、数码管、符号管、M字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。事实上，数码管、符号管、M字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。 一、半导体发光二极管工作原理、特性及应用（一）LED发光原理发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。
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基于光电二极管反偏的光电检测电路的噪声分析 发表时间：2017-03-09T11:18:47.780Z 来源：《电力设备》2017年第1期作者：王风敏 [导读] 在光电检测电路设计时，应该尽可能地减小噪声，从而提升系统的检测分辨率和信噪比。 （池州学院安徽池州 247100） 摘要：噪声是目前影响光电检测电路检测性能的重要因素，在光电检测电路设计时，应该尽可能地减小噪声，从而提升系统的检测分辨率和信噪比。为此，本文就对基于光电二极管反偏的光电检测电路的噪声进行了分析，首先简单介绍了光电二极管检测电路，然后对基于光电二极管反偏的光电检测电路设计进行了分析，随后探讨了光电检测电路的噪声，最后提出了光电检测电路的总噪声及低噪声的设计原则，旨在为低噪声光电检测电路的设计提供帮助。 关键字：噪声；光电检测电路；光电二极管；反偏 引言 现如今，光电检测技术已经被广泛地应用于诸多领域，从理论的角度分析而言，利用光电检测电路能够将任何存在光辐射信号地方的信号检测出来。然而，在实际检测过程中，经光电二极管转换的光电信号是非常微弱的，经常出现被检测信号被噪声淹没的情况，严重影响的光电检测电路的检测能力。因此，对光电检测电路的噪声进行分析具有非常重要的意义。 1.光电二极管检测电路 1.1光电二极管工作原理 光电二极管主要是利用半导体通过光电效应实现光信号到电信号的转换。受热运动的影响，耗尽层两侧没有电场的中性区域内有一些以扩散运动方式的空穴与光生电子进入到耗尽层，然后受电场的作用形成扩散电流，且方向与漂移电流相一致。光生电流为扩散电流分量与漂移电流分量的总和。所以，当N层和P层的连接电路打开时，在它们的两端会产生一定的电动势，而该效应则被称之为光电效应。当P 层与N层的连接电路出现闭合时，N区的过剩电子与P区的空穴电流会相互流动，从而形成一种光生电流。光生电流会随着入射光的变化而进行线性改变，从而实现光信号到电信号的转变。 1.2低噪声光电检测线路设计的意义 通常情况下，通过光电二极管转换而得到的光电信号是较为微弱的，且在光电信号的检测极易受到噪声的干扰。实际情况表明，当通过光电来检测相关线路时，其中光电转换器件的前置放大电路噪声往往会对整个系统产生较为严重的影响，因此，要想提升系统的检测分辨率和信噪比，在设计光电检测电路时，必须尽量地降低噪声。 1.3噪声的实用性分析 通过分析光电检测电路中噪声产生的原因，并对其噪声特点进行分析，并针对电路设计过程中有可能出现的所有问题，尽可能地降低电路噪声，从而确保西戎检测分辨率与信噪比的提高。现如今，诸多领域中都涉及到了微弱光信号的检测，当然检测方法也是各式各样的，但就实际应用效果来看，一部分常用检测方法的灵敏度不是很高，在工作中往往无法满足相关要求，而利用光电技术对微弱信号进行检测，具有较高的精度和稳定性。 2.基于光电二极管反偏的光电检测电路设计 光电二极管的工作状态在光电检测电路中存在反偏、无偏、正偏三种。当光电二极管处于反偏状态时，在反偏偏压的作用下，光生截流子的运动会加快，与其它两种状态相比较而言，所产生的光电流更大，更有利于弱光条件下的检测。本文所研究的基于光电二极管反偏的光电检测电路的设计思路为：首先采用光电二极管连接反向高压，对微弱光信号进行探测，实现光信号到电流信号的转换；然后，再利用三极管实现电信号的流压转换；最后，再通过运算放大器来放大电压，从而完成对弱光信号检测。光电检测电路中的所有期器件都不可避免会产生相应的噪声，从而对整个电路的噪声输出产生不良的影响，下面本文就电路的噪声进行进一步分析。 3.光电检测电路的噪声 3.1光电二极管的噪声 （1）热噪声。热噪声指的是导电材料两端因其中截流子的不规则热运动而产生涨落的电流或电压，并且电流或电压的涨落是随机的。材料的噪声等效带宽、电阻及温度是决定材料热噪声电压的主要因素，其中电阻是主要的热噪声源，在电阻不变的情况下，减少温度及噪声等效带宽能够使热噪声得到有效地减少。 （2）散粒噪声。散粒噪声是指导电材料中由于光生截流子流动与形成密度的涨落而产生的噪声，散粒噪声电流和电压均方值取决于通过光电二极管的电流和噪声带宽，并且散粒噪声电压与电流的均方值与电流及噪声带宽呈正比例关系，减少电流和噪声带宽能够使散粒噪声得到有效地降低。在光电检测电路中，散粒噪声电流与热噪声电流是相互独立的，总电流的均方值为散粒噪声电流均方值与热噪声电流均方值之和。 3.2三极管的噪声 三极管的噪声主要取决于工作电流、发射结阻抗以及基区电阻等参数，光电检测电路设计时，应该选用噪声系数较小的三极管，同时，在对负载电阻的阻值进行确定时，需要对噪声与三极管静态放大倍数之间的关系进行充分地考虑，从而实现电路设计优化。 3.3运算放大器的噪声 光电检测电路中的运算放大器是由电容、电阻、晶体管等集成的，其中电阻和晶体管分别会产生相应的热噪声和散粒噪声。运算放大器的输出噪声电压与其自身的增益、带宽、模型以及反馈电阻等因素有关。在光电检测电路设计时，其它需求条件都满足的情况下，运算放大器应尽可能地选用小的，同时放大倍数确定后，对电路阻值进行调整时，应尽可能地减少反馈电阻的阻值，从而实现电路噪声的减少。 4.光电检测电路的总噪声及低噪声的设计 通过上文分析，我们不难得出光电检测电路主要包括光电二极管、三极管流压转换以及运算放大器三个模块，在对整个电路的噪声进行分析时，必须对这三部分进行级联。除与电路器件自身相关之外，光电检测电路的输出噪声电压还与其它众多因素相关联。（1）从理论的角度来看，三极管的负载电阻与其静态增益的并联值越小，电路噪声越小，越有利于检测，然而随着负载电阻与静态增益的减小，输出信号也在随之变小。因此，在实际条件过程中，应该首先尽可能地满足负载电阻的值，然后再结合负载电阻对静态增益进行调节。（2）从
测试LED光电特性的内容及方法介绍
LED灯具检测方法关键缺陷及改善策略 传统的 led 及其模块光、色、电参数检测方法有电脉冲驱动，CCD 快速光谱测量法，也有在一定的条件下，热平衡后的测量法，但这些方法的测量条件和结果与LED 进入照明器具内的实际工作情况都相差甚远。文章介绍了通过Vf—TJ 曲线的标出并控制LED 在控定的结温下测量其光、色、电参数不仅对采用LED的照明器具的如何保证LED 工作结温提供了目标限位，同时也使LED 及其模块的光、色、电参数的测量参数更接近于实际的应用条件。文章还介绍了采用LED的照明器具如测量LED 的结温并确定LED 参考点的限值温度与结温的函数关系。这对快速评估采用LED 的照明器具的工作状态和使用寿命提供了一个有效的途径。 一、序言 对于一个新兴的产品，其产品自身的发展总是先于产品标准和检测方法。虽然产品的标准和检测方法不可能先于产品的研发，但是，产品的标准和检测方法应尽可能地紧跟产品设计开发的进度，因为产品的标准和检测方法的制定过程本身就是对产品研发过程的回顾研讨和小结，只要条件基本成熟，产品标准和检测方法的制订越及时，就越能减少产品研发过程的盲目性。LED 照明产业发展到现在，我们对LED 照明产品标准和检测方法的回顾、小结的时候已经基本到来。 二、 LED 模块的光电参数和检测方法的现状和改进方法 1、传统的LED 模块的检测方法 目前传统的 LED 模块的检测方法主要有两种，第一种是采用脉冲测量的方法，它是把照明LED 模块固定在测量装置上（例如积分球的测量位置等），采用脉冲恒流电源与瞬时测量光谱仪的同步联动，即对LED 发出数十毫秒～数佰毫秒恒流的脉冲电流的同时，同步打开瞬时测量光谱仪器的快门，对LED 发出的光参数（光通量、光色参数等）进行快速检测，同时，也同步采集LED 的正向压降和功率等参数。由于这种方式在检测过程中，LED 的结温几乎等同于室温，所以，测量结果的光效高，光色和电参数与实际使用情况有明显差异，这一般都是LED 芯片（器件）生产商采用的快速检测方法，而与LED 实际应用在最终照明器具中的状态不具有可参比性。 第二种检测方法是把LED模块安装在检测装置上后，可能带上一固定的散热器（也可能具有基座控温功能），给LED施加其声称的工作电流，受传统的照明光源检测方法的影响，也是等到LED达到热平衡后再开始测量它的光电参数。这种方法看似比较严密，但实际上，它的热平衡条件和工作条件与此类LED装入最终的照明器具中的状态仍没有好的关联性，因此所测的光电参数与今后实际的应用状态的参数仍不具有可参比性。已经颁布的GB/T24824—2009/CIE 127-2007NEQ《普通照明用LED模块的基本性能的测量方法》标准中，在这方面是这样规定的：“试验或测量时LED模块应工作在热平衡状态下，在监视环境温度的同时，最好能监视LED模块自身的工作温度，以保证试验的可复现性。如可能监测LED模块结电压，则应首选监测结电压。否则，应监测LED模块指定温度测量点的温度”。可见在监测结电压的条件下来测量LED 模块的光电参数是保证检测重现性的首选方案，但是，标准中没有指明在模拟实际使用结温条件下检测LED 模块的光、色、电参数。 2、LED 模块测量方法的改进
LED发光二极管工作原理、特性及应用演示教学
LED发光二极管工作原理、特性及应用 半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。 一、半导体发光二极管工作原理、特性及应用 （一）LED发光原理 发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。 假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。
理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。 （二）LED的特性 1．极限参数的意义 （1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。 （2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。 （3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。 （4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。 2．电参数的意义 （1）光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图2所示。由图可见，该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最大，该波长为峰值波长。 2）发光强度IV：发光二极管的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr时，则发光1坎德拉（符号为cd）。由于一般LED的发光二强度小，所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位。 （3）光谱半宽度Δλ:它表示发光管的光谱纯度.是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之间隔. （4）半值角θ1/2和视角：θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。半值角的2倍为视角（或称半功率角）。 图3给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况。中垂线（法线）AO的坐标为相对发光强度（即发光强度与最大发光强度的之比）。显然，法线方向上的相对发光强度为1，离开法线方向的角度越大，相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。
硅光电二极管在光电检测电路中的应用研究_付文羽
第20卷 第5期 许昌师专学报 Vol.20.No.5 2001年9月 JOURNAL OF XUCHANG TE AC HERS C OLLE GE Sep.,2001 文章编号:1000-9949-(2001)05-0019-04 硅光电二极管在光电检测电路中的应用研究 付文羽,彭世林 (庆阳师范高等专科学校物理系,甘肃西峰745000) 摘 要:分析了光电检测时硅光电二极管线性响应及噪声特性,给出了硅光电二极管的线性 度及信噪比公式,并结合噪声E n—I n模型[1],对光电二极管用于光电检测时影响电路信噪比的 因素进行了探讨. 关键词:光电检测;信噪比;噪声模型 中图分类号:TN710.2 文献标识码:A 0 引言 硅光电二极管由于响应快、灵敏度高、性能稳定、测量线性好、噪声低而被广泛用于光电检测电路中,尤其在激光通讯测量中,通常要测量微瓦以下的光信号,就更离不开硅光电二极管.质量好的硅光二极管用于激光功率测量时,测量下限可达10-8W,分辨率可达10-12W.在许多场合,光电检测电路接收到的是随时间变化的光信号,其特点是:单一频率或包含着丰富的频率分量的交变信号,当信号很微弱时,由于背景噪声和电路热噪声的影响,还需要对信号进行低噪声处理、放大.因此,在交变光电信号作用下,怎样正确选择硅光电二极管的参数,以获得最小非线性失真信号及信号检测的灵敏度就成为人们所关心的问题. 1 硅光电二极管的基本结构及等效电路 光电二极管是一种光电转换器件,其基本原理是当光照射在P—N结上时,被吸收的光能转变为电能,这是一个吸收过程,与发光二极管的自发辐射和激光二极管的受激幅射过程相逆.P—N型硅光电二极管是最基本和应用最广的管子.基本结构如图1所示,它是在N型硅单晶片的上表面扩散一薄层P型杂质,形成P+型扩散层.由于扩散,在P+区和N型区形成一个P+N结.P+区是透明的,光子可以通过P+区到达PN结区产生光电子.在N型硅单晶下表面扩散N型杂质以形成高浓度的N+扩散区,以便给金属电极提供良好的电接触.另一种常用的硅光电二极管是P—I—N型硅光电二极管,其结构同P—N型类似.位于P层和N层之间的耗尽层由本征半导体构成,可以提供一个较大的耗尽深度和较小的电容,适合于反向偏压工作.硅光电二极管的等效电路如图2所示,图中I s为电流源,它是硅光电二极管接收辐射后所产生的光电流I p和暗电流I d以及噪声电流I n之和,即: 图1 平面扩散型PN结光电二极管结构图图2 硅光电二极管等效电路 收稿日期:2001-03-19 作者简介:付文羽(1963-),男,甘肃宁县人,庆阳师专物理系讲师,工程硕士,主要从事光电检测与传感技术应用研究.
LED工作特性
什么是二极管 二极管是半导体设备中的一种最常见的器件,大多数半导体最是由搀杂半导体材料制成(原子和其它物质)发光二极管导体材料通常都是铝砷化稼,在纯铝砷化稼中,所有的原子都完美的与它们的邻居结合,没有留下自由电子连接电流。在搀杂物质中，额外的原子改变电平衡，不是增加自由电子就是创造电子可以通过的空穴。这两样额外的条件都使得材料更具传导性。带额外电子的半导体叫做N型半导体，由于它带有额外负电粒子，所以在N型半导体材料中，自由电子是从负电区域向正电区域流动。带额外“电子空穴”的半导体叫做P型半导体，由于带有正电粒子。电子可以从一个电子空穴跳向另一个电子空穴，从负电区域向正电区域流动。 因此，电子空穴本身就显示出是从正电区域流向负电区域。二极管是由N型半导体物质与P 型半导体物质结合，每端都带电子。这样排列使电流只能从一个方向流动。当没有电压通过二极管时，电子就沿着过渡层之间的汇合处从N型半导体流向P型半导体，从而形成一个损耗区。在损耗区中，半导体物质会回复到它原来的绝缘状态--所有的这些“电子空穴”都会被填满，所有就没有自由电子或电子真空区和电流不能流动。 为了除掉损耗区就必须使N型向P型移动和空穴应反向移动。为了达到目的，连接二极管N 型一方到电流的负极和P型连接到电流的正极。这时在N型物质的自由电子会被负极电子排斥和吸引到正极电子。在P型物质中的电子空穴就移向另一方向。当电压在电子之间足够高的时候，在损耗区的电子将会在它的电子空穴中和再次开始自由移动。损耗区消失，电流流通过二极管。
如果尝试使电流向其它方向流动，P型端就边接到电流负极和N型连接到正极，这时电流将不会流动。N型物质的负极电子被吸引到正极电子。P型物质的正极电子空穴被吸引到负极电子。因为电子空穴和电子都向错误的方向移动所以就没有电流流通过汇合处，损耗区增加。 为什么二极管会发光 当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。 发光二极管的伏安特性 正向电压(VF)&.正向电流(IF); 反向电压(VR)&反向电流(IR); LED是电流驱动元件,非电压驱
发光二极管主要参数与特性
发光二极管主要参数与特性 https://www.docsj.com/doc/7112971775.html,发布日期：2007-2-5 17:12:17 信息来源：LED 发光二极管主要参数与特性 LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。它具备pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C -V特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。 1、LED电学特性 1.1 I-V特性表征LED芯片pn结制备性能主要参数。LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。 如左图： (1) 正向死区：（图oa或oa′段）a点对于V0 为开启电压，当V＜Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。 （2）正向工作区：电流I F与外加电压呈指数关系 I F = I S (e qVF/KT –1) -------------------------I S 为反向饱和电流。 V＞0时，V＞V F的正向工作区I F 随V F指数上升 I F = I S e qVF/KT （3）反向死区：V＜0时pn结加反偏压 V= - V R 时，反向漏电流I R（V= -5V）时，GaP为0V，GaN为10uA。 （4）反向击穿区 V＜- V R ，V R 称为反向击穿电压；V R 电压对应I R为反向漏电流。当反向偏压一直增加使V＜- V R时，则出现I R突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压V R也不同。 1.2 C-V特性 鉴于LED的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil，11×11mil (280×280um)，12×12mi l (300×300um)，故pn结面积大小不一，使其结电容（零偏压）C≈n+pf左右。 C-V特性呈二次函数关系（如图2）。由1MH Z交流信号用C-V特性测试仪测得。 1.3 最大允许功耗PF m 当流过LED的电流为I F、管压降为U F则功率消耗为P=U F×I F LED工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。若结温为Tj、外部环境温度为Ta，则当Tj＞Ta时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量（功率），可表示为P = K T（Tj – Ta）。 1.4 响应时间 响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。现有几种显示LCD（液晶显示）约10-3~1 0-5S，CRT、PDP、LED都达到10-6~10-7S（us级）。 ① 响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间，即图中t r 、t f 。图中t0值很小，可忽略。 ② 响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。 LED的点亮时间——上升时间t r是指接通电源使发光亮度达到正常的10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。
发光二极管特性参数(精)
发光二极管特性参数 IF 值通常为 20mA 被设为一个测试条件和常亮时的一个标准电流，设定不同的值用以测试 二极管的各项性能参数，具体见特性曲线图。 IF 特性： 1. 以正常的寿命讨论，通常标准 IF 值设为 20 － 30mA ，瞬间（ 20ms ）可增至 100mA。 2. IF 增大时 LAMP 的颜色、亮度、 VF 特性及工作温度均会受到影响，它是正常工作时的一个先决条件， IF 值增大：寿命缩短、 VF 值增大、波长偏低、温度上升、亮度增大、 角度不变，与相关参数间的关系见曲线图； 1.VR （ LAMP 的反向崩溃电压） 由于 LAMP 是二极管具有单向导电特性，反向通电时反向电流为 0 ，而反向电压高到一定程度时会把二极管击穿，刚好能把二极管击穿的电压称为反向崩溃电压，可以用 “ VR ”来表示。 VR 特性： 1. VR 是衡量 P/N 结反向耐压特性，当然 VR 赿高赿好； 2. VR 值较低在电路中使用时经常会有反向脉冲电流经过，容易击穿变坏； 3. VR 又通常被设定一定的安全值来测试反向电流（ IF 值），一般设为 5V ； 4. 红、黄、黄绿等四元晶片反向电压可做到 20 － 40V ，蓝、纯绿、紫色等晶片反向 电压只能做到 5V 以上。 2.IR （反向加电压时流过的电流） 二极管的反向电流为 0 ，但加上反向电压时如果用较精密的电流表测量还是有很小的电流，只不过它不会影响电源或电路所以经常忽略不记，认为是 0 。 IR 特性： 1. IR 是反映二极管的反向特性， IR 值太大说明 P/N 结特性不好，快被击穿； IR 值 太小或为 0 说明二极管的反向很好； 2. 通常 IR 值较大时 VR 值相对会小， IR 值较小时 VR 值相对会大； 3. IR 的大小与晶片本身和封装制程均有关系，制程主要体现在银胶过多或侧面沾胶， 双线材料焊线时焊偏，静电亦会造成反向击穿，使 IR 增大。
实验四 PIN光电二极管特性测试
实验四PIN光电二极管特性测试 一、实验目的 1、学习掌握PIN光电二极管的工作原理 2、学习掌握PIN光电二极管的基本特性 3、掌握PIN光电二极管特性测试的方法 4、了解PIN光电二极管的基本应用 二、实验内容 1、PIN光电二极管暗电流测试实验 2、PIN光电二极管光电流测试实验 3、PIN光电二极管伏安特性测试实验 4、PIN光电二极管光电特性测试实验 5、PIN光电二极管时间响应特性测试实验 6、PIN光电二极管光谱特性测试实验 三、实验器材 1、光电探测综合实验仪1个 2、光通路组件1套 3、光照度计1台 4、PIN 光电二极管及封装组件1套 5、2#迭插头对（红色，50cm）10根 6、2#迭插头对（黑色，50cm）10根 7、三相电源线1根 8、实验指导书1本 9、示波器1台 四、实验原理 光电探测器PIN管的静态特性测量是指PIN光电二极管在无光照时的P-N结正负极、击穿电压、暗电流Id以及在有光照的情况下的输入光功率和输出电流的关系（或者响应度），光谱响应特性的测量。 图5-1 PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布 图5-1是PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布。在高掺杂P型和N型半导体之间生长一层本征半导体材料或低掺杂半导体材料，称为I层。在半导体PN结中，掺杂浓度和耗尽层宽度有如下关系： LP/LN=DN/DP
其中：DP和DN 分别为P区和N区的掺杂浓度；LP和LN分别为P区和N区的耗尽层的宽度。在PIN中，如对于P层和I层(低掺杂N型半导体)形成的PN结，由于I层近于本征半导体，有 DN<
LED特性测量实验
LED特性测量实验 【实验目的】 1、了解LED的发光机理、光学特性与电学特性，并掌握其测试方法。 2、设计简单的测试装置，并对发光二极管进行V－I特性曲线、P—I特性曲线的测量。 【实验装置】： LED(白光和黄绿光)，精密数显直流稳流稳压电源，积分球（Φ＝30cm），多功能光度计，光功率计，直尺，万用表，导线、支架等。 【实验原理】 1、发光二极管的发光原理 发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的芯片。p型半导体和n型半导体在相互接触的时候，由于两者的功函数或者说是费米能级的不同，p区中的空穴就会流向n 区，而n区中的电子也会扩散到p区中去，同时产生建电势差，产生耗尽层，当载流子的扩散运动和漂移运动平衡时候pn结就达到平衡状态，如图3所示。pn结正向偏置的时候，建电势差变小，势垒的高度变小，以载流子的扩散运动为主，电子和空穴就会更容易克服势垒分别流向p区和n区。在p－n结耗尽层处，电子和空穴相遇，复合，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量以发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。这就是发光二极管的发光理论。 图3 图4 2、发光二极管的主要特性 （1）光通量
LED 光源发射的辐射波长为λ的单色光，在人眼观察方向上的辐射强度和人眼瞳孔对它所的立体角的乘积，称为光通量ΦV （单位是流明lm ），具体是指LED 向整个空间在单位时间发射的能引起人眼视觉的辐射通量。 光通量的测量以明视觉条件作为测量条件，测量光通量必须要把LED 发射的光辐射能量收集起来，可以用积分球来收集光能。测量的探测器应具有CIE 标准光度观测者光谱效率函数的光谱响应。LED 器件发射的光辐射经积分球壁的多次反射，使整个球壁上的照度均匀分布，可用一置于球壁上的探测器来测量这个光通量成比例的光的照度。基于实验室提供的资料，由积分原理，积分球任一没有光直接照明的点的光照度为：2 41E R ρ πρ Φ= -。其中Φ为光源的光照度，R 为积分球的半径，ρ为积分球壁的反射率。所以测量得到球壁上任一点的光照度就可以求得光源的光通量了。 （2） 发光强度 发光强度表示在指定方向上光源发光的强弱。若某个光源在法线方向上，辐射强度为(1/683)W/sr （即一单位立体角度光通量为1流明时），则称其发光强度为1坎德拉(candela )，符号为cd 。 要求光源是一个点光源，或者要求光源的尺寸和探测器的面积与离光探测器的距离相比足够小(这种要求被称为远场条件)。一般使用CIE 推荐的“平均发光强度”的概念：照射在离LED 一定距离处的光探测器上的通量，与探测器构成的立体角的比值。 CIE 对近场条件下的LED 测量，有两个推荐的标准条件：CIE 标准条件A 和B 。两个条件都要求所用的探测器有一个面积为1cm 2 的圆入射孔径，LED 面向探测器放置，并且保证LED 的机械轴通过探测器的孔径中心。本实验中使用的是亮度比较低的LED ，所以使用条件B ，使LED 顶端到探测器的距离为100mm 。 （3） 发光效率 （4） V －I 特性 由于在耗尽层中的载流子复合有一定的几率，在正向电压小于阈值电压时，耗尽层中的载流子很少，复合几率也比较低，正向电流极小，不发光。当电压超过阈值后，正向电流随电压迅速增加。由V －I 曲线可以得出LED 的正向电压，反向电流以及反向电压等参数。
光电二极管检测电路的组成及工作原理
光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中,光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换,但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景,单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理,然后如果读者有机会的话,可以运行一个SPICE模拟程序,它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法 是将一个光电二极管跨接在一个CMOS输入 放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种 方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中,光电二极管工作于光致电压 （零偏置）方式。光电二极管上的入射光使之 产生的电流I SC从负极流至正极,如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高,二极管产生的电流将流过反馈电阻R F。输出电压会随着电阻R F两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压,即 V OUT = I SC×R F（1） 图1 单电源光电二极管检测电路 式（1）中,V OUT是运算放大器输出端的电压,单位为V;I SC是光电二极管产生的电流,单位为A;R F是放大器电路中的反馈电阻,单位为W 。图1中的C RF是电阻R F的寄生电容和电路板的分布电容,且具有一个单极点为1/（2p R F C RF）。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件R F。用这个模拟程序,激励信号源为I SC,输出端电压为V OUT。 此例中,R F的缺省值为1MW ,C RF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后,传输函数中的极点等于1/（2p R F C RF）,即318.3kHz。改变R F 可在信号频响范围内改变极点。
发光二极管主要参数与特性(精)
发光二极管主要参数与特性 LED 是利用化合物材料制成 pn 结的光电器件。它具备pn 结结型器 件的电学特性：I-V 特性、C-V 特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。 1、LED 电学特性 1.1 I-V 特性 表征LED 芯片pn 结制备性能主要参数。LED 的I-V 特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。 如左图： (1) 正向死区：（图oa 或oa ′段）a 点对于V 0 为开启电压，当V ＜Va ，外加电 场尚克服 不少因载 流子扩散 而形成势垒电场，此时R 很大；开启电压对于不同LED 其值不同，GaAs 为1V ，红色GaAsP 为1.2V ，GaP 为1.8V ，GaN 为2.5V 。 （2）正向工作区：电流I F 与外加电压呈指数关系 I F = I S (e qV F /KT –1) -------------------------I S 为反向饱和电流 。 V ＞0时，V ＞V F 的正向工作区I F 随V F 指数上升 I F = I S e qV F /KT （3）反向死区 ：V ＜0时pn 结加反偏压 V= - V R 时，反向漏电流I R （V= -5V ）时，GaP 为0V ，GaN 为10uA 。 （4）反向击穿区 V ＜- V R ，V R 称为反向击穿电压；V R 电压对应I R 为反向漏电流。当反向偏压一直增加使V ＜- V R 时，则出现I R 突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED 的反向击穿电压V R 也不同。 1.2 C-V 特性 鉴于LED 的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil ，11×11mil (280×280um)，12×12mil (300×300um)，故pn 结面积大小不一，使其结电容（零偏压） C ≈n+pf 左右。 C-V 特性呈二次函数关系（如图2）。由1MH Z 交流信号用C-V 特性测试仪测得。 1.3 最大允许功耗PF m 当流过LED 的电流为I F 、
APD光电二极管特性测试实验
APD光电二极管特性测试实验 APD光电二极管特性测试实验 1，实验目的 1，学习掌握APD光电二极管的工作原理2，学习掌握APD光电二极管的基本特性3，掌握APD光电二极管特性测试方法4，了解APD光电二极管的基本应用 2，实验内容有 1，APD光电二极管暗电流测试实验2，APD光电二极管光电流测试实验3，APD光电二极管伏安特性测试实验4，APD光电二极管雪崩电压测试实验5、APD光电二极管光电特性测试实验6、APD光电二极管时间响应特性测试实验7、APD光电二极管光谱特性测试实验 3、实验仪器 1、光电检测综合实验仪器1 2、光路组件1组 3、测光表1组 4、1组5和2#重叠插头对(红色，50厘米)和10组6和2#重叠插头对(黑色，50厘米)10根7相电力电缆，1根8相电源线，1本9实验说明书，1台 4示波器， 雪崩光电二极管APD—雪崩光电二极管是一种具有内部增益的光电探测器，可用于探测微弱的光信号并获得较大的输出光电流。 雪崩光电二极管的内部增益基于碰撞电离效应。当高反向偏置电
压施加到PN结时， 5 耗尽层中的电场非常强，并且光生载流子在通过时将被电场加速。当电场强度足够高(约3x10v/cm)时，光生载流子获得大量动能。它们与半导体晶格高速碰撞，电离晶体中的原子，从而激发新的电子-空穴对。这种现象被称为碰撞电离碰撞电离产生的电子-空穴对也在强电场的作用下加速，并重复前面的过程。由于多次碰撞电离，载流子迅速增加，电流迅速增加。这一物理过程被称为雪崩倍增效应。 ++ 图6-1是APD的结构与电极接触的外侧的P区和N区被重掺杂，分别由P和N + 表示；在I区和n区的中间是另一层宽度较窄的p区APD在大的反向偏置下工作。当反向偏置电压增加到 ++ 到一定值时，耗尽层从N-P结区延伸到P区，包括中间P层区和I + 区图4的结构是直通APD结构从图中可以看出，电场分布在区域一相对较弱，但在区域N-P ++ 相对较强。碰撞电离区，即雪崩区，位于n-p区虽然I区的电场比
光电二极管检测电路的工作原理及设计方案
?光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换，但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景，单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理，然后如果读者有机会的话，可以运行一个SP IC E模拟程序，它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法是将一个光电二极管跨接在一个CMOS 输入放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中，光电二极管工作于光致电压（零偏置）方式。光电二极管上的入射光使之产生的电流ISC从负极流至正极，如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高，二极管产生的电流将流过反馈电阻RF。输出电压会随着电阻RF两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压，即 VOUT = ISC ×RF （1）
图1 单电源光电二极管检测电路 式（1）中，VOUT是运算放大器输出端的电压，单位为V;ISC是光电二极管产生的电流，单位为A;RF是放大器电路中的反馈电阻，单位为W 。图1中的CRF是电阻RF的寄生电容和电路板的分布电容，且具有一个单极点为1/（2p RF CRF）。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件RF。用这个模拟程序，激励信号源为ISC，输出端电压为VOUT。 此例中，RF的缺省值为1MW ，CRF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后，传输函数中的极点等于1/（2p RFCRF），即318.3kHz。改变RF可在信号频响范围内改变极点。 遗憾的是，如果不考虑稳定性和噪声等问题，这种简单的方案通常是注定要失败的。例如，系统的阶跃响应会产生一个其数量难以接受的振铃输出，更坏的情况是电路可能会产生振荡。如果解决了系统不稳定的问题，输出响应可能仍然会有足够大的“噪声”而得不到可靠的结果。 实现一个稳定的光检测电路从理解电路的变量、分析整个传输函数和设计一个可靠的电路方案开始。设计时首先考虑的是为光电二极管响应选择合适的电阻。第二是分析稳定性。然后应评估系统的稳定性并分析输出噪声，根据每种应用的要求将之调节到适当的水平。 这种电路中有三个设计变量需要考虑分析，它们是：光电二极管、放大器和R//C反馈网络。首先选择光电二极管，虽然它具有良好的光响应特性，但二极管的寄生电容将对电路的噪声增益和稳定性有极大的影响。另外，光电二极管的并联寄生电阻在很宽的温度范围内变化，会在温度极限时导致不稳定和噪声问题。为了保持良好的线性性能及较低的失调误差，运放应该具有一个较小的输入偏置电流（例如CMOS工艺）。此外，输入噪声电压、输入共模电容和差分电容也对系统的稳定性和整体精度产生不利的影响。最后，R//C反馈网络用于建立电路的增益。该网络也会对电路的稳定性和噪声性能产生影响。 2 光检测电路的SPICE模型