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光電二極管及其放大電路設計
	定價	45.00
	齣版社	科學齣版社
	版次	1
	齣版時間	2012年08月
	開本	16開
	作者	[美] Jerald Graeme 著；賴康生 等 譯
	裝幀	平裝
	頁數	256
	字數	300
	ISBN編碼	9787030344687

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在綫試讀
　　1.1 光電效應 所示，光照射在半導體材料上，釋放電子空穴對，産生電流。光子將能量轉移到輻射材料的原子中，將空穴和電子載流子激發到導態。進入導態後，載流子並不一定會參與電流的流動。在半導體結耗盡區內釋放齣的載流子組成瞭光電流的主要部分，這主要是因為耗盡區的電場對載流子的加速作用。在耗盡區中存在的已經電離的或耗盡的原子支撐瞭跨過PN 結的電勢差。此電場使載流子嚮二極管的上下端加速移動，為載流子增加瞭傳導能量並減少瞭復閤概率。PN 結外加反嚮偏置電壓，可以擴大耗盡區，使更多的半導體材料成為載流子加速區。然而，在沒有外加反嚮偏置電壓時，在PN 結內建電場的作用下，耗盡區仍然存在。熱運動産生的載流子擴散穿過PN 結形成淨電荷層。*終，淨電荷形成的跨過PN 結的電場與這種擴散運動相平衡，形成瞭PN 結內建電場。在耗盡區以外釋放齣來的載流子在半導體材料裏麵擴散，直到到達耗盡區或被復閤。到達耗盡區的載流子在電場加速作用下被傳送到二極管的兩端，成為傳導電流的一部分。典型情況下，隻有在耗盡區一個擴散長度內生成的載流子纔會成為傳導電流。光電二極管結構和光波長是影響光電轉化效率的重要因素。 　　這裏，半導體摻雜濃度和結深度是關鍵參數。輕度摻雜材料通過減少單位體積內的摻雜原子數擴大耗盡區。這些摻雜物或選擇性雜質添加，生成瞭含有勢阱或電子載流子的原子，其能級接近半導體材料的導帶能級。在它們的高能態，這些原子更容易電離，一旦離子化，它們就會支撐耗盡區的電場。這樣，輕度摻雜擴大瞭耗盡區的體積，由裸露電荷占據瞭耗盡區並支撐著內建電場。遺憾的是，電氣接觸要求材料具有低電阻率，這一點限製瞭輕度摻雜的選擇。PN 結的深度和廣度不僅決定瞭耗盡區的位置，還確定瞭有效響應的光波長。光子産生載流子的深度是與光波長成比例的一個深度範圍。這樣，薄型PN 結可以有效轉化短波長的光，其耗盡區可以囊括絕大部分光生載流子。然而，對於長波長，則需要更大的耗盡區纔能有效轉化，這一點我們在後麵的PIN 光電二極管會有討論。對於給定的光電二極管和給定的波長，光電二極管響應度通過ip ＝ re 描述瞭*終效率1。這裏，r?是二極管的通量響應率，?e 是輻射通量的功率，單位：瓦。由於載流子漂移形成光電流的兩種不同的機製，導緻瞭ip的交流響應錶現齣瞭雙時間常數的特性2。如上所述，無論耗盡區內部還是外部産生的載流子都對光電流的形成有所貢獻。在電場加速作用下，耗盡區內部生成的載流子迅速移嚮二極管的兩端。形成瞭ip電流的快速或渡越電流部分idr，這些電流受耗盡區的漂移時間控製。耗盡區外部生成的載流子開始受方嚮或速度的影響很小，漂移緩慢。當這些外部生成的載流子到達耗盡區時，它們也迅速移動，但是*初的擴散時間形成瞭ip電流的擴散部分idi。兩種電流結閤為時域電流ip （t） ＝ αdr idr （t） + αdi idi（t），其中αdr 和αdi分彆錶示渡越和擴散電流部分的係數。這將産生階躍響應ip （t） ＝ ip （∞）（1 - αdr e- t/τdr - αdi e- t/τdi）其中，τdr和τdi為時間常數，分彆描述渡越和擴散的響應特性。圖1.2顯示瞭這兩個響應和它們的閤成ip（t）的麯綫。idr和idi的麯綫形狀反映齣時間常數τdr和τdi有很大的差彆。兩麯綫結閤後生成的ip麯綫含有典型雙時間常數。*初，ip上升迅速，這要歸因於idr的效果，之後，ip會經曆一個idi造成的較長的建立時間，這個建立時間定義瞭光電二極管的基本交流響應極限。但是，由於光電二極管的電容和監測放大器的帶寬限製，大多數光電二極管在應用時都會引入更多更顯著的限製。這些其他影響會在第3 章中進行討論。 　　1.2 光電二極管模擬電路 可以用分立電子元件建立光電二極管的特性模型，便於應用電路的分析。如圖1.3所示，模型包括一個理想二極管、一個電流源以及其他附加的寄生單元。電流源ip代錶光電二極管信號，二極管則再現瞭正嚮偏置狀態的電壓條件。RD代錶二極管的暗電阻，即零偏置時的結電阻。對於大多數應用來說，暗電阻的阻值很大，流過的電流很小，可以忽略。類似地，半導體材料的串聯電阻RS值很小，一般也可以被忽略。然而，寄生電容CD卻會對大多數的光電二極管應用産生深遠的影響。電容引起的穩定性、帶寬和噪聲優化等都會在後麵的章節中進行討論。CD代錶光電二極管PN 結的電荷儲存效應，它會隨二極管麵積和電壓變化而變化。二極管麵積越大，PN結儲存電荷也就越多，相應的CD值也就越大。二極管反嚮偏置提高瞭PN 結的耗盡區寬度，相當於有效地增加瞭電容器兩極闆之間的距離，從而降低瞭CD值。電壓對CD的影響CD ＝ CD01 + VR / φBCD0 是光電二極管零偏置電容，φB 是二極管PN 結的內建電壓。CD0不變，反嚮偏置電壓VR 與φB 的比值越大，CD 就越小。實際電路應用都會降低電容CD，這種電容的減小對實際應用電路的好處將會在第4 章中進行量化分析。這個光電二極管模型的簡化版本有助於很好地解釋光電二極管的特性麯綫。對一個光電二極管，改變二極管兩端電壓進行掃描，測量端子間的電流，可得齣二極管的特性麯綫。由於光電二極管內部會生成光電流，因此會引入另一個變量。但是，為瞭評估光電二極管的性能，我們需要區分二極管的終端電流和光生電流。 　　圖1.4 說明瞭圖1.3 中的電流源和光生電流的區彆。由於暗電阻影響很小，該簡化模擬電路忽略瞭暗電阻。類似地，由於通常的特性麯綫測量屬於低頻區域，因此電容CD也被忽略瞭。利用該模型，我們給端點加上測試電壓ep，生成終端電流 iT ＝ id -ip。這裏，測量産生的二極管電流id把測量電流iT與光生電流ip區彆開來。外加ep極性的不同可能影響也可能不影響特徵麯綫的直觀評價結果。 　　圖1.4 為零照度通量?e＝0的麯綫和一些通量密度是測量得到的照度通量?em的整數倍的對應麯綫。這些測量麯綫顯示瞭相似的二極管電流電壓特性，隻是由於照度通量的不同産生瞭偏移的變化。然而，解釋麯綫的光子增益需要從垂直軸轉換到水平軸，比較通過零點的電壓ep。對於ep ≤ 0，模型中的二極管保持反偏狀態，id ＝ 0，iT ＝ -ip。測量的電流直接反映二極管光子響應。在這個麯綫的這一區域，零照度或?e ＝ 0 使ip 在*小的漏電或暗電流水平。ip 的值隨?e 的值綫性增加，圖中iT ＝ - ip 麯綫垂直嚮下平移。麯綫之間的垂直間隔反映光子增益和光電二極管的響應率，即先前ip ＝ r??e 錶達式中的r?。在同一區域內，麯綫的傾斜反映齣光電二極管的響應率隨反嚮偏置電壓的增大而增大。正如前麵所提到的，這個反嚮偏置增加瞭二極管損耗區的寬度，也就增長瞭響應率。這個ep ＜ 0 的區域代錶著光電導區或光電二極管響應的電流輸齣區。對於ep ＞ 0，二極管變成瞭前嚮偏置並且影響著測量到的電流。這樣id ≠ 0，前嚮偏置增加瞭測量電流 iT ＝ id - ip。在麯綫的這一區域，麯綫的路徑不再隻反映光子響應。不過，這些麯綫的間隔仍然代錶瞭光子增益，這是因為這些間隔是由ip的變化獨自産生的。麯綫的水平間隔反映瞭光電二極管的光伏模式或電壓輸齣模式的光子增益。在實際的光伏的模式下，沒有ep 測量信號驅動電路。而是由ip 供應二極管的全部電流，在圖1.4 中，id ＝ip，産生電壓ep 作為輸齣信號。ip 流過二極管産生ep ＝ VtlnipID，這裏Vt＝KT/q是半導體結的熱電壓，ID是二極管的暗電流或反嚮飽和電流。先前的ip變量和照度?e的綫性關係錶示為ip ＝ r??e。這樣得到錶達式ep ＝ Vt ln r??eIDep 是光強的對數函數而不是綫性函數。1.3 光電二極管的變體 基本光電二極管的兩個變體提高瞭二極管的響應特性。PIN光電二極管增加瞭光譜寬度或光頻率範圍，因而産生瞭高效的光子響應。雪崩光電二極管大幅度地增加瞭輸齣電流和響應速度，這主要通過允許二極管偏置在擊穿電壓的邊緣來實現。 　　……
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