1.结构原理
硅光电二极管的两种典型结构如图2. 6一1所示。其中图（a）是采用N型单晶硅和扩散工艺，称
N结，它的型号是2CU型。而图（b）是采用P型单晶和磷扩散工艺，称
P
结，它的型号为2DU型。光敏芯区外侧的环区称为保护环，其目的是切断感应表面层漏
电流。使暗电流明显减小。硅光电二极管的电路中的符号及偏置电路也在图2. 6一1中一并画出，一律采用反向电压偏置。有环极的光电二极管有三根引出线，通常把N侧电极称为前极，P侧电板称为后极。环极接偏置电源的正极。如果不用环极，则把它断开，空着即可。
图2. 6一1硅光电二极管两种典型结构
（a）2CU型；（b）2DU型
硅光电二极管的封装有多种形式，常见的是金属外壳加入射窗口封装。入射窗口又有透
镜和平面镜之分。透镜有聚光作用。有利于提高灵敏度。而且由于聚焦位置与入射光方向有关，因此还能减小杂散背景光的干扰。其缺点是灵敏度随方向而变，给对准和可靠性带来问题。采用平面镜窗口的硅光电二极管虽然没有尖锐的对准问题，但易受杂散光干扰的影响。硅光电二极管的外型及灵敏度的方向性如图2.6 -2所示。
图2. 6一7硅光电二极管的外形和灵敏度的角度变化
（a）外形；（b）灵敏度的方向性
2.光谱响应特性和电流灵敏度
Si光电二极管具有一定的光谱响应范围。图2. 6一3给出了Si光电二极管的光谱响应曲线。常温下，Si材料的禁带宽度为1. 12 eV.峰值波长约为0.9 m，长波限约为1.1m。由于入射波长愈短，管芯表面的反射损失就愈大，从而使实际管芯吸收的能量愈少，因而就产生了短波限问题。 Si光电二极管的短波限约为0.4m。
Si光电二极管的电流灵敏度主要决定于量子效率。在峰值波长0.9m条件下，
>50%。电流灵敏度
3.光电变换的伏安特性分析
A/
。
图2. 6一3 Si光电二极管的光谱响应曲线
我们己经知道，光电二极管是一种以光导模式工作的光伏探测器，其等效电路己在图2.4一2中给出。因为光电二极管总是在反向偏压下工作，所以
。
和
都
是反向电流。为了符合人们通常的观察习惯，我们将图2.4一2 （b）中，的i和u方向倒转，就可以在第一象限位置表示第二象限（光导模式工作区）的伏安特性，如图2. 6一2（a）所示。其中，弯曲点
所对应的电压值称为曲膝电压。为了分析方便，经线性化处理后的
为各斜线与水平轴夹
特性曲线如图2. 6一2（b）所示。其中，Q为直流工作点，g、和
角的正切，意义是：是光电二极管的内电导，其值等于管子内阻的倒数；是光电二极管的饱和电导，显然，如果光电二极管的内电导超过值，则表明光电二极管己进入饱和导通的工作状态；
为负载电导，其值等于负载电阻值的倒数。
图2. 6一4 光电二极管的伏安特性和线性化处理
（a）伏安特性；（b）线性化处理
4.频率响应特性
硅光电二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种，因此特别适宜于快速变化的光信号探测。
光电二极管的频率响应主要由二个因素决定：①光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；②光生载流子在耗尽层内的漂移时间；③与负载电阻数。
1）扩散时间
并联的结电容所决定的电路时间常
由半导体物理可知，扩散是个慢过程，扩散时间
式中d是扩散进行的距离，
是少数载流子的扩散系数。
，式（2. 6
如果以P型Si为例。电子扩散进行距离为5m，扩散系数为3. 4 X一25）给出的
= 3. 7 X
s。作为高速响应来说，这是一个很可观的时间。因此在制
造工艺上应尽量减小这个时间。一般把光敏面做得很薄。由于硅材料对光波的吸收与波长有明显关系，所以不同光波长产生的光生载流子的扩散时间变得与波长有关。在光谱响应范围内，长波长的吸收系数小，入射光可透过PN结而到达体内N区较深部位，它激发的光生载流子要扩散到PN结后才能形成光电流。这一扩散时间限制了对长波长光的频率响应。波长较短的光生载流子大部分产生在PN结内，没有体内扩散问题，因而频率响应要好得多。对Si光电二极管来说，由波长不同引起的响应时间可相差响应，出现了PIN硅光二极管。这将在后面讨论。 2）耗尽层中的漂移时间
分别表示P区和N区内耗尽层倍。为了改善长波长的频率
为了估计漂移时间的量级，参看图2. 6一7，图中和宽度，耗尽层的总宽度
式中，为材料介电常数，
和
分别为材料中受主和施主的杂质浓度，u为端电压，这里
假定端电压u比零偏内结电压高得多，而且是突变结。
图2.6一7 耗尽层的电场分布
为了充分吸收入射光辐射，总是希望W比较宽些，一般都要求
式中
是波长的吸收系数。在W内由于高电场存在，载流子的漂移速度趋于饱和。实际情
来估计，于是
况都满足这个条件。我们可以把载流子的漂移速度用一个固定的饱和速度
对硅光电二极管，耗尽层中电场取2000 V/m，载流子饱和速度取
s。
3）结电容效应
m/s，取W=5m，则
由于结区储存电荷的变化，光电二极管对外电路显示出一个与电压结有关的结电容。对突变结：
式中，A是结而积，其它参量的意义与式（2. 6一27）和（2. 6一28）中的说明相同。如果假定|u|
（u本身为负值），且对
N结构，
，则式（2. 6 - 31）可以简化为
（2 .6一32）
式中，若A=1
。 ，=11.7，
=
10 V，则
30 pF。对实际使用来说，要想得
到小的电容，应尽可能地选取较高的反偏压。
考虑到光电二极管的电容效应，它的高频等效电路如图2. 6一8所示。其中图（a）是比较完全的等效电路，
是光电二极管的内阻，亦称暗电阻。由于反偏压工作，所以等效
为一个高内阻的电流源。是体电阻和电极接触电阻，一般很小。考虑到这两个因素之后，
工程计算的简化等效电路如图（b）所示。
如果入射光功率P = 一8（b），有
sin
相应的光电流的交变分量
sin
，则由图2. 6
图2.6一8光电二极管的岛频等效电路
（a）完全等效电路；（b）简化等效电路
式中负号是由于电流和电压的正方向相反所引起的。负载电阻
上的瞬时电压
电压有效值为
可见，u随频率升高而下降。当u下降到止频率。于是
称为称为高频率截
通常又定义电路时间常数
所以