第3章結(jié)型光電器件--自己做的

1、第3章 結(jié)型光電器件 概述：半導體結(jié)型光電器件是利用光生伏特效應來工作的光電探測器件。 結(jié)型光電器件包括光電池、光電二極管、光電晶體管、PIN光電二極管 、雪崩光電二極管、光可控硅、象限式光電器件、位置敏感探測器（PSD） 、光電耦合器件等。按結(jié)的種類不同，可分為PN結(jié)型，PIN結(jié)型和肖特基結(jié) 型等。 3.1 3.1 結(jié)型光電器件工作原理結(jié)型光電器件工作原理 3.1.1.3.1.1.熱平衡狀態(tài)下的熱平衡狀態(tài)下的P-NP-N結(jié)結(jié) 在熱平衡條件下，PN結(jié)中凈電流為零。如果有外加電壓時結(jié)內(nèi)平衡被破 壞，這時流過PN結(jié)的電流方程為 0 / 0 IeII kTqV D 3.1.2.3.1.2.光照下的光

2、照下的p-n p-n 結(jié)結(jié) 1.PN結(jié)光伏效應 PN結(jié)受光照射時，就會在結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對。受內(nèi)建電場的作用漂 移少數(shù)載流子，最后在結(jié)區(qū)兩邊產(chǎn)生一個與內(nèi)建電場方向相反的光生電動勢 ，形成光生伏特效應。 兩種工作模式:光伏工作模式（無偏置）和光電導工作模式（反偏置狀 態(tài)）。 2.光照下PN結(jié)的電流方程 ) 1 / ( 0 kTqV eI p I D I p I L I 當負載電阻RL斷開(IL0)時，p端對n端的電壓稱為開路電壓，用Voc表 示。 ESI Ep ) 1( / 0 kTqV EL eIESI ) 0 1ln( I p I q kT oc V )ln()ln( 00 I ES q

3、kT I I q kT V E p oc IpI0 當負載電阻短路(即RL=0)時，光生電壓接近于零，流過器件的電流 叫短路電流，用Isc表示。SE為光電靈敏系數(shù)。 ESII Epsc 圖3-1 光照PN節(jié)工作原原理圖 圖3-2 等效電路圖 圖3-3為光照PN節(jié)連接負載后的伏安特性曲線。其中，第一象象限為二極管 無光照時正向?qū)üぷ鲿r的伏安特性曲線。第三象限為二極管在光照條件下反向 偏置工作時的伏安特性曲線，第四象限為二極管在光照條件下利用光生伏特效應 工作時的伏安特性曲線。 圖3-3 光照PN節(jié)連接負載后的伏安特性曲線 3.2 3.2 硅光電池硅光電池 光電池的主要功能是在不加偏置的情況下能

4、將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。 按用途光電池可分為太陽能光電池和測量光電池 光電池是一個PN結(jié)，根據(jù)制作PN結(jié)材料的不同分成四種。硅光電池按 結(jié)構示意圖如圖3-4，符號如圖3-5，電極結(jié)構如圖3-6。 工作原理如圖3-7。硅光電池的電流方程： 圖3-4 光電池結(jié)構示意圖 圖3-5 光電池符號圖3-6 光電池電極結(jié)構 圖3-7 硅光電池工作原原理圖 ) 1 / ( 0 kTqV eI p I D I p I L I 3.2.2.3.2.2.硅光電池的特性參數(shù)硅光電池的特性參數(shù) 1.光照特性 光照特性主要有伏安特性、照度-電流電壓特性和照度-負載特性。 硅光電池的伏安特性，表示輸出電流和電壓隨負載電阻變化

5、的曲線。 ) 1() 1( / 0 / 0 kTqV E kTqV pDpL eIESeIIIII D kTqV L IeII) 1( / 0 圖3-8 硅光電池伏安特性曲線 圖3-8為硅光電池伏安特性曲線。由公式可得，硅光電池的電流 的電流方程式。令E=0可得沒有光照情況下硅光電池的電流。 當IL0時，RL=(開路)時，光電池的開路電壓，以Voc表示。當Ip遠 大于Io時可近似計算 )1ln( 0 I I q kT V p oc )/ln()/( 0 IIqkTV poc ESII Epsc 式中，SE表示光電池的光電靈敏度，E 表示入射光照度?？芍怆姵?短路電流與入射光照度成正比，如圖3

6、-9。開路時與入射光照度的對數(shù)成 正比。 圖3-9 硅光電池的Uoc、Isc與照度的關系 圖3-10 硅光電池光照-負載特性 2.光譜特性 硅光電池的光譜響應特性表示在入射光能量保持一定的條件下，光電池 所產(chǎn)生的短路電流與入射光波長之間的關系，一般用相對響應表示。 在線性測量中，不僅要求光電池有高的靈敏度和穩(wěn)定性，同時還要求與 人眼視見函數(shù)有相似的光譜響應特性。圖3-11是2CR型硅光電池的光譜曲線 。圖3-12為集中光電池的光譜響應曲線，類似于視覺函數(shù)。 3.頻率特性 下圖是硅光電池的頻率特性曲線。由圖可 見，負載大時頻率特性變差，減小負載可減小 時間常數(shù)，提高頻響。但是負載電阻RL的減 小

7、會使輸出電壓降低，實際使用時視具體要求 而定。 圖3-11 硅光電池光譜響應曲線 圖3-12 硅光電池的光譜響應曲線 圖3-13 硅光電池的頻率響應曲線 4溫度特性 光電池的溫度特性曲線主要指光照射時它的開路電壓Voc與短路電 流Isc隨溫度變化的情況。光電池的溫度曲線如圖3-14所示。 它的開路電壓Voc隨著溫度的升高而減小，其值約為23mVoC； 短路電流Isc隨著溫度的升高而增大，但增大比例很小，約為10-510- 3mA/oC數(shù)量級。 圖3-14 硅光光電池的溫度曲線 3.3 硅光電二極管和硅光電三極管 光電二極管是基于PN結(jié)的光電效應工作的，它主要用于可見光及紅外 光譜區(qū)。光電二極管

8、通常在反偏置條件下工作，也可用在零偏置狀態(tài)。 制作光電二極管的材料有硅、鍺、砷化鎵、碲化鉛等，目前在可見光 區(qū)應用最多的是硅光電二極管。 3.3.1.3.3.1.硅光電二極管結(jié)構及工作原理硅光電二極管結(jié)構及工作原理 硅光電二極管的結(jié)構和工作原理與硅光電池相似，不同的地方是： 襯底材料的摻雜濃度低于光電池；硅光電二極管電阻率遠高于光電池 光電池在零偏置下工作，而硅光電二極管在反向偏置下工作；硅光電二 極管的光電流小得多，通常在微安級。 光電二極管同樣是利用光生伏特效應，利用反向偏置電壓促進少數(shù)載 流子的漂移，相當于兩個電源串接。 3.3.2.3.3.2.硅光電三極管硅光電三極管 硅光電三極管具有

9、電流放大作用，它的集電極電流受基極電路的電流 控制，也受光的控制。所以硅光電三極管的外型有光窗，管腳有三根引線 的也有二根引線的，管型分為PNP型和NPN型兩種，NPN型稱3DU型硅光電三 極管，PNP型稱為3CU型硅光電三極管。 以3DU型為例說明硅光電三極管的結(jié)構和工作原理，見圖3-15中工作 時需要保證集電極反偏置，發(fā)射極正偏置。其內(nèi)電場方向有集電極到基極 在光激發(fā)下，光生少數(shù)載流子在電場作用下漂移向集電極。和三極管類似， 射極電流是基極電流（+1）倍。 3CU型硅光電三極管它的基底材料是p型硅，工作時集電極加負電壓， 發(fā)射極加正電壓。 為改善頻率響應，減少體積，提高增益，光電晶體管已經(jīng)

10、集成化。具 體如圖3-16和3-17。 圖3-15 3DU硅光三極管原理結(jié)構圖、符號圖3-16 光電二極管晶體管圖3-17 達林頓光電三極管 3.3.3.3.3.3.硅光電三極管與硅光電二極管特性比較硅光電三極管與硅光電二極管特性比較 1.光照特性 光照特性是指硅光電二極管和硅光電三極管的光電流與照度之間的關 系曲線，圖3-18是硅光電二極管和硅光電三極管的光照特性曲線。 可見，硅光電二極管的光照特性的線性較好。 而硅光電三極管的光電流在弱光照時有彎曲，強光照時又趨向于飽和 ，只有在中間一段光照范圍內(nèi)線性較好，這是由于硅光電三極管的電流放 大倍數(shù)在小電流或大電流時都要下降而造成的。 圖3-18

11、 硅光電管的伏安特性曲線 2.伏安特性 伏安特性表示為當入射光的照度(或光通量)一定時，光電二極管（圖 3-19）和光電三極管（圖3-20）輸出的光電流與所加偏壓的關系。由于光 電三極管能放大電流，故其光電流屬于毫安級，無偏置電壓時電流屬于微 安級可忽略不計。由于硅光三極管的放大倍數(shù)不穩(wěn)定，故線性不好。 圖3-19 硅光二極管伏安特性與照度關系 圖3-20 硅光三極管伏安特性與照度關系 3溫度特性 硅光電二極管和硅光電三極管的光電流和暗電流均隨溫 度而變化，但硅光電三極管因有電流放大作用，所以它的光電流和暗 電流受溫度影響比硅光電二極管大得多，見圖3-21和圖3-22。由于暗 電流的增加，使輸

12、出信噪比變差，必要時要采取恒溫或補償措施。 圖3-21 硅光二極管溫度特性 圖3-22 硅光三極管溫度特性 4.頻率響應特性 硅光電二極管的頻率特性主要決定于光生載流子的渡越時間。在實際 使用時，應根據(jù)頻率響應要求選擇最佳的負載電阻。 圖3-23為用脈沖光源測出的2CU型硅光電二極管的響應時間與負載RL的 關系曲線，從圖中可以看出當負載超過104以后，響應時間增加得更快 。 硅光三極管的頻率響應曲線見圖3-24。U ec=5V，T=25?？梢?，其 受集電極電流和負載的影響。 圖3-23 硅光二極管響應時間負載曲線 圖3-24 硅光三極管頻率響應特征 3.4 3.4 結(jié)型光電器件的放大電路結(jié)型光

13、電器件的放大電路 結(jié)型光電器件一般用三極管或集成運算放大器對輸出信號進行放大和 轉(zhuǎn)換。 3.4.1.3.4.1.結(jié)型光電器件與放大三極管的連接結(jié)型光電器件與放大三極管的連接 由于硅三極管和鍺三極管導通時射極-基極電壓大小不同，所以才有 以上三種不同的變換電路，見圖3-25。 圖中(a)所示電路是用鍺三極管放大光電流； 圖(b)、(c)所示電路是用硅三極管放大光電流。 要注意的是，上面所示的三種電路都是以晶體三極管基極-射極間的 正向電阻作為硅光電池的負載，因此硅光電池幾乎是工作在短路狀態(tài)，從 而獲得線性工作特性。 圖3-25 緩變光信號的基本變換電路 3.4.2.3.4.2.結(jié)型光電器件與運算

14、放大器的連接結(jié)型光電器件與運算放大器的連接 集成運算放大器因結(jié)構簡單、使用方便而廣泛應用于光電變換器件之中。 根據(jù)放大電路的四種基本形式，一般光電二極管與運算放大電路的連接方式 有下圖所示三種方式，見圖3-26。三種電路各有優(yōu)缺點，但都適用于光功率 很小的場合。 (1)電流放大型 圖(a)是電流放大型IC變換電路，硅光電二極管和運 算放大器的兩個輸入端同極性相連，運算放大器兩輸入端間的輸入阻抗Zin是 硅光電二極管的負載電阻； (2)電壓放大型 圖(b)是電壓放大型IC變換電路，硅光電二極管與負 載電阻RL并聯(lián)且硅光電二極管的正端接在運算放大器的正端； (3)阻抗變換型， 圖(c)是反向偏置的

15、硅光電二極管具有恒流源性質(zhì)而 和電池串聯(lián)在一體。 (a)(b)(c) 圖3-26 光電二極管與集成運放連接 3.5 3.5 特殊結(jié)型光電器件特殊結(jié)型光電器件 3.5.1.3.5.1.象限探測器象限探測器 象限探測器實質(zhì)是一個面積很大的結(jié)型光電器件，利用光刻技術，將 一個圓形或方形的光敏面窗口分隔成幾個有一定規(guī)律的的區(qū)域(但背面仍為 整片)，每一個區(qū)域相當于一個光電二極管。在理想情況下，每個光電二極 管應有完全相同的性能參數(shù)。但實際上它們的轉(zhuǎn)換效率往往不一致，使用 時必須精心挑選，見圖3-27。 典型的象限探測器有四象限光電二極管和四象限硅光電池等，也有 二象限的硅光電池和光電二極管等，一般用于

16、準直、定位以及跟蹤等。 象限探測器有以下幾個缺點： 表面分割，而產(chǎn)生死區(qū)，光斑越小死區(qū)的影響越明顯； 若光斑全部落入一個象限時，輸出的電信號將無法區(qū)別光斑的準 確位置； 測量精度易受光強變化的影響，分辨率不高。 圖3-27 各種象限探測器示意圖 3.5.2. PIN3.5.2. PIN型光電二極管型光電二極管 1.普通PIN型光電二極管 一般PIN型光電二極管又稱快速光電二極管，它的結(jié)構分三層，即在P 型半導體和N型半導體之間夾著較厚的本征半導體i層，如圖3-28。 PIN光電二極管因有較厚的I層，因此具有以下四點優(yōu)點: a.使PN結(jié)的結(jié)間距離拉大，結(jié)電容變小，頻率響應好； b.由于內(nèi)建電場基

17、本上全集中于I層中，使耗盡層厚度增加，增大了對 光的吸收和光電變換區(qū)域，量子效率提高了。 c.增加了對長波的吸收，提高了長波靈敏度，其響應波長范圍可以從 0.41.1m。 d.可承受較高的反向偏壓，使線性輸出范圍變寬。 圖3-28 PIN光電二極光結(jié)構示意圖 2.2.特殊結(jié)構的特殊結(jié)構的PINPIN型光電二極管型光電二極管-光電位置傳感器光電位置傳感器(PSD)(PSD) 光電位置傳感器是一種對入射到光敏面上的光點位置敏感的PIN型光電 二極管，面積較大，其輸出信號與光點在光敏面上的位置有關。一般稱為 PSD。 a.PSD的工作原理和位置表達式 PSD包含有三層，上面為p層，下面為n層， 中間

18、為i 層，它們?nèi)恢谱髟谕还杵?，?圖3-29。p層既是光敏層，還是一個均勻的電阻 層。由于光點與 兩電極距離不同，故電極1和電 極2輸出電流不同。得如下關系： L II II x L xL II L xL II A A A 12 12 02 01 2 2 圖3-29 PSD斷面結(jié)構結(jié)構示意圖 b光電位置傳感器光電位置傳感器(PSD)(PSD)的分類；的分類； 一般PSD分為兩類：一維PSD和二維PSD。一維PSD主要用來測量光點在一 維方向的位置，二維PSD用來測定光點在平面上的坐標(x,y)， （1）一維PS 多為細長矩形，見圖3-30。 （2）二維PSD 二維PSD的感光面是方形的,

19、按其電極位置 可分為三種形式，見圖3-31、3-32和3-33。 圖3-30 一維PSD 圖3-31 改進表面分離型圖3-32 兩面分離型圖3-33 表面分離型 cPSD轉(zhuǎn)換放大電路 圖3-35 二維PSD轉(zhuǎn)換電路原理圖 圖3-34 一維PSD轉(zhuǎn)換電路原理圖 d 光電位置傳感器的特征和用途 光電位置傳感器有以下特點：對光斑的形狀無嚴格要求，只與光 的能量重心有關；光敏面無死區(qū)，可連續(xù)測量光斑位置，分辨率高， 一維PSD可達0.2m；可同時檢測位置和光強；PSD器件輸出總電流與 入射光強有關，所以從總光電流可求得相應的入射光強。 光電位置傳感器被廣泛地應用于激光束的監(jiān)控(對準、位移和振動) 、平

20、面度檢測、一維長度檢測、二維位置檢測系統(tǒng)等。 e.使用PSD時的注意事項： (1)注意與光源的光譜匹配 (2)注意所加電壓不宜太大也不能太小，以免影響PSD的響應頻率。 (3)注意使用PSD時的環(huán)境溫度 (4)注意位置測量誤差范圍 3.5.3.3.5.3.雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD)(APD) 雪崩光電二極管是借助強電場產(chǎn)生載流子倍增效應(即雪崩倍增效應)的一 種高速光電二極管。 雪崩倍增效應：當在光電二極管上加一相當高的反向偏壓（100-200V）時 ，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個很強的電場。結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光生載流子受強電場的加速將獲得 很大的能量，在與原子碰撞時可使原子電離，新產(chǎn)生的電子-空穴對在

21、向電極 運動過程中又獲得足夠能量，再次與原子碰撞，又產(chǎn)生新的電子-空穴對。這 一過程不斷重復，使PN結(jié)內(nèi)電流急劇增加。 為了實現(xiàn)均勻倍增，襯底材料的摻雜濃度要均勻，缺陷要少；同時在結(jié)構 上采用保護環(huán)。保護環(huán)的作用是增加高阻區(qū)寬度，減小表面漏電流，避免邊緣 過早擊穿。這種APD有時也稱為保護環(huán)雪崩光電二極管，記作GAPD。 3.5.4.3.5.4.紫外光電二極管紫外光電二極管 紫外光是頻率很高的電磁波。研究和分析認為，制造時采用淺PN結(jié)和肖 特基結(jié)的結(jié)構，可以增強對藍、紫波長光的吸收和響應率。 1.藍、紫增強型硅光電二極管 已經(jīng)研制的藍、紫光增強型硅光電二極管，具有PN結(jié)淺、電子擴散長度 大和表

22、面復合速率小等三方面的優(yōu)點。 2.肖特基結(jié)光電二極管 肖特基勢壘是由金屬與半導體接觸形成的。所以可以把肖特基勢壘光電 二極管看作是一個結(jié)深為零，表面覆蓋著薄而透明金屬膜的PN結(jié)。結(jié)深為零 ，因此能吸收入射光中相當一部份藍、紫光和幾乎所有的紫外線，吸收后所 激發(fā)的光生載流子在復合之前就會被強電場掃出，這就提高了光生載流子的 產(chǎn)生效率和收集效率，改善了器件的短波響應率。 一般利用金或鋁分別與Si、Ge、GaAs、GaAsP、GaP等半導體材料接觸， 制得各種肖特基結(jié)光電二極管。 3.5.5.3.5.5.半導體色敏器件半導體色敏器件 半導體色敏器件是根據(jù)人眼視覺的三色原理，利用不同結(jié)深的光電二極 管對各種波長的光譜響應率不同的現(xiàn)象制成的。 1半導體色敏器件的工作原理 下圖半導體色敏器件的結(jié)構示意圖（圖3-36）和等效電路（圖3-37）。 從圖可見，它由在同一塊硅片上制造兩個深淺不同的PN結(jié)構成，其中PD2為深 結(jié)，它對長波長的光響應率高；PD1為淺結(jié)，它對波長短的光響應率高。又稱 為雙結(jié)光電二極管。 其結(jié)構相當于兩個光電二級管反響串聯(lián)。 圖3-38雙結(jié)光電二極管的光譜響應特性。 圖3-42集成全色敏器件，可以識別混色光。 圖3-38 半導體色敏