半導體光電探測器的原理及其應用

1、半導體光電探測器摘要：本文介紹了光電與系統(tǒng)的組成、一些半導體光電探測器的工作原理及其特性，最后闡述了光電導探測器與光伏探測器的區(qū)別。關鍵詞：半導體光電探測器，光電系統(tǒng)，光電導探測器，光伏探測器引言光電探測器是一種受光器件，具有光電變換功能。光敏器件的種類繁多，有光敏電阻、光電二極管、光電三極管、光晶閘管、集成光敏器件等；有雪崩型的及非雪崩型的；有PN結型、PIN結型及異質結型的等。由于光電探測器的響應速度快，體積小，暗電流小,使之在光纖通訊系統(tǒng)、光纖測試系統(tǒng)、光纖傳感器、光隔離器、彩電光纖傳輸、電視圖象傳輸、快速光源的 光探測器、微弱光信號的探測、激光測距儀的接收器件、高壓電路中的光電測量及光

2、電互感 器、計算機數據傳輸、光電自動控制及光測量等方面得到了廣泛應用。半導體光電探測器是用半導體材料制作的能接收和探測光輻射的器件。光照射到器件的光敏區(qū)時，它就能將光信號轉變成電信號， 是一種光電轉換功能的測光元件。 它在國防和工 農業(yè)生產中有著重要和廣泛的應用。半導體光電探測器可分為光電導型和光伏型兩種。光電導型是指各種半導體光電導管， 即光敏電阻；光伏型包括光電池、P-N結光電二極管、PIN光電二級管、雪崩光電二極管、光電三級管等。本文首先介紹了光電系統(tǒng)的組成，然后分別介紹其工作原理及其特性，最后將這兩類探測器進行比較。一、光電子系統(tǒng)的組成現(xiàn)代光電子系統(tǒng)非常復雜，但它的基本組成可用圖I來說

3、明：待傳送信號經過編碼器編碼后加到調制器上去調制光源發(fā)出的光，被調制后的光由發(fā)射光學系統(tǒng)發(fā)送出去發(fā)射光學系統(tǒng)又稱為發(fā)射天線， 因為光波是一種電磁波， 發(fā)射光學系統(tǒng)所起的作用和無線電發(fā)射天線 所起的作用完全相同發(fā)送出去的光信號經過傳輸介質，如大氣等，到達接收端由接收光學系統(tǒng)或接收天線將光聚焦到光電探測器上，光電過長距離傳輸后會衰減，使接收到的信號一般很弱，因此需要用前置放大器將其放大，然后進行解碼，還原成發(fā)送端原始的待傳送信號，最后由終端顯示器顯示出來 圖1-1光電子系統(tǒng)圖二、半導體探測器的原理1、光電導探測器光電導探測器主要是通過電陰值的變化來檢測，以下我將以光敏電阻為例介紹其工作原理。光敏電

4、阻又稱光導管，它沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無光照時 , 光敏電阻值（暗電阻）很大 , 電路中電流（暗電流）很小。 當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時 , 它的阻值（亮電阻）急劇減少 , 電路中電流迅速增 大。 一般希望暗電阻越大越好 , 亮電阻越小越好 ,此時光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級 , 亮電阻在幾千歐以下。 它的工作原理圖如 2-1 圖當沒有光照時， Rd=10 斷路當有光照時， Rd= 導通2、光伏探測器光伏探測器基于光照產生電勢差，用測電勢差的原理。它分為光電池與光電二極管兩 種類型， 光電池主要是把光能轉換為電能

5、的器件， 目前有硒光電池、 硅光電池、 砷化鎵及鍺 光電池等， 但目前運用最廣的是硅光電池。 光電二級管分為 P-N 結光電二極管、 PIN 光電二 級管、雪崩光電二極管、光電三級管等。以下我將分別介紹其工作原理及其特性。1） P-N 結光電二級管2） PIN 光電二級管PIN 光電二極管又稱快速光電二極管， 與一般的光電二極管相比， 它具有不的時間常量， 并使光譜響應范轉向長波方向移動，其峰值波長可移至 1.041.06um 而與 YAG 激光器的發(fā) 射波長相對應。它具有靈敏度高的優(yōu)點，所以通常用于弱光檢測（線性） 。它的結構圖如 2-3 所示，它是由 P 型半導體和 N 型半導體之間夾了一

6、層本征半導體構 成的。因為本征半導體近似于介質，這就相當于增大了 P-N 結結電容兩個電極之間的距離， 使結電容變得很小。 其次，P型半導體和N型半導體中耗盡層的寬度是隨反向電壓增加而加 寬的，隨著反偏壓的增大，結電容也要變得很小。由于I層的存在，而P區(qū)一般做得很薄，入射光子只能在 I 層內被吸收，而反向偏壓主要集中在 I 區(qū)，形成高電場區(qū)， I 區(qū)的光生載 流子在強電場作用下加速運動， 所以載流子渡越時間常量 （）減小， 從而改善了光電二極管 的頻率響應。同時 I 層的引入加大了耗盡區(qū)，展寬了光電轉換的有效工作區(qū)域，從而使靈敏 度得以提高。3）雪崩光電二級管雪崩光電二級管（APD ）是得用光

7、生載流子在高電場區(qū)內的雪崩效應而獲得光電流增益， 具有靈敏度高、響應快等優(yōu)點，通常用于激光測距、激光雷達、弱光檢測（非線性）。APD 雪崩倍增的過程是：當光電二極管的 p-n 結加相當大的反向偏壓時，在耗盡層內 將產生一個很高的電場， 它足以使在強電場區(qū)漂移的光生載流子獲得充分的動能，通過與晶格原子碰撞將產生新的電子 -空穴對。新的電子 -空穴對在強電場作用下，分別向相反的方向 運動，在運動過程中又可能與原子碰撞再一次產生新的電子-空穴對。如此反復，形成雪崩式的載流子倍增加。這個過程就是 APD 的工作基礎。APD 一般在略低于反向南穿電壓值的反偏壓下工作。 在無光照時， p-n 結不會發(fā)生雪

8、崩 倍增效應。但結區(qū)一旦有光照射， 激發(fā)出的光生載流子就被臨界強電場加速而導致雪崩倍增。 若反向偏壓大于反向擊穿電壓時， 光電流的增益可達 （十的六次方） 即發(fā)生“自持雪崩倍增” 由于這時出現(xiàn)的散粒噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以致使器件無法使用。4）光電三級管光電三級管與光電二極管比較， 光電三級管輸出電流較大， 一般在毫安級， 但光照特性 較差，多用于要求輸出電流較大的場合。 光電三極管有pnp和npn型兩種結構，常用材料有 硅和鍺。例如用硅材料制作的 npn 型結有 3DU 型， pnp 型有 3CU 型。采用硅 npn 型光電三 極管，其暗電流比鍺光電三極管小，且受溫度變化影響小，所以

9、得到位廣泛應用。下面以3DU 型光電三極管為例說明它的結構、工作原理與主要特性。3DU型光電三極管是以 p型硅為基極的三極管，如圖2-4 (a)所示。由圖可知，3DU管的結構和普通晶體管類似， 只是在材料的摻雜情況、 結面積的大小和基極引線的設置上和 普通晶體管不同。因為光電三極管要響應光輻射，受光面即集電結(bc 結)面積比一般晶體管大。 另外， 它是利用光控制集電極電流的， 所以在基極上既可設置引線進行電控制， 也 可以不設，完全同光一控制。它的工作原理是工作時各電極所加的電壓與普通晶體管相同， 即要保證集電結反偏置， 發(fā)射正偏聽偏置。 由于集電結是反偏壓， 在結區(qū)有很強的內建電場， 對 3DU 管來講，內建電場方向是由 c 到 b 的。和光電二極管工作原理相同，如果有光照到 集電結上，激發(fā)電子 -空穴對，接著這些載流子被內建電場分離，電子流向集電極，空穴流 向基極，相當于外界向基極注入一個控制電流lb=lp。因為發(fā)射擊隊結是正偏置的，空穴則留在基區(qū)，使基極電位升高，發(fā)射極便有大量電子經基極流向集電極，總的集電極電流為 lc=lp+ 3 lp=(1+ 3 )lp，式中B為電流增益系數。由此可見，光電三極管的集電結是光電變換 部分。 同時集電極、 基極、 發(fā)射極構成一個有放大作用的晶體