第三章探測(cè)器

1、3.3 光探測(cè)器性能參數(shù)n光電特性和光照特性光電特性和光照特性v光電特性光電特性當(dāng)光電器件上的電壓一定時(shí)，當(dāng)光電器件上的電壓一定時(shí)，光電光電流流與入射在光電器件上的與入射在光電器件上的光通量光通量之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。v光照特性光照特性光電流光電流與入射在光電器件上的與入射在光電器件上的光照光照度度之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。v線性度線性度探測(cè)器的輸出光電流探測(cè)器的輸出光電流與輸入光的輻射通量成比例的程與輸入光的輻射通量成比例的程度和范圍。度和范圍。線性區(qū)的下限由暗電線性區(qū)的下限由暗電流和噪聲等因素決定，而上限通流和噪聲等因素決定，而上限通常由飽和效應(yīng)可過(guò)載決定。常由飽和效應(yīng)可過(guò)載決定。（2）光

2、譜特性）光譜特性v光譜響應(yīng)度：光譜響應(yīng)度：就是指不同波長(zhǎng)處的響應(yīng)能力，又就是指不同波長(zhǎng)處的響應(yīng)能力，又稱(chēng)為光譜靈敏度。稱(chēng)為光譜靈敏度。v如果探測(cè)器對(duì)波長(zhǎng)為如果探測(cè)器對(duì)波長(zhǎng)為的光輻射通量的光輻射通量 產(chǎn)生的輸出產(chǎn)生的輸出電流為電流為Ip，則其光譜響應(yīng)度為：，則其光譜響應(yīng)度為：( )( )( )pVeVS( )( )( )pIeIS類(lèi)似有：v光電流或輸出電壓光電流或輸出電壓與入射與入射光波長(zhǎng)光波長(zhǎng)之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 積分靈敏度積分靈敏度v指的是在一定條件下，單位光（輻射）量所產(chǎn)生指的是在一定條件下，單位光（輻射）量所產(chǎn)生的光電流（電壓）大小。的光電流（電壓）大小。 v由于各種器件使用的范圍及

3、條件不一致，因此靈由于各種器件使用的范圍及條件不一致，因此靈敏度有各種不同的表示法。敏度有各種不同的表示法。A/lm or A/W or V/W。pVVSPpIISPv光譜靈敏度與積分響應(yīng)度的關(guān)系：光譜靈敏度與積分響應(yīng)度的關(guān)系：( )SSd光譜響應(yīng)特性曲線光譜響應(yīng)特性曲線v光譜響應(yīng)曲線：光譜響應(yīng)曲線： 或或 v相對(duì)光譜響應(yīng)曲線：最大值歸一化為相對(duì)光譜響應(yīng)曲線：最大值歸一化為1；v峰值波長(zhǎng)：響應(yīng)率最大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)；峰值波長(zhǎng)：響應(yīng)率最大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)；v截止波長(zhǎng)：響應(yīng)率下降到最大值的一半所對(duì)截止波長(zhǎng)：響應(yīng)率下降到最大值的一半所對(duì) 應(yīng)的波長(zhǎng)；它表示探測(cè)器適用的波長(zhǎng)應(yīng)的波長(zhǎng)；它表示探測(cè)器適用的波長(zhǎng)

4、范圍。范圍。( )VS)(IS(3)(3) 等效噪聲功率和探測(cè)率等效噪聲功率和探測(cè)率 探測(cè)器無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，也會(huì)有噪聲輸出。若假探測(cè)器無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，也會(huì)有噪聲輸出。若假設(shè)此有效噪聲值是相當(dāng)功率的輸入信號(hào)造成的，則設(shè)此有效噪聲值是相當(dāng)功率的輸入信號(hào)造成的，則此功率值可作為探測(cè)器的噪聲水平的衡量。此功率值可作為探測(cè)器的噪聲水平的衡量。NNIpIINEPSIP 是可測(cè)的信號(hào)功率最小值；是可測(cè)的信號(hào)功率最小值； 是單位信噪比的入射光功率；是單位信噪比的入射光功率； NEP越小，探測(cè)器越靈敏。越小，探測(cè)器越靈敏。NNVpIINEPSVPv用用NEP的倒數(shù)作為衡量探測(cè)器最小可探測(cè)能力的參的倒數(shù)作為衡量探測(cè)器

5、最小可探測(cè)能力的參數(shù)，是單位入射功率相應(yīng)的信噪比，并稱(chēng)之為數(shù)，是單位入射功率相應(yīng)的信噪比，并稱(chēng)之為探測(cè)探測(cè)度度，用，用D來(lái)表示：來(lái)表示： 為了便于對(duì)不同面積和不同工作帶寬的器件進(jìn)行比為了便于對(duì)不同面積和不同工作帶寬的器件進(jìn)行比較，因此引入較，因此引入歸一化探測(cè)率歸一化探測(cè)率D* （比探測(cè)率），（比探測(cè)率），其其值為值為 式中：式中：A A為器件接收面積，為器件接收面積，ff為工作帶寬。為工作帶寬。 D越高，探測(cè)器的靈敏度越高，性能越好。越高，探測(cè)器的靈敏度越高，性能越好。NEPD1fADD（4 4）響應(yīng)時(shí)間）響應(yīng)時(shí)間v探測(cè)器對(duì)變化信號(hào)響應(yīng)探測(cè)器對(duì)變化信號(hào)響應(yīng)快慢快慢的能力。的能力。v當(dāng)光輻射突

6、然當(dāng)光輻射突然照射照射或或消失消失時(shí)，探測(cè)器的輸出信號(hào)時(shí)，探測(cè)器的輸出信號(hào)不會(huì)立即到達(dá)不會(huì)立即到達(dá)最大值最大值或下降為或下降為零零，而是出現(xiàn)變化，而是出現(xiàn)變化緩慢的緩慢的上升上升沿和沿和下降下降沿。上升或下降的時(shí)間就是沿。上升或下降的時(shí)間就是弛豫時(shí)間，或稱(chēng)為響應(yīng)時(shí)間或時(shí)間常數(shù)（惰性）。弛豫時(shí)間，或稱(chēng)為響應(yīng)時(shí)間或時(shí)間常數(shù)（惰性）。這種弛豫現(xiàn)象表現(xiàn)了光電探測(cè)器對(duì)光強(qiáng)變化反應(yīng)這種弛豫現(xiàn)象表現(xiàn)了光電探測(cè)器對(duì)光強(qiáng)變化反應(yīng)的快慢。的快慢。v對(duì)周期變化的光強(qiáng)，光電器件的弛豫時(shí)間對(duì)周期變化的光強(qiáng)，光電器件的弛豫時(shí)間如果比周期長(zhǎng)得多，那么就不能反映光強(qiáng)如果比周期長(zhǎng)得多，那么就不能反映光強(qiáng)的變化。的變化。v實(shí)際器

7、件實(shí)際器件的響應(yīng)的響應(yīng)都具有滯后現(xiàn)象（惰性）都具有滯后現(xiàn)象（惰性）。v起始弛豫（上升時(shí)間）定義為響應(yīng)值上升至穩(wěn)定值起始弛豫（上升時(shí)間）定義為響應(yīng)值上升至穩(wěn)定值時(shí)所需的時(shí)間時(shí)所需的時(shí)間 ，此值約為，此值約為63%；v衰減弛豫（下降時(shí)間）定義為響應(yīng)值下降至穩(wěn)定值衰減弛豫（下降時(shí)間）定義為響應(yīng)值下降至穩(wěn)定值的的 時(shí)所需的時(shí)間，此值約為時(shí)所需的時(shí)間，此值約為37%。v這些上升或下降的時(shí)間就表示了器件惰性的大小。這些上升或下降的時(shí)間就表示了器件惰性的大小。e11 e1cf210.370.631上升時(shí)間下降時(shí)間（5）探測(cè)器的探測(cè)能力）探測(cè)器的探測(cè)能力v噪聲噪聲 N：除探測(cè)信號(hào)之除探測(cè)信號(hào)之外的測(cè)量值外的測(cè)

8、量值。v信噪比：信噪比：v為了提高信噪比，可增為了提高信噪比，可增大信號(hào)值或減小噪聲大大信號(hào)值或減小噪聲大小。小。)(tunt0NSSNR 顯然，無(wú)法用預(yù)先確知的時(shí)間函顯然，無(wú)法用預(yù)先確知的時(shí)間函數(shù)來(lái)描述它。數(shù)來(lái)描述它。長(zhǎng)時(shí)間看，噪聲電壓從零向上漲長(zhǎng)時(shí)間看，噪聲電壓從零向上漲和向下落的機(jī)會(huì)是相等的，其時(shí)和向下落的機(jī)會(huì)是相等的，其時(shí)間平均值一定零。所以用時(shí)間平間平均值一定零。所以用時(shí)間平均值無(wú)法描述噪聲大小。均值無(wú)法描述噪聲大小。然而，噪聲本身是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，然而，噪聲本身是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，所以能用統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)描述。所以能用統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)描述。按噪聲產(chǎn)生的原因，可分為以下幾類(lèi)：按噪聲產(chǎn)生的原因，可分為以

9、下幾類(lèi)： 1 1、外部原因外部原因( (干擾干擾) )：人為噪聲；人為噪聲； 自然噪聲。自然噪聲。 通過(guò)屏蔽、遮光、背景扣除等手段減少通過(guò)屏蔽、遮光、背景扣除等手段減少 2 2、內(nèi)部原因內(nèi)部原因( (噪聲噪聲) )：熱噪聲；熱噪聲；散粒噪聲；散粒噪聲； 暗電流噪聲；產(chǎn)生復(fù)合噪聲；暗電流噪聲；產(chǎn)生復(fù)合噪聲；1/f噪噪 聲；溫度噪聲；量子（輻射）噪聲；放聲；溫度噪聲；量子（輻射）噪聲；放 大器噪聲。大器噪聲。幾種常見(jiàn)噪聲的產(chǎn)生原因及其表示方法幾種常見(jiàn)噪聲的產(chǎn)生原因及其表示方法熱噪聲熱噪聲：熱噪聲是由導(dǎo)體或半導(dǎo)體中載流子隨：熱噪聲是由導(dǎo)體或半導(dǎo)體中載流子隨機(jī)熱激發(fā)的波動(dòng)而引起的無(wú)偏壓下的起伏電動(dòng)勢(shì)、

10、機(jī)熱激發(fā)的波動(dòng)而引起的無(wú)偏壓下的起伏電動(dòng)勢(shì)、或起伏電流?；蚱鸱娏?。 v 注意注意 ：熱噪聲雖然是溫度熱噪聲雖然是溫度T T的函數(shù)，但并不是溫的函數(shù)，但并不是溫 度變化引起的溫度噪聲。度變化引起的溫度噪聲。 屬于屬于“白噪聲白噪聲”。即：熱噪聲的大小與頻率的高。即：熱噪聲的大小與頻率的高低無(wú)關(guān)。低無(wú)關(guān)。v措施：降低溫度措施：降低溫度T；壓縮帶寬；壓縮帶寬fkTRun 42RfkTin42f2 2、散粒噪聲：由于、散粒噪聲：由于粒子的隨機(jī)性粒子的隨機(jī)性出現(xiàn)而構(gòu)成的噪聲。出現(xiàn)而構(gòu)成的噪聲。 隨機(jī)事件有：物體輻射的或接收的光子數(shù)；陰極隨機(jī)事件有：物體輻射的或接收的光子數(shù)；陰極發(fā)射的電子數(shù)；半導(dǎo)體中的

11、載流子數(shù)；光電倍增發(fā)射的電子數(shù)；半導(dǎo)體中的載流子數(shù)；光電倍增器的倍增系數(shù)等。器的倍增系數(shù)等。 散粒噪聲的大小取決于：散粒噪聲的大小取決于： 注意：注意： 屬于白噪聲。屬于白噪聲。 措施：減小背景光；壓縮帶寬措施：減小背景光；壓縮帶寬fqIin 22f3、暗電流噪聲暗電流噪聲 許多傳感器，即使沒(méi)有信號(hào)輸入，也有電流許多傳感器，即使沒(méi)有信號(hào)輸入，也有電流輸出。產(chǎn)生的機(jī)理隨器件不同而不同，如：場(chǎng)致輸出。產(chǎn)生的機(jī)理隨器件不同而不同，如：場(chǎng)致發(fā)射、熱激發(fā)載流子等。發(fā)射、熱激發(fā)載流子等。 屬于白噪聲。屬于白噪聲。 措施：降低溫度措施：降低溫度T；壓縮帶寬；壓縮帶寬fqIin 22f4、 1/f噪聲噪聲 1

12、/f噪聲又稱(chēng)為噪聲又稱(chēng)為閃爍閃爍或或低頻噪聲低頻噪聲。這種噪聲是由于。這種噪聲是由于光敏層的微粒光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質(zhì)不均勻或不必要的微量雜質(zhì)的存在，的存在，當(dāng)電流流過(guò)時(shí)在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的微當(dāng)電流流過(guò)時(shí)在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的微電爆脈沖。噪聲的電流與電壓均方值分別為電爆脈沖。噪聲的電流與電壓均方值分別為 ： 2 2； ： 0.8-1.5; 0.8-1.5; ：比例常數(shù)。：比例常數(shù)。 工作頻率越低，工作頻率越低，1/f 1/f 噪聲越大。噪聲越大。ffIKif2ffRIKuf2fK3.4 光伏效應(yīng)及其器件光伏效應(yīng)及其器件v光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)是光照使不均勻半導(dǎo)

13、體或均勻半導(dǎo)是光照使不均勻半導(dǎo)體或均勻半導(dǎo)體中產(chǎn)生光生電子體中產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，并在空間分開(kāi)而產(chǎn)生空穴對(duì)，并在空間分開(kāi)而產(chǎn)生電位差電位差的現(xiàn)象。即將光能轉(zhuǎn)化成電能。的現(xiàn)象。即將光能轉(zhuǎn)化成電能。v不均勻半導(dǎo)體：不均勻半導(dǎo)體：由于半導(dǎo)體對(duì)光的吸收，內(nèi)建電由于半導(dǎo)體對(duì)光的吸收，內(nèi)建電場(chǎng)使載流子定向運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電位差。（像場(chǎng)使載流子定向運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電位差。（像PN結(jié)、結(jié)、異質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)、肖特基結(jié)）肖特基結(jié)）v均勻半導(dǎo)體：均勻半導(dǎo)體：無(wú)內(nèi)建電場(chǎng)，半導(dǎo)體對(duì)光的吸收后，無(wú)內(nèi)建電場(chǎng)，半導(dǎo)體對(duì)光的吸收后，由于載流子的擴(kuò)散速度不同，導(dǎo)致電荷分開(kāi)，產(chǎn)由于載流子的擴(kuò)散速度不同，導(dǎo)致電荷分開(kāi)，產(chǎn)生的光生電勢(shì)。如丹倍效應(yīng)

14、和生的光生電勢(shì)。如丹倍效應(yīng)和光磁電效應(yīng)光磁電效應(yīng) 。3.4.1 光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)熱平衡下熱平衡下P-N結(jié)模型及能帶圖結(jié)模型及能帶圖耗盡區(qū)、阻擋層耗盡區(qū)、阻擋層空間電荷區(qū)、空間電荷區(qū)、擴(kuò)散擴(kuò)散內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)漂移漂移vP-N結(jié)的形成：（一）熱平衡狀態(tài)下的（一）熱平衡狀態(tài)下的PN結(jié)結(jié) PN結(jié)的電流方程：結(jié)的電流方程：(推導(dǎo)過(guò)程略) U0 ,第一項(xiàng)迅速增大，代表正向電流；第一項(xiàng)迅速增大，代表正向電流；U=0, 等于零，代表平衡狀態(tài)；等于零，代表平衡狀態(tài)；UI0時(shí)，時(shí)，00ln()ln()PIocIS EkTkTUqIqI0ln()lnIkTS EIq110ln()lnOCIkTUS EIq220ln

15、()lnOCIkTUS EIq2211lnOCOCEkTUUqE室溫時(shí)室溫時(shí) ，26kTmVq240031026 ln317.5300OCUmVl光電二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)光電二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)PN結(jié)結(jié),利用利用光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)制成。制成。二、光電二極管二、光電二極管v在無(wú)光照時(shí)，若給在無(wú)光照時(shí)，若給PN結(jié)加上一個(gè)適結(jié)加上一個(gè)適當(dāng)?shù)姆聪螂妷?，則反向電壓加強(qiáng)了當(dāng)?shù)姆聪螂妷?，則反向電壓加強(qiáng)了內(nèi)建電場(chǎng)，使內(nèi)建電場(chǎng)，使PN結(jié)空間電荷區(qū)拉寬，結(jié)空間電荷區(qū)拉寬，勢(shì)壘增大；勢(shì)壘增大；v當(dāng)被光照時(shí)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光生載當(dāng)被光照時(shí)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光生載流子被加強(qiáng)了的內(nèi)建電

16、場(chǎng)拉開(kāi)，光流子被加強(qiáng)了的內(nèi)建電場(chǎng)拉開(kāi)，光生電子被拉向生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉區(qū)，光生空穴被拉向向P區(qū)，于是形成了以少數(shù)載流子區(qū)，于是形成了以少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)為主的光電流。漂移運(yùn)動(dòng)為主的光電流。PNhIpE反E內(nèi)l與普通二極管相比與普通二極管相比:共同點(diǎn)：一個(gè)共同點(diǎn)：一個(gè)PN結(jié)，單向?qū)щ娦越Y(jié)，單向?qū)щ娦圆煌c(diǎn)：不同點(diǎn)： （1）受光面大，）受光面大，PN結(jié)面積更大，結(jié)面積更大，PN結(jié)深度較淺結(jié)深度較淺 （2）表面有防反射的）表面有防反射的SiO2保護(hù)層保護(hù)層 （3）外加負(fù)偏壓）外加負(fù)偏壓v與光電池相比與光電池相比：共同點(diǎn)：均為一個(gè)共同點(diǎn)：均為一個(gè)PN結(jié)，利用光生伏特效結(jié)，利用光生伏特效 應(yīng)

17、，應(yīng)， SiO2保護(hù)膜保護(hù)膜不同點(diǎn)：不同點(diǎn)： （1）光敏面面積比光電池的小，因此光電流比光電池的）光敏面面積比光電池的小，因此光電流比光電池的小，一般為數(shù)微安到數(shù)十微安。小，一般為數(shù)微安到數(shù)十微安。 （2）制作襯底材料的摻雜濃度：光電池較高）制作襯底材料的摻雜濃度：光電池較高1016 1019原子數(shù)原子數(shù)/cm3，硅光電二極管偏低，硅光電二極管偏低10121013原子數(shù)原子數(shù)/cm3 。 （3）光電池的電阻率低（）光電池的電阻率低（0.1 0.01 /cm),而硅光電二極而硅光電二極管的電阻率較高，為管的電阻率較高，為1000 /cm （4）光電池在零偏壓下工作，光電二極管更常在反偏壓）光電池

18、在零偏壓下工作，光電二極管更常在反偏壓下工作。下工作。v分類(lèi)分類(lèi)v按材料分按材料分，光電二極管有硅、砷化稼、銻化錮、鈰化鉛光電二極管等許多種。v按結(jié)特性：按結(jié)特性：PN結(jié)（擴(kuò)散層、耗盡層）、結(jié)（擴(kuò)散層、耗盡層）、PIN結(jié)結(jié) 、異質(zhì)結(jié)、肖特基結(jié)異質(zhì)結(jié)、肖特基結(jié)v按結(jié)構(gòu)分按結(jié)構(gòu)分，也有同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的還是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。v國(guó)產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類(lèi)型不同，分為2CU和2DU兩種系列。v2CU系列以N-Si為襯底， 2DU系列以P-Si為襯底。v結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)用高阻用高阻N（P）型硅作為基）型硅作為基片，其電阻率約為片，其電阻率約為1K cm，然后在基片表面進(jìn)行然后

19、在基片表面進(jìn)行P摻雜摻雜（N摻雜：用磷擴(kuò)散）形成摻雜：用磷擴(kuò)散）形成NP結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。P（N）區(qū)擴(kuò)散得）區(qū)擴(kuò)散得很淺約為很淺約為1 m左右，而空間左右，而空間電荷區(qū)較寬，故保證了大部電荷區(qū)較寬，故保證了大部分光子入射到耗盡層內(nèi)。在分光子入射到耗盡層內(nèi)。在光敏面上涂上一層硅油保護(hù)光敏面上涂上一層硅油保護(hù)膜，既可保護(hù)光敏面又可增膜，既可保護(hù)光敏面又可增加對(duì)光的吸收率。加對(duì)光的吸收率。v光電二極管的電路光電二極管的電路 光電二極管的用法只能有兩種。光電二極管的用法只能有兩種。v一種是不加外電壓，直接與負(fù)載相接。一種是不加外電壓，直接與負(fù)載相接。v另一種是加反向電壓，如圖所示。另一種是加反向電壓，如圖所

20、示。 a) 不加外電源不加外電源 b) 加反向外電源加反向外電源 c) 2DU環(huán)極接法環(huán)極接法v實(shí)際上，不是不能加正向電壓，只是正接以后就與普通二實(shí)際上，不是不能加正向電壓，只是正接以后就與普通二極管一樣，只有單向?qū)щ娦?，而表現(xiàn)不出它的光電效應(yīng)極管一樣，只有單向?qū)щ娦裕憩F(xiàn)不出它的光電效應(yīng)。 v基本特性基本特性1.光照特性光照特性v伏安特性伏安特性v光電流與照度的關(guān)系光電流與照度的關(guān)系;v線性好線性好;v光電流較小光電流較小;v靈敏度低。靈敏度低。0250500750 1000 1250102030405060E)( AI1515V反向偏壓時(shí)的光照特性曲線反向偏壓時(shí)的光照特性曲線v反向偏壓與

21、光電流之反向偏壓與光電流之間的關(guān)系間的關(guān)系;v頻率特性頻率特性v溫度特性溫度特性是半導(dǎo)體光電器件中最好的一種，與下列因素有關(guān)：是半導(dǎo)體光電器件中最好的一種，與下列因素有關(guān)：結(jié)電容（小于結(jié)電容（小于20F) 和雜散電容；和雜散電容；光生載流子在薄層中的擴(kuò)散時(shí)間及光生載流子在薄層中的擴(kuò)散時(shí)間及PN結(jié)中的漂移時(shí)結(jié)中的漂移時(shí)間間 ;硅光電二極管的光電流和暗電流隨溫度的變化而變化；硅光電二極管的光電流和暗電流隨溫度的變化而變化；溫度升高，信噪比降低溫度升高，信噪比降低；象限探測(cè)器象限探測(cè)器 利用集成電路光刻技術(shù)利用集成電路光刻技術(shù),將一個(gè)圓形或方形的光敏面窗口將一個(gè)圓形或方形的光敏面窗口分隔成幾個(gè)面積相

22、等、形狀相同、位置對(duì)稱(chēng)的區(qū)域（背分隔成幾個(gè)面積相等、形狀相同、位置對(duì)稱(chēng)的區(qū)域（背面仍為整片），每一個(gè)區(qū)域相當(dāng)于一個(gè)光電器件，在理面仍為整片），每一個(gè)區(qū)域相當(dāng)于一個(gè)光電器件，在理想情況下，每個(gè)光電器件應(yīng)有完全相同的性能參數(shù)。想情況下，每個(gè)光電器件應(yīng)有完全相同的性能參數(shù)。n作用：確定光點(diǎn)在二維平面上的位置坐標(biāo)，一般用于準(zhǔn)作用：確定光點(diǎn)在二維平面上的位置坐標(biāo)，一般用于準(zhǔn) 直、定位、跟蹤等方面。直、定位、跟蹤等方面。 特殊結(jié)型光電二極管特殊結(jié)型光電二極管PIN型光電二極管型光電二極管 PIN管又稱(chēng)管又稱(chēng)快速光電二極管快速光電二極管。在原理上和普通光電。在原理上和普通光電二極管一樣，都是基于二極管一樣，

23、都是基于PN結(jié)的光電效應(yīng)工作的。所不結(jié)的光電效應(yīng)工作的。所不同的是它的結(jié)構(gòu)，同的是它的結(jié)構(gòu)，在在P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體。 這樣，這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于本上全集中于I層中，從而層中，從而使使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。由于工作在結(jié)電容變小。由于工作在反偏，隨著反偏電壓的增反偏，隨著反偏電壓的增大，結(jié)電容變得更小。大，結(jié)電容變得更小。v由式由式 = CfRL與與f = 1/2知，知，Cf小，小，則小，頻則小，頻帶將變寬。因此，這種管子的特點(diǎn)是：帶將變寬。

24、因此，這種管子的特點(diǎn)是：頻率響應(yīng)快頻率響應(yīng)快，目前，目前PIN光電二極管的結(jié)電容一光電二極管的結(jié)電容一般為零點(diǎn)幾到幾個(gè)微微法，響應(yīng)時(shí)間為般為零點(diǎn)幾到幾個(gè)微微法，響應(yīng)時(shí)間為1-3ns，最高達(dá)最高達(dá)0.1ns；頻帶寬頻帶寬，可達(dá)，可達(dá)10GHz；因?yàn)橐驗(yàn)镮層很厚，在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的層很厚，在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電壓，反向電壓，線性輸出范圍寬線性輸出范圍寬。；。； I層較厚，又工作在反偏，使結(jié)區(qū)耗盡層厚度層較厚，又工作在反偏，使結(jié)區(qū)耗盡層厚度增加，增加，提高了對(duì)光的吸收和光電變換區(qū)域，使提高了對(duì)光的吸收和光電變換區(qū)域，使量子效率提高量子效率提高；I.增加了對(duì)長(zhǎng)波的吸收，提高了長(zhǎng)波的靈

25、敏度，增加了對(duì)長(zhǎng)波的吸收，提高了長(zhǎng)波的靈敏度，其響應(yīng)波長(zhǎng)范圍其響應(yīng)波長(zhǎng)范圍0.4-1.1m。雪崩型光電二極管（雪崩型光電二極管（avalanche photodiode)avalanche photodiode)nAPDAPD是具有是具有內(nèi)部倍增放大作用內(nèi)部倍增放大作用的光電二極管，利的光電二極管，利用用PNPN結(jié)勢(shì)壘區(qū)的結(jié)勢(shì)壘區(qū)的高反向電壓下高反向電壓下強(qiáng)電場(chǎng)作用產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)作用產(chǎn)生載流子的雪崩倍增而得到。載流子的雪崩倍增而得到。n工作過(guò)程：工作過(guò)程： 光子入射到耗盡區(qū)后激發(fā)出電子光子入射到耗盡區(qū)后激發(fā)出電子- -空穴對(duì)，被激發(fā)的空穴對(duì)，被激發(fā)的電子和空穴在在電子和空穴在在強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)電場(chǎng)的作用下

26、獲得很大的動(dòng)能，其在高的作用下獲得很大的動(dòng)能，其在高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與晶體的晶格原子碰撞，使晶格原子電離產(chǎn)速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與晶體的晶格原子碰撞，使晶格原子電離產(chǎn)生生二次電子空穴對(duì)二次電子空穴對(duì)，稱(chēng)為碰撞電離過(guò)程。此過(guò)程多次重復(fù)，稱(chēng)為碰撞電離過(guò)程。此過(guò)程多次重復(fù)，象象“雪崩雪崩”一樣繼續(xù)下去。如此電離產(chǎn)生的載流子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)一樣繼續(xù)下去。如此電離產(chǎn)生的載流子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初始光激發(fā)產(chǎn)生的載流子數(shù)，從而反向電流也迅速增大于初始光激發(fā)產(chǎn)生的載流子數(shù)，從而反向電流也迅速增大形成血本倍增效應(yīng)。大形成血本倍增效應(yīng)。n當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時(shí)當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時(shí)(約約100200V) ，電流增益可，電流增益可達(dá)達(dá)106，

27、即產(chǎn)生所謂的自持雪崩。，即產(chǎn)生所謂的自持雪崩。n結(jié)構(gòu)：為了實(shí)現(xiàn)雪崩過(guò)程，基片雜質(zhì)濃度很高，結(jié)構(gòu)：為了實(shí)現(xiàn)雪崩過(guò)程，基片雜質(zhì)濃度很高，使之容易碰撞電離；片子厚度較薄，保證較高的使之容易碰撞電離；片子厚度較薄，保證較高的電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度n這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目前，是目前響響應(yīng)速度最快應(yīng)速度最快的一種光電二極管。的一種光電二極管。但噪聲大是這種管子目前但噪聲大是這種管子目前的一個(gè)主要缺點(diǎn)。的一個(gè)主要缺點(diǎn)。紫外光電二極管紫外光電二極管n困難：困難：紫外光是高頻電磁波，頻率越高吸收越大，大多紫外光是高頻電磁波，頻率越高吸收越大，大多數(shù)紫外光生載

28、流子產(chǎn)生在材料的表面附近，還沒(méi)到達(dá)結(jié)數(shù)紫外光生載流子產(chǎn)生在材料的表面附近，還沒(méi)到達(dá)結(jié)區(qū)就被復(fù)合掉。區(qū)就被復(fù)合掉。n藍(lán)、紫增強(qiáng)型硅光電二極管藍(lán)、紫增強(qiáng)型硅光電二極管 PN結(jié)淺，電子擴(kuò)散長(zhǎng)度大，表面復(fù)合速率小。結(jié)淺，電子擴(kuò)散長(zhǎng)度大，表面復(fù)合速率小。 190-1100nmn肖特基結(jié)光電二極管肖特基結(jié)光電二極管v金屬與半導(dǎo)體理想接觸時(shí)，金屬和半導(dǎo)體的逸出功不金屬與半導(dǎo)體理想接觸時(shí)，金屬和半導(dǎo)體的逸出功不同，接觸后電子就會(huì)從一種材料流向另一種材料，使同，接觸后電子就會(huì)從一種材料流向另一種材料，使接觸面兩邊各帶異號(hào)電荷，形成偶極層，出現(xiàn)接觸電接觸面兩邊各帶異號(hào)電荷，形成偶極層，出現(xiàn)接觸電動(dòng)勢(shì)，即肖特基勢(shì)。動(dòng)勢(shì)，即肖特基勢(shì)。v當(dāng)光子入射到