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(dǎo)體結(jié)型光電器件是利用光生伏特效應(yīng)來(lái)工作的光電探測(cè)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(cè)器（PSD）、光電耦合器件等。按結(jié)的種類(lèi)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(shí)結(jié)內(nèi)平衡被破壞，這時(shí)流過(guò)PN結(jié)的電流方程為0/0IeIIkTqVD3.1.2.3.1.2.光照下的光照下的p-n p-n 結(jié)結(jié)

2、1.PN結(jié)光伏效應(yīng) PN結(jié)受光照射時(shí)，就會(huì)在結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。受內(nèi)建電場(chǎng)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(gè)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電動(dòng)勢(shì)，形成光生伏特效應(yīng)。 兩種工作模式:光伏工作模式（無(wú)偏置）和光電導(dǎo)工作模式（反偏置狀態(tài)）。2.光照下PN結(jié)的電流方程) 1/(0kTqVeIpIDIpILI 當(dāng)負(fù)載電阻RL斷開(kāi)(IL0)時(shí)，p端對(duì)n端的電壓稱(chēng)為開(kāi)路電壓，用Voc表示。 ESIEp) 1(/0kTqVELeIESI)01ln(IpIqkTocV)ln()ln(00IESqkTIIqkTVEpocIpI0 當(dāng)負(fù)載電阻短路(即RL=0)時(shí)，光生電壓接近于零，流過(guò)器件的電流叫短路電流，用

3、Isc表示。SE為光電靈敏系數(shù)。ESIIEpsc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(fù)載后的伏安特性曲線。其中，第一象象限為二極管無(wú)光照時(shí)正向?qū)üぷ鲿r(shí)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(shí)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(yīng)工作時(shí)的伏安特性曲線。 圖3-3 光照PN節(jié)連接負(fù)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將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。按用途光電池可分為太陽(yáng)能光電池和測(cè)量光電池 光電池是一個(gè)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(gòu)示意圖如圖3-

4、4，符號(hào)如圖3-5，電極結(jié)構(gòu)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(gòu)示意圖圖3-5 光電池符號(hào)圖3-6 光電池電極結(jié)構(gòu)圖3-7 硅光電池工作原原理圖) 1/(0kTqVeIpIDIpILI3.2.2.3.2.2.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(fù)載特性。 硅光電池的伏安特性，表示輸出電流和電壓隨負(fù)載電阻變化的曲線。) 1() 1(/0/0kTqVEkTqVpDpLeIESeIIIIIDkTqVLIeII) 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，

5、硅光電池的電流的電流方程式。令E=0可得沒(méi)有光照情況下硅光電池的電流。當(dāng)IL0時(shí)，RL=(開(kāi)路)時(shí)，光電池的開(kāi)路電壓，以Voc表示。當(dāng)Ip遠(yuǎn)大于Io時(shí)可近似計(jì)算)1ln(0IIqkTVpoc)/ln()/(0IIqkTVpocESIIEpsc 式中，SE表示光電池的光電靈敏度，E 表示入射光照度?？芍怆姵囟搪冯娏髋c入射光照度成正比，如圖3-9。開(kāi)路時(shí)與入射光照度的對(duì)數(shù)成正比。圖3-9 硅光電池的Uoc、Isc與照度的關(guān)系圖3-10 硅光電池光照-負(fù)載特性 2.光譜特性 硅光電池的光譜響應(yīng)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(zhǎng)之間的關(guān)系，一般用相對(duì)響應(yīng)表示。

6、在線性測(cè)量中，不僅要求光電池有高的靈敏度和穩(wěn)定性，同時(shí)還要求與人眼視見(jiàn)函數(shù)有相似的光譜響應(yīng)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(yīng)曲線，類(lèi)似于視覺(jué)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(jiàn)，負(fù)載大時(shí)頻率特性變差，減小負(fù)載可減小時(shí)間常數(shù)，提高頻響。但是負(fù)載電阻RL的減小會(huì)使輸出電壓降低，實(shí)際使用時(shí)視具體要求而定。 圖3-11 硅光電池光譜響應(yīng)曲線圖3-12 硅光電池的光譜響應(yīng)曲線圖3-13 硅光電池的頻率響應(yīng)曲線4溫度特性 光電池的溫度特性曲線主要指光照射時(shí)它的開(kāi)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。

7、 它的開(kāi)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(jí)。 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(yīng)工作的，它主要用于可見(jiàn)光及紅外光譜區(qū)。光電二極管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(jiàn)光區(qū)應(yīng)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(gòu)及工作原理硅光電二極管結(jié)構(gòu)及工作原理 硅光電二極管的結(jié)構(gòu)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

8、池；硅光電二極管電阻率遠(yuǎn)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(jí)。 光電二極管同樣是利用光生伏特效應(yīng)，利用反向偏置電壓促進(jìn)少數(shù)載流子的漂移，相當(dāng)于兩個(gè)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(chēng)3DU型硅光電三極管，PNP型稱(chēng)為3CU型硅光電三極管。 以3DU型為例說(shuō)明硅光電三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理，見(jiàn)圖3-15中工作時(shí)需要保證集電極

9、反偏置，發(fā)射極正偏置。其內(nèi)電場(chǎng)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(chǎng)作用下漂移向集電極。和三極管類(lèi)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(shí)集電極加負(fù)電壓，發(fā)射極加正電壓。 為改善頻率響應(yīng)，減少體積，提高增益，光電晶體管已經(jīng)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(gòu)圖、符號(hào)圖3-16 光電二極管晶體管圖3-17 達(dá)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(guān)系曲線，圖3-18

10、是硅光電二極管和硅光電三極管的光照特性曲線。 可見(jiàn)，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(shí)有彎曲，強(qiáng)光照時(shí)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(shí)都要下降而造成的。圖3-18 硅光電管的伏安特性曲線2.伏安特性 伏安特性表示為當(dāng)入射光的照度(或光通量)一定時(shí)，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(guān)系。由于光電三極管能放大電流，故其光電流屬于毫安級(jí)，無(wú)偏置電壓時(shí)電流屬于微安級(jí)可忽略不計(jì)。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(guān)

11、系圖3-20 硅光三極管伏安特性與照度關(guān)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(jiàn)圖3-21和圖3-22。由于暗電流的增加，使輸出信噪比變差，必要時(shí)要采取恒溫或補(bǔ)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(yīng)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(shí)間。在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)頻率響應(yīng)要求選擇最佳的負(fù)載電阻。 圖3-23為用脈沖光源測(cè)出的2CU型硅光電二極管的響應(yīng)時(shí)間與負(fù)載RL的關(guān)系曲線，從圖中可以看出當(dāng)負(fù)載超過(guò)104以后，響應(yīng)時(shí)間增

12、加得更快 。 硅光三極管的頻率響應(yīng)曲線見(jiàn)圖3-24。U ec=5V，T=25。可見(jiàn)，其受集電極電流和負(fù)載的影響。圖3-23 硅光二極管響應(yīng)時(shí)間負(fù)載曲線圖3-24 硅光三極管頻率響應(yīng)特征3.4 3.4 結(jié)型光電器件的放大電路結(jié)型光電器件的放大電路 結(jié)型光電器件一般用三極管或集成運(yùn)算放大器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)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(dǎo)通時(shí)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(jiàn)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

13、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(fù)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(hào)的基本變換電路3.4.2.3.4.2.結(jié)型光電器件與運(yùn)算放大器的連接結(jié)型光電器件與運(yùn)算放大器的連接 集成運(yùn)算放大器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便而廣泛應(yīng)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(yùn)算放大電路的連接方式有下圖所示三種方式，見(jiàn)圖3-26。三種電路各有優(yōu)缺點(diǎn)，但都適用于光功率很小的場(chǎng)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(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端同極性相連，運(yùn)算放大器兩輸入端間的輸入

14、阻抗Zin是硅光電二極管的負(fù)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(fù)載電阻RL并聯(lián)且硅光電二極管的正端接在運(yùn)算放大器的正端； (3)阻抗變換型， 圖(c)是反向偏置的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(yùn)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(cè)器象限探測(cè)器 象限探測(cè)器實(shí)質(zhì)是一個(gè)面積很大的結(jié)型光電器件，利用光刻技術(shù)，將一個(gè)圓形或方形的光敏面窗口分隔成幾個(gè)有一定規(guī)律的的區(qū)域(但背面仍為整片)，每一個(gè)區(qū)域相當(dāng)于一個(gè)光電二極管。在理想情況下，每個(gè)光電二極管應(yīng)有完

15、全相同的性能參數(shù)。但實(shí)際上它們的轉(zhuǎn)換效率往往不一致，使用時(shí)必須精心挑選，見(jiàn)圖3-27。 典型的象限探測(cè)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，一般用于準(zhǔn)直、定位以及跟蹤等。 象限探測(cè)器有以下幾個(gè)缺點(diǎn)： 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(gè)象限時(shí)，輸出的電信號(hào)將無(wú)法區(qū)別光斑的準(zhǔn)確位置； 測(cè)量精度易受光強(qiáng)變化的影響，分辨率不高。 圖3-27 各種象限探測(cè)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(chēng)快速光電二極管，它的結(jié)構(gòu)分三層，即在P型半導(dǎo)體和N型

16、半導(dǎo)體之間夾著較厚的本征半導(dǎo)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(diǎn)優(yōu)點(diǎn): a.使PN結(jié)的結(jié)間距離拉大，結(jié)電容變小，頻率響應(yīng)好； b.由于內(nèi)建電場(chǎng)基本上全集中于I層中，使耗盡層厚度增加，增大了對(duì)光的吸收和光電變換區(qū)域，量子效率提高了。 c.增加了對(duì)長(zhǎng)波的吸收，提高了長(zhǎng)波靈敏度，其響應(yīng)波長(zhǎng)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(gòu)示意圖2.2.特殊結(jié)構(gòu)的特殊結(jié)構(gòu)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(duì)入射到光敏面上的光點(diǎn)位置敏感

17、的PIN型光電二極管，面積較大，其輸出信號(hào)與光點(diǎn)在光敏面上的位置有關(guān)。一般稱(chēng)為PSD。 a.PSD的工作原理和位置表達(dá)式 PSD包含有三層，上面為p層，下面為n層，中間為i 層，它們?nèi)恢谱髟谕还杵?，?jiàn)圖3-29。p層既是光敏層，還是一個(gè)均勻的電阻層。由于光點(diǎn)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(guān)系：LIIIIxLxLIILxLIIAAA1212020122圖3-29 PSD斷面結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖b光電位置傳感器光電位置傳感器(PSD)(PSD)的分類(lèi)；的分類(lèi)； 一般PSD分為兩類(lèi)：一維PSD和二維PSD。一維PSD主要用來(lái)測(cè)量光點(diǎn)在一維方向的位置，二維PSD用來(lái)測(cè)定光點(diǎn)在

18、平面上的坐標(biāo)(x,y)， （1）一維PS 多為細(xì)長(zhǎng)矩形，見(jiàn)圖3-30。 （2）二維PSD 二維PSD的感光面是方形的,按其電極位置可分為三種形式，見(jiàn)圖3-31、3-32和3-33。圖3-30 一維PSD圖3-31 改進(jìn)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(diǎn)：對(duì)光斑的形狀無(wú)嚴(yán)格要求，只與光的能量重心有關(guān)；光敏面無(wú)死區(qū)，可連續(xù)測(cè)量光斑位置，分辨率高，一維PSD可達(dá)0.2m；可同時(shí)檢測(cè)位置和光強(qiáng)；PSD器件輸出總電流與入射光強(qiáng)有關(guān)，所以

19、從總光電流可求得相應(yīng)的入射光強(qiáng)。 光電位置傳感器被廣泛地應(yīng)用于激光束的監(jiān)控(對(duì)準(zhǔn)、位移和振動(dòng))、平面度檢測(cè)、一維長(zhǎng)度檢測(cè)、二維位置檢測(cè)系統(tǒng)等。e.使用PSD時(shí)的注意事項(xiàng)： (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(yīng)頻率。 (3)注意使用PSD時(shí)的環(huán)境溫度 (4)注意位置測(cè)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(qiáng)電場(chǎng)產(chǎn)生載流子倍增效應(yīng)(即雪崩倍增效應(yīng))的一種高速光電二極管。 雪崩倍增效應(yīng)：當(dāng)在光電二極管上加一相當(dāng)高的反向偏壓（100-200V）時(shí)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的電場(chǎng)。結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光生

20、載流子受強(qiáng)電場(chǎng)的加速將獲得很大的能量，在與原子碰撞時(shí)可使原子電離，新產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在向電極運(yùn)動(dòng)過(guò)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(duì)。這一過(guò)程不斷重復(fù)，使PN結(jié)內(nèi)電流急劇增加。 為了實(shí)現(xiàn)均勻倍增，襯底材料的摻雜濃度要均勻，缺陷要少；同時(shí)在結(jié)構(gòu)上采用保護(hù)環(huán)。保護(hù)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(guò)早擊穿。這種APD有時(shí)也稱(chēng)為保護(hù)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(rèn)為，制造時(shí)采用淺PN結(jié)和肖特基結(jié)的結(jié)構(gòu)，可以增強(qiáng)對(duì)藍(lán)、紫波長(zhǎng)光的吸收和響應(yīng)率。 1.藍(lán)、紫增強(qiáng)型硅光電二

21、極管 已經(jīng)研制的藍(lán)、紫光增強(qiáng)型硅光電二極管，具有PN結(jié)淺、電子擴(kuò)散長(zhǎng)度大和表面復(fù)合速率小等三方面的優(yōu)點(diǎn)。 2.肖特基結(jié)光電二極管 肖特基勢(shì)壘是由金屬與半導(dǎo)體接觸形成的。所以可以把肖特基勢(shì)壘光電二極管看作是一個(gè)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(dāng)一部份藍(lán)、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(fù)合之前就會(huì)被強(qiáng)電場(chǎng)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(yīng)率。 一般利用金或鋁分別與Si、Ge、GaAs、GaAsP、GaP等半導(dǎo)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(dǎo)體色敏器件半導(dǎo)體色敏器件半導(dǎo)體色敏器件是根據(jù)人眼視覺(jué)的三色原理，利用不同結(jié)深的光電二極管對(duì)各種波長(zhǎng)的光譜響應(yīng)率不同的現(xiàn)象制成的。1半導(dǎo)體色敏器件的工作原理下圖半導(dǎo)體色敏器件的結(jié)構(gòu)示意圖（圖3-36）和等效電路（圖3-37）。從圖可見(jiàn)，它由在同一塊硅片上制造兩個(gè)深淺不同的PN結(jié)構(gòu)成，其中PD2為深結(jié)，它對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)的光響應(yīng)率高；PD1為淺結(jié)，它對(duì)波長(zhǎng)短的光響應(yīng)率高。又稱(chēng)為雙結(jié)光電二極管。 其結(jié)構(gòu)相當(dāng)于兩個(gè)光電二級(jí)管反響串聯(lián)。 圖3-38雙結(jié)光電二極管的光譜響應(yīng)特性。 圖3-42集成全色敏器件，可以識(shí)別混色光。圖