通信光電子學(xué)第七章課件

第七章光電轉(zhuǎn)換器件

7-1光電導(dǎo)探測(cè)器

7-2光電池

7-3光電二極管

7-4光電倍增管

7-5變像管、像增強(qiáng)管、攝像管

7-6電荷耦合器件（CCD）序言

光電轉(zhuǎn)換器件是把光轉(zhuǎn)換成電或者通過光信號(hào)來控制電信號(hào)的器件。根據(jù)光與物質(zhì)的相互作用產(chǎn)生的不同物理效應(yīng)，可將光電轉(zhuǎn)換器件分為不同的類型：光電轉(zhuǎn)換器件內(nèi)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)光電子發(fā)射器件光電導(dǎo)器件光伏器件例：無源光監(jiān)測(cè)器

例：光電倍增管

例：光電二極管光電三級(jí)管7.1光電導(dǎo)探測(cè)器

光電導(dǎo)探測(cè)器是利用光電導(dǎo)效應(yīng)制作的光探測(cè)器，簡(jiǎn)稱為PC探測(cè)器。特征：受到光照后，器件的電阻發(fā)生變化。主要類型光敏電阻光導(dǎo)管等產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)的電子躍遷類型包括本征吸收雜質(zhì)吸收2、光譜特性光電導(dǎo)探測(cè)器屬于選擇性器件，某種材料制成的光敏電阻，只在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)才對(duì)入射光有響應(yīng)，而其他波長(zhǎng)的光照射下，響應(yīng)度極小或趨于0。材料的禁帶寬度決定了光譜響應(yīng)的長(zhǎng)波限制，在響應(yīng)率從增加到減小的過程中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)響應(yīng)的峰值波長(zhǎng)典型的響應(yīng)曲線：圖7-1-2。3、照度特性表達(dá)式：，，，為常數(shù)，K與器件的材料、尺寸、形狀及載流子壽命有關(guān)；是電壓指數(shù)、是照度指數(shù)。

三種光敏電阻的光譜響應(yīng)特性曲線CdS光敏電阻的光照特性曲線4、響應(yīng)速度響應(yīng)時(shí)間：光照時(shí)流過光電導(dǎo)器件的電流上升到0.63所需要的時(shí)間及遮光后電流下降到0.37所需要的時(shí)間。I0為穩(wěn)定后的正常值。響應(yīng)時(shí)間的大小決定了器件對(duì)調(diào)制頻率的影響，其響應(yīng)速度變化規(guī)律為：截止頻率：當(dāng)下降到的0.707倍時(shí)，所對(duì)應(yīng)的為截頻率,此時(shí)信號(hào)功率下降為零頻時(shí)功率的一半。Rv0為低頻響應(yīng)度。響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短意味著光生載流子的壽命長(zhǎng)短。增大光生載流子壽命，可以增大內(nèi)增益，提高響應(yīng)率。但是器件的響應(yīng)時(shí)間也隨之增大，又影響了對(duì)高頻成分的響應(yīng)。

7、基本工作電路

暗電阻與亮電阻光電導(dǎo)器件在無光照時(shí)的電阻（稱為暗電阻）很大，光照后，電阻顯著下降，稱為亮電阻。正常使用范圍內(nèi)，亮、暗電阻之比為。

設(shè)在無光照時(shí)的負(fù)載上電壓為有光照時(shí)的負(fù)載電壓為輸出電壓為匹配狀態(tài)：要使輸出信號(hào)最大的條件是，是器件的匹配狀態(tài)。此時(shí)，輸出電壓為。二、幾種常用的光電導(dǎo)器件

光電導(dǎo)器件多晶薄膜形式單晶形式可見光波段Cds、CdSe等近紅外波段PbS、PbSe等本征型HgCdTe、InSb、PbSnTe等雜質(zhì)型Ge:Hg、Ge:Ga、Si:As等7.2光電池

光電池是利用光生伏特效應(yīng)制成的無偏壓光電轉(zhuǎn)換器件，由于其內(nèi)部可能存在PN結(jié)，所以也稱為結(jié)型探測(cè)器，簡(jiǎn)稱PV探測(cè)器。主要用途光電池用作太陽能電池把光能直接轉(zhuǎn)化成電能，需要最大的輸出功率和轉(zhuǎn)化效率。即把受光面做得較大，或把多個(gè)光電池作串、并聯(lián)組成電池組，與鎳鎘蓄電池配合，可作為衛(wèi)星、微波站等無輸電線路地區(qū)的電源供給。光電池用作探測(cè)元件利用其光敏面大，頻率響應(yīng)高，光電流與照度線性變化，適用于開關(guān)和線性測(cè)量等。一、結(jié)構(gòu)原理1、結(jié)構(gòu)金屬-半導(dǎo)體接觸型（硒光電池）圖721PN結(jié)型光電池——是在N型（或P型）半導(dǎo)體表面上擴(kuò)散一層P型（或N型）雜質(zhì)，形成PN結(jié)。

按基底材料不同分2DR（P型Si為基底）

2CR（N型Si為基底）

圖示：2、分類按用途太陽能光電池：用作電源（效率高，成本低）測(cè)量用光電池：探測(cè)器件（線性、靈敏度高等）按材料硅光電池：光譜響應(yīng)寬，頻率特性好硒光電池：波譜峰值位于人眼視覺內(nèi)薄膜光電池：CdS增強(qiáng)抗輻射能力紫光電池：PN結(jié)0.2~0.3μm,短波峰值600nm3、符號(hào)及電路符號(hào)聯(lián)接電路等效電路二、特性

1、光譜特性光電池的光譜特性主要由材料及制作工藝決定意義：在入射光能量保持一個(gè)相同值的條件下，研究光電池的短路電流與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系，不同材料有不同的響應(yīng)范圍。硅光電池：除了一般情況下的光譜響應(yīng)特性，在PN結(jié)較淺（一般為0.4μm）的情況下，由于入射光更容易達(dá)到PN結(jié)，短波長(zhǎng)光從表面進(jìn)入材料后受到的吸收較小，因而提高了短波長(zhǎng)的光被材料吸收的幾率，導(dǎo)致吸收峰值發(fā)生變化，向短波長(zhǎng)（約在0.6μm附近）偏移，被稱為藍(lán)硅光電池，硅光電池的兩種光譜響應(yīng)曲線如圖：光電池工作在無偏壓的狀態(tài)下，在光照時(shí)，PN結(jié)開路時(shí)的正向電壓就是光生電動(dòng)勢(shì)。在光生電動(dòng)勢(shì)比較小的情況下，假設(shè)Rs0，Rsh0,則在PN結(jié)外部負(fù)載RL＝0時(shí)，短路電流就是光電流Isc＝Ip但實(shí)際電路存在Rs和Rsh，短路電流可進(jìn)一步表示為Isc＝Ip－Is（e－1）－在開路情況下，I=0時(shí)，Ip＝I+開路電壓表示為＝ln（）由于Rsh不是無窮大，則Ish不為零，所以開路電壓精確表達(dá)式為＝ln（）3、光照特性定義：光生電動(dòng)勢(shì)、光生電池與光照度的關(guān)系。如圖。

表達(dá)式：在近似條件下，短路電流就是光電流，且可與光照度成線性關(guān)系。光電池的光照特性曲線：硅光電池硒光電池光照特性與負(fù)載電阻的關(guān)系

負(fù)載電阻不為零時(shí)，隨照度的增加，光電流與端電壓都增加，二極管處在正向偏置下，內(nèi)電阻變小，外電流增加變緩，與光照度成非線性關(guān)系；負(fù)載越大，非線性越顯著。開路時(shí)，隨著照度的增加，開路電壓增加很快，最終出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。

硅光電池的光照特性與負(fù)載電阻的關(guān)系三、太陽能電池

把光能直接轉(zhuǎn)化成電能，需要最大的輸出功率和轉(zhuǎn)化效率。即把受光面做得較大，或把多個(gè)光電池作串、并聯(lián)組成電池組，與鎳鎘蓄電池配合，可作為衛(wèi)星、微波站等無輸電線路地區(qū)的電源供給。1、光電池構(gòu)成太陽能裝置的方式串聯(lián)——增加輸出電壓并聯(lián)——增大輸出電流實(shí)際操作中可以“先串后并”或“先并后串”實(shí)用的太陽能電池的特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換效率高成本低穩(wěn)定性好2、光電轉(zhuǎn)換效率定義：太陽能電池的最大輸出功率與輸入光功率之比

η＝＝3、影響η的因素材料性質(zhì)器件結(jié)構(gòu)工藝因素等

光電二極管是以光伏效應(yīng)為基礎(chǔ)制作的在反向偏壓下工作的光伏器件。與普通二極管相比:

共同點(diǎn)：一個(gè)PN結(jié)，單向?qū)щ娦圆煌c(diǎn)：受光面大，PN結(jié)面積更大，PN結(jié)深度較淺表面有防反射的SiO2保護(hù)層外加負(fù)偏壓與光電池相比：共同點(diǎn)：均為一個(gè)PN結(jié)，利用光生伏特效應(yīng)，

SiO2保護(hù)膜不同點(diǎn)：結(jié)面積比光電池的小，頻率特性好光生電勢(shì)與光電池相同，但電流比光電池的小可在零偏壓下工作，更常在反偏壓下工作7.3光電二極管

2、光譜特性光電二極管只能對(duì)大于禁帶寬度的光子能量做出反應(yīng)，故不同材料的光譜響應(yīng)范圍不同，典型器件的光譜響應(yīng)曲線如圖。對(duì)每一種探測(cè)器件，都有一個(gè)響應(yīng)的峰值，其對(duì)應(yīng)的光子能量稍大于禁帶寬度，當(dāng)時(shí)，響應(yīng)成迅速下降的趨勢(shì)，當(dāng)時(shí)，光子能量雖然很大，但是在半導(dǎo)體中的光吸收也隨頻率的增加而逐漸增加，因而由于光吸收而產(chǎn)生的光生載流子，在到達(dá)結(jié)區(qū)之前，有較多部分與多數(shù)載流子復(fù)合，對(duì)光生電流沒有貢獻(xiàn)，響應(yīng)度降低。因此，入射光從短波長(zhǎng)逐漸增加到峰值波長(zhǎng)時(shí)，光譜響應(yīng)度是逐漸增大的。3、響應(yīng)時(shí)間當(dāng)輸入光信號(hào)是矩形脈沖時(shí)，由于受到多種因素的影響，輸出光電流脈沖出現(xiàn)了前沿與后沿,如圖:響應(yīng)時(shí)間可用圖中和表示。

影響響應(yīng)速度的因素：耗盡層的寬度結(jié)電容的大小綜合耗盡層寬度與結(jié)電容對(duì)器件性能的影響：一、結(jié)電容的大小對(duì)波形的影響很大，結(jié)電容過大會(huì)使響應(yīng)時(shí)間增加；二、耗盡層寬度應(yīng)該有一個(gè)適當(dāng)?shù)闹挡拍芗骖櫜煌囊?，一般W取值在和之間。4、伏安特性無光照時(shí)，V－I表達(dá)式：I+＝Is（e－1）二極管工作在反向偏壓下，V為負(fù)值。隨著V的絕對(duì)值變大，流過PN結(jié)的結(jié)電流（又稱反向結(jié)電流）I+由零逐漸變大,方向從N區(qū)指向P區(qū)，V達(dá)到一定程度后，反向結(jié)電流I+趨向飽和Is（Is即為PN結(jié)的反向飽和電流）。無光照時(shí),這個(gè)反向飽和電流比較小，但是反向偏壓太大時(shí)，可能造成反向結(jié)電流劇增，導(dǎo)致PN結(jié)被擊穿，需避免。有光照時(shí)，光電二極管內(nèi)產(chǎn)生了光生載流子，形成了光生電流Ip，Ip的方向是從N到P，與無光照時(shí)的反向結(jié)電流I+同向，使得反向飽和電流增大，且光照越強(qiáng)，越大。此時(shí)V－I表達(dá)式：I＝Ip－Is（e－1）二、幾種常見類型的光電二極管1、PIN光電二極管PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體。普通PN結(jié)型光電二極管的缺點(diǎn)：耗盡層寬度窄量子效率低頻率特性差

PIN的結(jié)構(gòu)特征：在P、N型之間加進(jìn)了較厚的本征半導(dǎo)體I型層，PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于I層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小；提高響應(yīng)速度。PIN的特點(diǎn)：耗盡層寬，增大了光電轉(zhuǎn)換的作用區(qū)域，提高了對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)光波的吸收耗盡層寬，使結(jié)電容變小，高頻端的響應(yīng)也得到改善耗盡層變寬，P區(qū)與N區(qū)的相對(duì)寬度變窄，載流子渡越時(shí)間變短，頻率響應(yīng)變寬本征區(qū)電阻高，暗電流噪聲?。ㄖ饕请娐窡嵩肼暎?、雪崩光電二極管（APD）APD是具有內(nèi)部倍增放大作用的光電二極管，利用PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)的高反向電壓下強(qiáng)電場(chǎng)作用產(chǎn)生載流子的雪崩倍增而得到。結(jié)構(gòu)在兩個(gè)高摻雜的P+區(qū)與N＋區(qū)之間有P層和層，其中層為接近本征的低摻雜區(qū)，寬度在30-100m，在器件加上反向偏壓后，耗盡層寬度隨電壓的增加而增加，直到P區(qū)的載流子全部耗盡而成為耗盡區(qū)，電壓繼續(xù)增大，耗盡層繼續(xù)加大之包括整個(gè)區(qū)，形成所謂“拉通”，電場(chǎng)主要降在P區(qū)與區(qū)，P+區(qū)和N＋區(qū)電壓降很少，而N＋與P之間具有最高的電壓，區(qū)壓降較平緩，但仍比較高。工作過程光照射到光電二極管時(shí)，由于器件的耗盡層很寬，光電轉(zhuǎn)換效率高，大部分光子在這個(gè)區(qū)域就被吸收并生成電子－空穴對(duì)，在外電壓作用下，載流子定向移動(dòng)成為初始光電流，一次電子在向PN+結(jié)區(qū)漂移的過程中動(dòng)能增大，到達(dá)PN＋結(jié)后，在更高的電場(chǎng)作用下產(chǎn)生雪崩倍增，一次空穴則直接被P+區(qū)吸收。此過程多次重復(fù)。從而反向結(jié)電流也迅速增大形成倍增效應(yīng)。影響雪崩光敏二極管工作的因素

a、雪崩過程伴有一定的噪聲，并受溫度的影響較大

b、表面材料的缺陷使PN結(jié)各電場(chǎng)分布不均，局部先擊穿使漏電流變大，增強(qiáng)了噪聲

c、工作偏壓必須適當(dāng)倍增增益G

是APD的一個(gè)重要參數(shù)，其倍增系數(shù)的大小與許多因素有關(guān)，如雪崩區(qū)的寬度、反向偏壓的大小以及電離系數(shù)等。器件確定后，電離系數(shù)與耗盡層寬度基本是確定的，影響增益大小的就是反向偏壓的大小了，APD增益與偏置電壓的關(guān)系為：

是APD的擊穿電壓；是APD的內(nèi)電阻；是與APD材料、摻雜特性及波長(zhǎng)有關(guān)的常數(shù)；為倍增后的電流。如果G較小，與V相比可略去，則

APD管的電流增益G與偏壓V的關(guān)系曲線如圖7-3-7表示。

反向偏壓比較小時(shí)，倍增增益受其影響比較大在同樣偏壓下，不同的波長(zhǎng)具有不同的增益，長(zhǎng)波長(zhǎng)的光波增益更大。增益在放大初始的同時(shí)也放大了噪聲，所以G不是越大越好，G有個(gè)最佳值，一般運(yùn)用時(shí)，G值在40－100左右為好。

APD的噪聲

APD除了具有一般光電二極管的噪聲外，還有一種由于倍增增益的起伏而引起的附加噪聲。量子噪聲：當(dāng)倍增增益為時(shí)，光信號(hào)引起的量子噪聲表示成倍增后的量子噪聲表示成其中溫度特性溫度變化對(duì)APD的影響主要表現(xiàn)在倍增增益以及暗電流的變化上。

A、對(duì)倍增增益的影響：

1、半導(dǎo)體內(nèi)電子和空穴的電離碰撞幾率隨溫度的升高而下降，使得倍增增益隨溫度升高而下降；

2、倍增因子由于和隨溫度變化而變化，溫度越低，G值越高。

B、對(duì)暗電流的影響：溫度增加后，有更多的電荷電離而成為能導(dǎo)電的自由電子，使暗電流增大。3、肖特基光電二極管結(jié)構(gòu)與定義將N型（或P型）半導(dǎo)體材料與金屬相接觸，形成勢(shì)壘，制成的光電二極管稱為肖特基光電二極管,實(shí)用的肖特基勢(shì)壘是由金屬與N型材料接觸而成。肖特基勢(shì)壘金屬的逸出功與半導(dǎo)體材料的逸出功是不同的，通常前者大于后者是，因此在接觸面兩邊，由于電勢(shì)的差別，N型半導(dǎo)體中的電子向金屬方向移動(dòng)，從而在交界面形成內(nèi)建電場(chǎng)，阻止電子進(jìn)一步擴(kuò)散，達(dá)到平衡后，出現(xiàn)一個(gè)確定的接觸電位差，即為肖特基勢(shì)壘。勢(shì)壘高度是金屬逸出功于半導(dǎo)體的電子親合勢(shì)能之差，即但實(shí)際實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果是勢(shì)壘高度是禁帶寬度的2/3，即。工作方式受到光激發(fā)后產(chǎn)生的電子與空穴分開集結(jié)或流動(dòng)，從而產(chǎn)生開路光生電動(dòng)勢(shì)或短路電流。根據(jù)所加反向偏壓及入射光頻率不同，肖特基光電二極管有三種不同的工作方式：

abca、,(為反向擊穿電壓)器件受光照產(chǎn)生光生載流子，工作情況與PN結(jié)型管類似。b、,耗盡層引起載流子倍增，這時(shí)的工作情況與雪崩二極管類似。c、,光在金屬膜中被電子吸收。電子能量高于肖特基勢(shì)壘的高度時(shí)，就能越過勢(shì)壘，進(jìn)入半導(dǎo)體耗盡層而被加速和收集。選擇適當(dāng)?shù)慕饘倥c半導(dǎo)體，可以得到不同高度的肖特基勢(shì)壘，從而得到不同波長(zhǎng)響應(yīng)的光電二極管。肖特基光電二極管的工作區(qū)很靠近表面，因而有利于短波長(zhǎng)光的吸收，所以適合于對(duì)藍(lán)光及紫外光的探測(cè)。肖特基勢(shì)壘效應(yīng)為基礎(chǔ)的光電探測(cè)器件受到更多重視。7.4光電倍增管

光電倍增管是以光電子發(fā)射為基礎(chǔ)的外光電效應(yīng)器件，具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，適用于微弱光信號(hào)的探測(cè)。

一、工作原理

1、主要結(jié)構(gòu)部件光陰極（圖中K）：接受由管殼窗口照射進(jìn)來的光能，并產(chǎn)生初次光電子倍增級(jí)（圖中D）：由某些金屬、金屬氧化物及半導(dǎo)體等組成，表面受到高速粒子轟擊后，可以重新發(fā)射出更多的電子（即二次電子發(fā)射）。2、二次發(fā)射系數(shù)σ用以表征每一個(gè)入射電子所產(chǎn)生的二次電子數(shù)目即每個(gè)倍增級(jí)的電流增益。

如果倍增的級(jí)數(shù)為n，且各級(jí)性能相同，考慮到電子損失，則總的電流增益為為陽極電流，為陰極電流，為第一倍增級(jí)對(duì)陰極光電子的收集效率，為各倍增級(jí)之間的傳遞效率。3、倍增極的結(jié)構(gòu)分為非聚焦型和聚焦型兩種。非聚焦型：倍增極陰極表面的電場(chǎng)比較低，發(fā)射出來的電子究竟打在何處難以預(yù)料，這與二次電子的初始位置與速度有關(guān)。它可以獲得較高的倍增系數(shù)，但是電子散射效應(yīng)大，同一束電子有不同的渡越時(shí)間，造成脈沖信號(hào)變寬，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。聚焦型：主要克服了渡越時(shí)間散差大的缺點(diǎn)，有更快的響應(yīng)時(shí)間。但是與非聚焦型比較，它的結(jié)構(gòu)的每對(duì)倍增極工作狀態(tài)會(huì)受到鄰近倍增極的工作電壓影響，因此對(duì)電源的穩(wěn)定性要求較高。4、工作電路與電壓供給供電回路如圖

供電方式負(fù)高壓供電：電源正極接地，可響應(yīng)變化緩慢的光信號(hào)；正高壓供電：電源負(fù)極接地，接在陰極上，適用于要求低噪聲的光脈沖信號(hào)檢測(cè)，但是在陰極要接一個(gè)耐高壓低噪聲的隔直電容與輸入端耦合。分壓網(wǎng)絡(luò)按照一定比例提供各電極的工作電壓，靜態(tài)下流過分壓網(wǎng)絡(luò)的電流，各電極的電壓為Vn=I0Rn

。動(dòng)態(tài)下各電極的反饋電流會(huì)使Vn降低。為了保證工作的直線性，必須使充分的大于陽極電流Ip，通常取。電源電壓的穩(wěn)定性是保持光電倍增管的工作直線性的基礎(chǔ)。在線性工作范圍內(nèi)，輸出電流,其中A是比例常數(shù)，α是與倍增過程有關(guān)的常數(shù)。從上式得到，α一般為7-9?？梢?，如果要求輸出電流直線性優(yōu)于1％，則電源電壓的穩(wěn)定性必須優(yōu)于0.1％，即高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。二、工作特性參數(shù)

等效電路如圖

直流等效電路交流等效電路光電倍增管的主要特征參數(shù)包括陰極靈敏度、陽極靈敏度、暗電流等。經(jīng)常用到的特征工作曲線是伏安特性曲線、光電特性曲線。1、陰極靈敏度定義：光電陰極被光照射后產(chǎn)生的初始電流與入射光通量之比。表達(dá)式：?jiǎn)挝沪藺/lm

討論：為正確表示陰極的發(fā)射能力，