光電子器件-第二章結型光電探測器課件

第2章結型光電探測器2.1、光伏效應光伏現(xiàn)象——半導體材料的“結”效應

例如：雪崩二極管光照零偏pn結產生開路電壓的效應光照反偏光伏效應光電池光電信號是光電流結型光電探測器的工作原理光電二極管

2.2.硅光電池

光電池是一種不需加偏置電壓就能把光能直接轉換成電能的PN結光電器件，按光電池的功用可將其分為兩大類：即太陽能光電池和測量光電池。

太陽能光電池主要用作向負載提供電源，對它的要求主要是光電轉換效率高、成本低。由于它具有結構簡單、體積小、重量輕、高可靠性、壽命長、可在空間直接將太陽能轉換成電能的特點，因此成為航天工業(yè)中的重要電源，而且還被廣泛地應用于供電困難的場所和一些日用便攜電器中。

測量光電池的主要功能是作為光電探測，即在不加偏置的情況下將光信號轉換成電信號，此時對它的要求是線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應合適、穩(wěn)定性高、壽命長等。它常被應用在光度、色度、光學精密計量和測試設備中。

1.用途a.作光電探測器使用紅外輻射探測器光電讀出光電耦合

b.作為電源使用人造衛(wèi)星野外燈塔微波站§2.2光電池光電池能直接將光通量轉變?yōu)殡妱觿荩瑢嶋H為電壓源結構和工作原理硼擴散層P型電極N型硅片P-N結電極I光電池的結構原理圖膜

－

＋

光

光電池有方形圓形三角形環(huán)形等PN－

－

－

＋

＋

＋

PN＋

－VocPN＋

－mA1.硅光電池的基本結構和工作原理

按硅光電池襯底材料的不同可分為2DR型和2CR型。如圖3-9（a）所示為2DR型硅光電池，它是以P型硅為襯底(即在本征型硅材料中摻入三價元素硼或鎵等)，然后在襯底上擴散磷而形成N型層并將其作為受光面。

硅光電池的受光面的輸出電極多做成如圖3-9（b）所示為硅光電池的外形圖，圖中所示的梳齒狀或“E”字型電極，其目的是減小硅光電池的內電阻。2.硅光電池工作原理

如圖3-10所示，當光作用于PN結時，耗盡區(qū)內的光生電子與空穴在內建電場力的作用下分別向N區(qū)和P區(qū)運動，在閉合的電路中將產生如圖所示的輸出電流IL，且負載電阻RL上產生電壓降為U。顯然，PN結獲得的偏置電壓U與光電池輸出電流IL與負載電阻RL有關，即

U=ILRL（3-16）

當以輸出電流的IL為電流和電壓的正方向時，可以得到如圖3-11所示的伏安特性曲線。從曲線可以看出，負載電阻RL所獲得的功率為

PL=ILU

（3-17）其中，光電池輸出電流IL應包括光生電流IP、擴散電流與暗電流等三部分，即

－－光電池的輸出短路電流

－－無光照時PN結反向飽和電流－－電子電量－－玻爾茲曼常數(shù)－－熱力學溫度－－光電池開路輸出電壓0.60.40.2400020000204060801000.81.0Ge光電池光電特性1.光電特性

0.60200040000.21002003000.4Si光電池光電特性相對靈敏度/％波長

硒硅20080604040001008000600010000光電池的光譜特性2.光電池的光譜特性

硒光電池硅光電池15000402080603000100450060007500相對光電流/％/Hz光電池的頻率特性3.光電池的頻率特性

4.光電池的光電轉換效率

光電池的輸出功率與入射輻射通量之比定義為光電池的光電轉換效率，記為η。當負載電阻為最佳負載電阻Ropt時，光電池輸出最大功率Pm與入射輻射通量之比定義為光電池的最大光電轉換效率，記為ηm。顯然，光電池的最大光電轉換效率ηm為

式中是于材料有關的光譜光電轉換效率，表明光電池的最大光電轉換效率與入射光的波長及材料的性質有關。

（3-24）

2.3光電二極管外形光變化－電流變化光電轉換器光敏特性（a）（b）光電二極管的符號與光電特性的測量電路（a）符號（b）光電特性的測量電路硅光電二極管光電二極管的伏安特性有光光電接收二極管反偏狀態(tài)光電流（恒流）光電流與照度線性關系無光暗電流國產硅光電二極管按襯底材料的導電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列以P-Si為襯底2CU系列光電二極管只有兩個引出線，而2DU系列光電二極管有三條引出線，除了前極、后極外，還設了一個環(huán)極。硅光電二極管結構示意圖2DU管加環(huán)極的目的是為了減少暗電流和噪聲。光電二極管的受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中又常含有少量的鈉、鉀、氫等正離子。SiO2是電介質，這些正離子在SiO2中是不能移動的，但是它們的靜電感應卻可以使P-Si表面產生一個感應電子層。這個電子層與N-Si的導電類型相同，可以使P-Si表面與N－Si連通起來。當管子加反偏壓時，從前極流出的暗電子流，除了有PN結的反向漏電子流外，還有通過表面感應電子層產生的漏電子流，從而使從前極流出的暗電子流增大。為了減小暗電流，設置一個N+-Si的環(huán)把受光面（N-Si）包圍起來，并從N+-Si環(huán)上引出一條引線（環(huán)極），使它接到比前極電位更高的電位上，為表面漏電子流提供一條不經過負載即可達到電源的通路。這樣，即可達到減小流過負載的暗電流、減小噪聲的目的。如果使用時環(huán)極懸空，除了暗電流、噪聲大些外，其它性能均不受影響。2CU管子，因為是以N-Si為襯底，雖然受光面的SiO2防反射膜中也含有少量的正離子，而它的靜電感應不會使N-Si表面產生一個和P-Si導電類型相同的導電層，從而也就不可能出現(xiàn)表面漏電流，所以不需要加環(huán)極。光電二極管的用法：光電二極管的用法只能有兩種。一種是不加外電壓，直接與負載相接。另一種是加反向電壓，如圖所示。a)不加外電源

b)加反向外電源

c)2DU環(huán)極接法實際上，不是不能加正向電壓，只是正接以后就與普通二極管一樣，只有單向導電性，而表現(xiàn)不出它的光電效應。加反向電壓時，伏安特性曲線常畫成如下圖所示的形式。與硅光電池的伏安特性曲線圖比較，有兩點不同。一是把硅光電池的伏安特性曲線圖中Ⅰ、Ⅱ象限里的圖線對于縱軸反轉了一下，變?yōu)樯蠄D(a)。這里是以橫軸的正向代表負電壓，這樣處理對于以后的電路設計很方便。二是因為開路電壓UOC一般都比外加的反向電壓小很多，二者比較可略而不計，所以實用曲線常畫為上圖(b)的形式。微變等效電路與頻率特性：光電二極管的等效電路可表達如下：其中圖a為實際電路；圖b為考慮到光電二極管結構、功能后畫出的微變等效電路，其中Ip為光電流，V為理想二極管，Cf為結電容，Rsh為漏電阻，Rs為體電阻，RL為負載電阻；圖c是從圖b簡化來的，因為正常運用時，光電二極管要加反向電壓，Rsh很大，Rs很小，所以圖b中的V、Rsh、Rs都可以不計，因而有圖c的形式；圖d又是從圖c簡化來的，因為Cf很小，除了高頻情況要考慮它的分流作用外，在低頻情況下，它的阻抗很大，可不計。因此具體應用時多用圖d和圖c兩種形式。流過負載的交變電流復振幅為：IL＝Ip·1/(1+jωτ)ω：入射光的調制圓頻率，ω＝2πf，f為入射光的調制頻率。τ=CfRLIL的模量為可見，IL是頻率的函數(shù)，隨著入射光調制頻率的增加而減小。當ω=1/τ時，

這時f=1/2πτ稱為上限截止頻率，或稱為帶寬。幾種國產2CU型硅光電二極管的特性

幾種國產2DU型硅光電二極管的特性

2.4其他類型的光生伏特器件

PIN型光電二極管

為了提高PN結硅光電二極管的時間響應，消除在PN結外光生載流子的擴散運動時間，常采用在P區(qū)與N區(qū)之間生成I型層，構成如圖3-6（a）所示的PIN結構光電二極管，PIN結構的光電二極管與PN結型的光電二極管在外形上沒有什么區(qū)別，都如圖3-6（b）所示。

PIN光電二極管在反向電壓作用下，耗盡區(qū)擴展到整個半導體，光生載流子只產生漂移電流，因此，它的時間響應只取決于τ

與τ

，在10-9s左右。

drRC

PNI導帶

價帶信號光

PIN光電二級管P型層很薄使光子很快進入I區(qū)I區(qū)電阻很大可加較高電壓高的電阻使暗電流明顯減小，這些產生的光生電子－空穴對將立刻被電場分離并作快速漂移運動I區(qū)加入增大了耗盡層厚度減小了結電容CJ，提高了量子效率漂移時間約為相當于f=１KMHz

入射光照射在P層上，由于P層很薄，大量的光被較厚的I層吸收，激發(fā)較多的載流子形成光電流；又PIN結光電二極管比PN結光電二極管施加較高的反偏置電壓，使其耗盡層加寬。當P型和N型半導體結合后，在交界處形成電子和空穴的濃度差別，因此，N區(qū)的電子要向P區(qū)擴散，P區(qū)空穴向N區(qū)擴散。

P區(qū)一邊失去空穴，留下帶負電的雜質離子，N區(qū)一邊失去電子，留下帶正電的雜質離子，在PN交界面形成空間電荷，即在交界處形成了很薄的空間電荷區(qū)，在該區(qū)域中，多數(shù)載流子已擴散到對方而復合掉，即消耗盡了，耗盡層的電阻率很高。擴散越強，耗盡層越寬，PN結內電場越強，加速了光電子的定向運動，大大減小了漂移時間，因而提高了響應速度。PIN結光電二極管仍然具有一般PN結光電二極管的線性特性圖7-28PIN光電二極管偏壓價帶導帶信號光信號光電極電極輸出端PIN最大特點：頻帶寬，可達10GHz。另一個特點是，因為I層很厚，在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓的關系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結電容要進一步減小，使頻帶寬度變寬。不足：I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內的商品出售。PIN管PIN管是光電二極管中的一種。是在P型半導體和N型半導體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體。這樣，PN結的內電場就基本上全集中于I層中，從而使PN結雙電層的間距加寬，結電容變小。由式τ=CfRL與f=1/2πτ知，Cf小，τ則小，頻帶將變寬。因此，這種管子最大的特點是頻帶寬，可達10GHz。另一個特點是，因為I層很厚，在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。PIN硅光電二極管由耗盡層寬度與外加電壓的關系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結電容要進一步減小，使頻帶寬度變寬。所不足的是，I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內的商品出售。PIN光電二極管光電轉換

雪崩光電二極管雪崩光電二極管是利用PN結在高反向電壓下產生的雪崩效應來工作的一種二極管。這種管子工作電壓很高，約100～200V，接近于反向擊穿電壓。結區(qū)內電場極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產生電離雪崩反應。因此，這種管子有很高的內增益，可達到幾百。雪崩二極管當電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達106，即產生所謂的自持雪崩。這種管子響應速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前響應速度最快的一種光電二極管。噪聲大是這種管子目前的一個主要缺點。由于雪崩反應是隨機的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。

雪崩光電二極管

PIN光電二極管提高了PN結光電二極管的時間響應，但未能提高器件的光電靈敏度，為了提高光電二極管的靈敏度，人們設計了雪崩光電二極管，使光電二極管的光電靈敏度提高到需要的程度。

1.結構

圖3-7（a）所示為在P型硅基片上擴散雜質濃度大的N+層，制成P型N結構；圖3-7（b）所示為在N型硅基片上擴散雜質濃度大的P+層，制成N型P結構的雪崩光電二極管；圖3-7（c）所示為PIN型雪崩光電二極管。

由于PIN型光電二極管在較高的反向偏置電壓的作用下耗盡區(qū)擴展到整個PN結結區(qū)，形成自身保護（具有很強的抗擊穿功能），因此，雪崩光電二極管不必設置保護環(huán)。

市場上的型雪崩光電二極管基本上都是PIN型雪崩光電二極管。

雪崩式光電二極管（APD）

在PN結的P區(qū)外增加一層摻雜濃度極高的P+層，且在其上加上高反偏壓。當光入射到PN結時，光子被吸收而產生電子-空穴對。如果電壓增加到使電場達到200kV/cm以上，初始電子（一次電子）在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運動。高速運動的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產生新的電子-空穴對。新產生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產生連鎖反應，致使載流子雪崩式倍增，偏壓輸出端價帶導帶信號光信號光電極電極P+PN圖7-29雪崩式二極管雪崩光敏二級管（APD）PN類似光電倍增管，具有內部電流增益－－雪崩倍增光電流――無雪崩倍增時的反向飽和電流――倍增因子

――外加電壓――擊穿電壓――常數(shù)，約為1～32.工作原理

雪崩光電二極管為具有內增益的一種光生伏特器件。它利用光生載流子在強電場內的定向運動，產生的雪崩效應獲得光電流的增益。

電離產生的載流子數(shù)遠大于光激發(fā)產生的光生載流子數(shù)，這時雪崩光電二極管的輸出電流迅速增加，其電流倍增系數(shù)M定義為

（3-10）

式中，I為倍增輸出的電流，I0為倍增前輸出的電流。

雪崩倍增系數(shù)M與碰撞電離率有密切的關系。碰撞電離率表示一個載流子在電場作用下，漂移單位距離所產生的電子—空穴對數(shù)目。實際上電子電離率α和空穴電離率α是不完全一樣的，它們都與電場強度有密切關系。由實驗確定，電離率與電場強度E可以近似的寫成以下關系

np（3-10）

式中,A、b、m都為與材料有關系數(shù)。

假定α=α=α時，可以推導出倍增系數(shù)與電離率的關系為

np（3-11）

XD為耗盡層的寬度。上式表明，當

（3-12）

在強電場作用下，當通過耗盡區(qū)的每個載流子平均能產生一對電子—空穴時，就發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)象。當M—∞時，PN結上所加的反向偏壓就是雪崩擊穿電壓UBR。

實驗發(fā)現(xiàn)，在略低于擊穿電壓時，也發(fā)生雪崩倍增現(xiàn)象，不過M較小，這時M隨反向偏壓U的變化可用經驗公式近似表示

從圖3-8所示的伏-安特性曲線可以看出，在雪崩擊穿點附近電流隨偏壓變化的曲線較陡，當反向偏壓有較小變化時，光電流將有較大變化。

3.噪聲

由于雪崩光電二極管中載流子的碰撞電離是不規(guī)則的，碰撞后的運動方向更是隨機的，所以它的噪聲比一般光電二極管要大些。在無倍增的情況下，其噪聲電流主要為如式（3-6）所示的散粒噪聲。當雪崩倍增M倍后，雪崩光電二極管的噪聲電流的均方根值可近似由下式計算。

（3-15）

式中指數(shù)n與雪崩光電二極管的材料有關。對于鍺管，n=3；對于硅管為2.3<n<2.5。顯然，由于信號電流按M倍增加，而噪聲電流按Mn/2倍增加。因此，隨著M增加，噪聲電流比信號電流增加得更快。

特點

雪崩光電二極管是利用PN結在高反向電壓下產生的雪崩效應來工作的一種二極管。這種管子工作電壓很高，約100～200V，接近于反向擊穿電壓。結區(qū)內電場極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產生電離雪崩反應。因此，這種管子有很高的內增益，可達到幾百。當電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達106，即產生所謂的雪崩。這種管子響應速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前響應速度最快的一種光電二極管。噪聲大是這種管子目前的一個主要缺點。由于雪崩反應是隨機的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。但由于APD的響應時間極短，靈敏度很高，它在光通信中應用前景廣闊。

2.5光敏三極管光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，如圖。其結構與一般三極管很相似，具有電流增益,只是它的發(fā)射極一邊做的很大,以擴大光的照射面積,且其基極不接引線。當集電極加上正電壓,基極開路時,集電極處于反向偏置狀態(tài)。當光線照射在集電結的基區(qū)時,會產生電子-空穴對,在內電場的作用下,光生電子被拉到集電極,基區(qū)留下空穴,使基極與發(fā)射極間的電壓升高,這樣便有大量的電子流向集電極,形成輸出電流,且集電極電流為光電流的β倍。

PPNNNPe

b

bc

RL

Eec普通三極管ICIBeEBECIERCRbcbNNP光敏三極管ICIBeEBECIERCRbcbNNP基區(qū)很薄，基極一般不接引線；集電極面積較大。2.5光電三極管

光電三極管與普通半導體三極管一樣有兩種基本結構，NPN結構與PNP結構。用N型硅材料為襯底制作的

NPN結構，稱為

3DU型；用P型硅材料為襯底制作的稱為PNP結構，稱為3CU型。圖3-12所示為3DU型光電三極管的工作原理及其符號。

圖

(a)所示為NPN型光電三極管的原理結構圖；

圖(b)所示為光電三極管的電路符號。

1.工作原理

光電三極管的工作原理分為兩個過程：一是光電轉換；二是光電流放大。

集電極輸出的電流為

(3-25)

光電三極管的電流靈敏度是光電二極管的β倍。相當于將光電二極管與三極管接成如圖3-12(c)所示的電路形式，光電二極管的電流Ip被三極管放大β倍。

為提高光電三極管的增益，減小體積，常將光電二極管或光電三極管及三極管制作到一個硅片上構成集成光電器件。

如圖3-13所示為三種形式的集成光電器件。圖3-13(a)所示為光電二極管與三極管集成而構成的集成光電器件，它比圖3-12(c)所示的光電三極管具有更大的動態(tài)范圍，因為光電二極管的反向偏置電壓不受三極管集電結電壓的控制。圖3-13(b)所示的電路為圖3-12(c)所示的光電三極管與三極管集成構成的集成光電器件，它具有更高的電流增益（靈敏度更高）。

2.光電三極管特性

1）伏安特性

圖3-14所示為硅光電三極管在不同光照下的伏安特性曲線。光電三極管在偏置電壓為零時，無論光照度有多強，集電極電流都為零。偏置電壓要保證光電三極管的發(fā)射結處于正向偏置，而集電結處于反向偏置。隨著偏置電壓的增高伏安特性曲線趨于平坦。

光電三極管的伏安特性曲線向上偏斜，間距增大。這是因為光電三極管除具有光電靈敏度外，還具有電流增益β，并且，β值隨光電流的增大而增大。

光敏三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降。因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對。當入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達PN結，因而使相對靈敏度下降。（2）光譜特性相對靈敏度/%硅鍺入射光λ/?40008000120001600010080604020

0硅的峰值波長為9000?，鍺的峰值波長為15000?。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般選用硅管；但對紅外線進行探測時,則采用鍺管較合適。光敏晶體管的光照特性I/μAL/lx200400600800100001.02.03.0（3）光照特性光敏三極管的光照特性如圖所示。它給出了光敏三極管的輸出電流I和照度之間的關系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關系。當光照足夠大(幾klx)時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉換元件，也可作開關元件。4）溫度特性

硅光電二極管和硅光電三極管的暗電流Id和光電流IL均隨溫度而變化，由于硅光電三極管具有電流放大功能，所以硅光電三極管的暗電流Id和亮電流IL受溫度的影響要比硅光電二極管大得多，圖3-17（a）所示為光電二極管與三極管暗電流Id與溫度的關系曲線，隨著溫度的升高暗電流增長很快；

圖3-17（b）所示為光電二極管與三極管亮電流IL與溫度的關系曲線，光電三極管亮電流IL隨溫度的變化比光電二極管亮電流IL隨溫度的變化快。

（5）光敏三極管的頻率特性光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示。光敏三極管的頻率特性受負載電阻的影響，減小負載電阻可以提高頻率響應。一般來說，光敏三極管的頻率響應比光敏二極管差。對于鍺管，入射光的調制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應要比鍺管好。0100100050050001000020406010080RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ入射光調制頻率/HZ相對靈敏度/%光敏晶體管的頻率特性光電陰極與光電倍增管實驗證明，光敏三極管的截止頻率和它的基區(qū)厚度成反比關系。如果要求截止頻率高，那么基區(qū)就要薄；但基區(qū)變薄，光電靈敏度將降低，在制造時要適當兼顧兩者。人有了知識，就會具備各種分析能力，明辨是非的能力。所以我們要勤懇讀書，廣泛閱讀，古人說“書中自有黃金屋?！蓖ㄟ^閱讀科技書籍，我們能豐富知識，培養(yǎng)邏輯思維能力；通過閱讀文學作品，我們能提高文學鑒賞水平，培養(yǎng)文學情趣；通過閱讀報刊，我們能增長見識，擴大自己的知識面。有許多書籍還能培養(yǎng)我們的道德情操，給我們巨大的精神力量，鼓舞我們前進。附錄資料：不需要的可以自行刪除防曬霜生產工藝配方油相

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