光電檢測技術(shù)與應用-4半導體光電檢測器件應用

第4章半導體光電檢測器件及應用光電檢測技術(shù)及應用上節(jié)課內(nèi)容回顧1、光的基本性質(zhì)2、輻射/光度量的最基本單位3、光電發(fā)射定律和光電子的發(fā)射過程4、光電效應5、光熱效應光電導效應光生伏特效應光電導效應：

物質(zhì)吸收光子能量后產(chǎn)生本征吸收或雜質(zhì)吸收，從而改變物質(zhì)電導率的現(xiàn)象。光電導器件（光敏電阻）：

利用光電導效應，制成電導率隨入射光輻射量變化而變化的器件。光敏電阻特點：

體積小、堅固耐用、價格低廉、光譜響應范圍寬。中國是光敏電阻生產(chǎn)大國一、光敏電阻1光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工作原理RLEIRG

把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓作用下，光照射改變電路的電流大小。光敏電阻參數(shù)：

黑暗環(huán)境電阻值很高，光照使電阻值下降。

本征半導體光敏電阻：可見光波段雜質(zhì)半導體光敏電阻：紅外、遠紅外波段光敏電阻書P23，中間一段。1光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工作原理光敏電阻結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則（書P23，中間文字）：

盡可能縮短光敏電阻兩極間的距離。梳形結(jié)構(gòu)、蛇形結(jié)構(gòu)

1光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工作原理制造光敏電阻的材料：★紫外光敏電阻器：

硫化鎘、硒化鎘?！锛t外光敏電阻器：

硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛、銻化銦

導彈制導、天文探測、非接觸測量、人體病變探測、紅外光譜，紅外通信?！锟梢姽夤饷綦娮杵鳎?/p>

硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅。

自動開關(guān)門戶，航標燈、路燈等照明系統(tǒng)自動亮滅自動給水和自動停水裝置照相機自動曝光裝置，煙霧報警器，光電跟蹤系統(tǒng)1光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工作原理制作工藝：

采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制做很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，然后接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。1光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工作原理光敏電阻是純電阻器件：

沒有極性，可加直流電壓、交流電壓。2.1.光電特性

光敏電阻的光電流與光照度之間的關(guān)系。光電特性整體呈非線性，這是光敏電阻的缺點之一。2光敏電阻特性參數(shù)

在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與流過光敏電阻的電流之間的關(guān)系。

光敏電阻符合歐姆定律。

伏安特性近似直線，而且沒有飽和現(xiàn)象。受耗散功率的限制，在使用時，光敏電阻兩端的電壓不能超過最高工作電壓，圖中虛線為允許功耗曲線。2.2.伏安特性2光敏電阻特性參數(shù)2.3.頻率特性頻率特性曲線：

相對靈敏度Kr與光強變化頻率f之間的關(guān)系；

多數(shù)光敏電阻的時延都較大，因此不能用在要求快速響應的場合。2光敏電阻特性參數(shù)

光敏電阻的相對靈敏度與入射波長的關(guān)系。

硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域

硫化鉈的峰值在紅外區(qū)域

選用光敏電阻時應當把元件和光源的種類結(jié)合起來考慮。

是指光電器件的輸出與入射光波長（或頻率）的關(guān)系。2.4.光譜特性2光敏電阻特性參數(shù)2.5.溫度特性光敏電阻受溫度影響較大：

當溫度升高時，它的暗電阻會下降。溫度變化對光譜特性有很大影響：

光譜溫度特性曲線的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動。

為了提高精度、為了能接受遠紅外光而采取降溫措施。2光敏電阻特性參數(shù)光電導的弛豫現(xiàn)象：

光電流的變化對于光的變化，在時間上有一個滯后。2.6.時間和頻率響應：慣性大，頻響低

光敏電阻的響應時間除了與元件的材料有關(guān)外，還與光照的強弱有關(guān)，光照越強，響應時間越短。2光敏電阻特性參數(shù)

初制成的光敏電阻，由于內(nèi)部組織的不穩(wěn)定性等原因，光電特性不穩(wěn)定。當受到光照和外接負載后。其靈敏度有明顯下降。在人為地加溫、光照和加負載情況下，經(jīng)過一、二星期的老化，光電性能趨向穩(wěn)定后就基本上不變了。2.7.穩(wěn)定性2光敏電阻特性參數(shù)

利用光敏電阻控制的路燈自動控制電路。該電路由兩部分組成，電阻R、電容C和二極管D組成半波整流電路。CdS光敏電阻和開關(guān)J組成光控繼電器。

路燈接在繼電器常閉觸點上，由光控繼電器控制燈的點燃和熄滅。

采用光敏電阻控制的路燈自動控制電路3光敏電阻的應用晚上光線很暗，CdS光敏電阻阻值很大，流過J的電流很小，使繼電器J不動作，路燈接通電源點亮。

早上，天漸漸變亮，即照度逐漸增大，CdS光敏電阻受光照后，阻值變小，流過J的電流逐漸增大，當照度達到一定值時，流過繼電器的電流足以使J動作，使其閉合，其常閉觸點斷開，路燈熄滅。

采用光敏電阻控制的路燈自動控制電路3光敏電阻的應用夜間汽車的自動開門：

把光敏電阻裝在大門上，汽車燈光能照到的地方，把帶動大門的電動機接在干簧管的電路中，那么夜間汽車開到大門前，燈光照射光敏電阻時，干簧繼電器接通電動機電路，電動機帶動大門打開。

干簧管是一種磁敏的特殊開關(guān)。3光敏電阻的應用窗簾自動拉開把光敏電阻作為晶體管的偏流電阻。這樣當有光照時晶體管導通，驅(qū)動繼電器接通電動機，將窗簾打開。3光敏電阻的應用二、光生伏特器件光生伏特器件：

是利用光生伏特效應制造的光電敏感器。光生伏特器件與光電導器件的對比：★光生伏特器件是少數(shù)載流子導電，暗電流小噪聲低、響應速度快、受溫度影響小?！锕怆妼骷嵌鄶?shù)載流子導電，光譜響應范圍寬、能夠檢查微弱輻射。光生伏特效應的材料：

硅、鍺、砷化鎵書P28，下面一段文字二、光生伏特器件PN結(jié)的光生伏特效應：

PN結(jié)內(nèi)部存在一個電場，吸收光產(chǎn)生的電子－空穴對被電場分離，兩端形成電勢差。PN結(jié)光電器件和普通二極管PN結(jié)差別：★在不加光照時，它們的特性很相似?！镌诮Y(jié)構(gòu)上有明顯的區(qū)別：普通二極管PN結(jié)被遮蔽起來，不受光照射；結(jié)型光電器件必須受光照射。二、光生伏特器件1光電池光電池：

是將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的PN結(jié)光電器件。

大面積的薄片PN結(jié)。

不需要外加偏置電壓（這一點要注意，后續(xù)講的光電二極管多數(shù)情況是加反向電壓工作）。太陽能光電池：電源，轉(zhuǎn)換效率高、成本低測量光電池：光電檢測，傳感性能指標光電池硒光電池（很少用）：

穩(wěn)定性差、轉(zhuǎn)換效率低、壽命短、可見光硅光電池：

應用最廣、成本低、有發(fā)展前途、可見光+紅外光、用于野外燈塔、無人氣象站、微波站砷化鎵光電池：

紫外+可見光，耐受宇宙射線的輻射，用于宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器，轉(zhuǎn)換效率最高鍺光電池：

近紅外區(qū)光電池1光電池1.1.光電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：在N型硅片上擴散P型雜質(zhì)，形成PN結(jié)；大面積的薄片ΦPN結(jié)NPEa)結(jié)構(gòu)示意圖b)圖形符號光照射P區(qū)表面時，P區(qū)內(nèi)每吸收一個光子便產(chǎn)生一個電子-空穴對，P區(qū)表面吸收的光子最多，激發(fā)的電子-空穴最多，越向內(nèi)部越少。電子-空穴濃度差形成從表面向體內(nèi)擴散的自然趨勢。PN結(jié)內(nèi)電場使擴散的電子-空穴對分離，光生電子被推向N區(qū)，光生空穴被留在P區(qū)。N區(qū)帶負電，P區(qū)帶正電，形成光生電動勢。工作原理：I光光電池的工作原理示意圖PN1光電池(1)光照特性：

開路電壓曲線：

光生電動勢與照度之間的特性曲線。短路電流曲線：

光電流與照度之間的特性曲線。1.2.光電池的特性參數(shù)L/klx

L/klx

5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(a)硅光電池(b)硒光電池開路電壓短路電流短路電流當照度為2000lx時趨向飽和1.2.光電池的特性參數(shù)光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0硒光電池在不同負載電阻時的光照特性

負載電阻RL越小，光電流與強度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。1.2.光電池的特性參數(shù)204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm(2)光譜特性

光電池的光譜特性決定于材料。1——硒光電池2——硅光電池

硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，適宜測可見光。

硅光電池應用的范圍400nm—1100nm，峰值波長在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應用。1.2.光電池的特性參數(shù)(3)頻率特性

是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。

光電池PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。204060801000I/%1234512f/kHz1——硒光電池2——硅光電池硅光電池—較高的頻率響應硒光電池—較差的頻率響應光電池常用調(diào)制光輸入1.2.光電池的特性參數(shù)（4）溫度特性（通常的測試指標在室溫下進行）

是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。2004060904060UOC/mVT/oCISCUOCISC

/μA600400200UOC—開路電壓ISC—短路電流硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線

溫度影響光電池的溫度漂移作為測量元件時，最好保持溫度恒定，或采取補償措施。1.2.光電池的特性參數(shù)兩種典型應用（1）光伏器件—太陽能電池。

探索新能源、美—開普勒號（類地行星、生命跡象）目前太陽能電池成本不能與常規(guī)能源競爭成本會逐漸下降

電源：硅光電池組+鎳鎘蓄電池（2）光電轉(zhuǎn)換器件

靈敏度高、響應時間短、特殊制造工藝用于光電檢測和自動控制系統(tǒng)中1.3.光電池的應用三、光敏二極管和光敏三極管2CU系列：N-Si襯底、兩條引線2DU系列：P-Si襯底、三條引線硅光電二極管光電二極管1.光敏二極管

一個結(jié)面積小的PN結(jié)（光電池的結(jié)面積大）

頻率特性特好有硅、鍺、砷化鎵、銻化銦光電二極管等多種。

在電路中處于反向工作狀態(tài)光電池與光電二極管：書P35，上面一段文字PN光光敏二極管符號RL

光PN光敏二極管接線

1.光敏二極管★沒有光照射時（如同普通二極管反向）：

反向電阻很大，反向電流很小，光敏二極管為截止狀態(tài)；只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流，即暗電流；★受光照射時：

PN結(jié)吸收光子能量，產(chǎn)生電子-空穴對，使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加；在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入P區(qū)，使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，形成光電流。1.1.光敏二極管的工作原理

光敏二極管的光照特性（光電流I與照度）呈線性關(guān)系，適合檢測。PIN管結(jié)光電二極管結(jié)構(gòu)特點：

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I。P-SiN-SiI-SiPIN管結(jié)構(gòu)示意圖1.1.光敏二極管的工作原理特點：★頻帶寬，可達10GHz：

PN結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于I層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小，頻帶變寬?！?/p>

承受高反向電壓：

I層很厚，在反偏壓下可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬?！?/p>

輸出電流?。?/p>

I層電阻很大，管子的輸出電流小。1.1.光敏二極管的工作原理雪崩光電二極管(APD)

是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應的二極管。二極管反向擊穿：

可能造成PN結(jié)永久性損壞，不同型號二極管的反向擊穿電壓差別很大，從幾十伏到幾千伏，包括齊納擊穿、雪崩擊穿。

齊納擊穿指在高摻雜濃度的情況下，因勢壘區(qū)寬度很小，反向電壓較大時，破壞了勢壘區(qū)內(nèi)共價鍵結(jié)構(gòu)，使價電子脫離共價鍵束縛，產(chǎn)生電子-空穴對，致使電流急劇增大。

雪崩擊穿指反向電壓較大時，外加電場使電子漂移速度加快，從而與共價鍵中的價電子相碰撞，把價電子撞出共價鍵，產(chǎn)生新的電子-空穴對。新產(chǎn)生的電子-空穴被電場加速后又撞出其它價電子，載流子雪崩式地增加，致使電流急劇增加。特點：★工作電壓很高：

約100～200V，接近于反向擊穿電壓；★雪崩效應：

結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強，光生電子得到極大的加速，與晶格碰撞產(chǎn)生電離雪崩反應，內(nèi)增益很高，電流增益可達102~106

★

響應速度特別快：

帶寬可達100GHz，是目前響應速度最快的光電二極管?！镌肼暣?/p>

在光通信中應用前景廣闊雪崩光電二極管(APD)1.2.光敏二極管的基本特性（1）光譜特性

在入射度一定時，輸出的光電流（或相對靈敏度）隨光波波長的變化而變化。一種光敏二極管只對一定波長的入射光敏感。（2）伏安特性

在較低反向電壓下，光電流隨反向偏壓的變化較為明顯。1.2.光敏二極管的基本特性（3）光照特性1.2.光敏二極管的基本特性（4）溫度特性

溫度變化對光敏二極管輸出電流影響較小,但對暗電流的影響卻十分顯著.1.2.光敏二極管的基本特性光敏二極管陣列

將光敏二極管以線列或面陣形式集合在一起，用來同時探測多個不同光信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號的器件。類型：

有兩種：PNP型和NPN型。結(jié)構(gòu)：

與一般三極管很相似，具有電流增益；基極不接引線；PPNNNPeb

bcRLEec2.光敏三極管原理：★常態(tài)：

集電極加正電壓，基極開路，集電極處于反向偏置狀態(tài)?！锕庹諘r：

光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時，產(chǎn)生電子-空穴對，在內(nèi)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，集電極電流為光電流的β倍。2.1.光敏三極管的工作原理最佳靈敏度的波長（1）光譜特性相對靈敏度/%硅鍺入射光λ/?4000800012000160001008060402002.2.光敏三極管的主要特性當入射光波長增加時：相對靈敏度下降。因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對。當入射光波長縮短時：

相對靈敏度也下降，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(jié)，因而使相對靈敏度下降。相對靈敏度/%硅鍺入射光λ/?4000800012000160001008060402002.2.光敏三極管的主要特性相對靈敏度/%硅鍺入射光λ/?400080001200016000100806040200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；★在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般選用硅管；★對紅外線進行探測時，則采用鍺管較合適。2.2.光敏三極管的主要特性0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶體管的伏安特性（2）伏安特性

光敏三極管在不同照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同基極電流時的輸出特性一樣。將入射光產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。光敏三極管把光信號變成電信號，且輸出的電信號較大。U/V2.2.光敏三極管的主要特性光敏晶體管的光照特性（3）光照特性

是輸出電流I和照度之間的關(guān)系；★光電三極管的線性度比光電二極管要差；★光電流和靈敏度比光電二極管大幾十倍；★在弱光時靈敏度低些，強光時出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。2.2.光敏三極管的主要特性暗電流/mA光電流/mA10203040506070T/oC2505010002003004001020304050607080T/oC光敏晶體管的溫度特性（4）溫度特性

是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系；溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大；電子線路中應該對暗電流進行溫度補償。2.2.光敏三極管的主要特性（5）頻率特性

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。光敏三極管的頻率響應比光敏二極管差。0100100050050001000020406010080RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ入射光調(diào)制頻率/HZ相對靈敏度/%圖光敏晶體管的頻率特性2.2.光敏三極管的主要特性四、光電管真空光電管：真空（防止氧化）充氣光電管：充低壓惰性氣體光電管典型結(jié)構(gòu)：

球形玻璃殼(真空、低壓惰性氣體)

內(nèi)半球面上涂一層光電材料作為陰極球心放置小球形或小環(huán)形金屬作為陽極

基于外光電效應，將微弱光信號轉(zhuǎn)換成電信號的光電器件。通常應用于自動控制、光度學測量和強度調(diào)制光的檢測。陽極材料：金屬陰極材料：堿金屬、汞、金、銀等堿金屬：指的是元素周期表ⅠA族的金屬元素：鋰、鈉、鉀等，是金屬性很強的元素，表現(xiàn)出較強的導電、導熱性。四、光電管★K為陰極，內(nèi)表面涂有感光層（光電發(fā)射材料）

?！?/p>

A為陽極，呈圓環(huán)形或網(wǎng)形（金屬）?！锕庹赵陉帢O上，從陰極層發(fā)射光電子至真空。★在正向電場作用下，光電子在極間作加速運動，最后被高電位的陽極接收。結(jié)構(gòu)和工作原理：光電管結(jié)構(gòu)示意圖AK★

在陽極電路可測出光電流，飽和電流與入射光強度有嚴格比例關(guān)系。IΦU0RLE光電管測量電路圖四、光電管特點：

光電陰極面積增大，靈敏度提高。缺點：

體積比較大、工作電壓高達百伏到數(shù)百伏、玻殼容易破碎。逐漸被固體光電器件取代。IΦU0RLE光電管測量電路圖四、光電管（1）伏安特性光照射在光電管的光陰極上能夠激發(fā)出能量不同的電子。陽極電壓低時，只有能量高的電子能夠到達陽極，升高陽極電壓使低能量的電子也能到達陽極。所以曲線低端，陽極電壓越高，光電管的輸出電流越大。根據(jù)愛因斯坦光量子假說，一個光子的能量只能傳給一個電子。當光照強度（光通量）一定時，光子的總數(shù)就是一定的，所能夠激發(fā)的電子總數(shù)就是一定的，當陽極電壓升高到一定值后，所有被激發(fā)出的電子都到達了陽極，再升高陽極電壓也不會有更多的光電子到達陽極。所以陽極電壓到達一定值后，電流達到飽和。此時若要增加光電流，只能增加光通量（增加光子的數(shù)量）。四、光電管（2）光電管的光譜特性一般對于不同光電陰極材料的光電管，它們有不同的哄限頻率。因此他們可用于不同的光譜范圍。而且，同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同。四、光電管（3）光電管的光照特性四、光電管當光電管的陽極和陰極之間所加的電壓一定是，光通量與光電流之間的關(guān)系稱為光電管的光照特性。曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流與光通量成線性關(guān)系；曲線2表示銻銫陰極的光電管光照特性，它呈非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度。靈敏度很高，把微弱光信號轉(zhuǎn)變成電信號，進行放大。

使光電子數(shù)目得到成倍放大，放大倍數(shù)可達