半導(dǎo)體光電檢測(cè)器件課件

半導(dǎo)體光電檢測(cè)器件第一節(jié)光敏電阻原理及結(jié)構(gòu)特性參數(shù)特點(diǎn)典型電路一、原理及結(jié)構(gòu)1、原理：光敏電阻阻值對(duì)光照特別敏感，是一種典型的利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電探測(cè)器件。對(duì)于本征型，可用來(lái)檢測(cè)可見(jiàn)光和近紅外輻射對(duì)于非本征型可以檢測(cè)波長(zhǎng)很長(zhǎng)的輻射2、結(jié)構(gòu)：組成：它由一塊涂在絕緣基底上的光電導(dǎo)材料薄膜和兩端接有兩個(gè)引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。電極和光電導(dǎo)體之間呈歐姆接觸。三種形式⑴梳狀式玻璃基底上蒸鍍梳狀金屬膜而制成；或在玻璃基底上面蝕刻成互相交叉的梳狀槽，在槽內(nèi)填入黃金或石墨等導(dǎo)電物質(zhì)，在表面再敷上一層光敏材料。如圖所示。絕緣基底光電導(dǎo)體膜⑵刻線式在玻璃基片上鍍制一層薄的金屬箔，將其刻劃成柵狀槽，然后在槽內(nèi)填入光敏電阻材料層后制成。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。注意：與梳狀式的區(qū)別⑶涂膜式在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。其結(jié)構(gòu)如右下圖所示。2、光敏電阻在電路中的符號(hào)二、特性參數(shù)1、光電流及增益無(wú)光照時(shí)流過(guò)器件的電流稱暗電流，由入射光引起的稱光電流。

增益可理解為：樣品中每產(chǎn)生一個(gè)光生載流子所構(gòu)成的流入外電路的載流子數(shù)。

若G>1,即單位時(shí)間流過(guò)器件的電荷數(shù)大于器件內(nèi)光激發(fā)的電荷，從而使電流得到放大。增益系數(shù)：光電流與入射光引起的單位時(shí)間電荷量的比值。由上式可知：①、減小樣品長(zhǎng)度可以大大提高增益；②、增加載流子的壽命也可提高增益。光敏面作成蛇形，電極作成梳狀是因?yàn)檫@樣即可以保證有較大的受光表面，也可以減小電極之間距離，從而既可減小極間電子渡越時(shí)間，也有利于提高靈敏度。2.光電導(dǎo)靈敏度定義為光電導(dǎo)與輸入光照度E之比。

：光電導(dǎo)（西門(mén)子S）

E

：照度（勒克斯lx）：入射通量（流明lm)注意：靈敏度與光電增益的區(qū)別（1）靈敏度是光電導(dǎo)體在光照下產(chǎn)生光電導(dǎo)能力的大小。（2）增益指在工作狀態(tài)下，各參數(shù)對(duì)光電導(dǎo)效應(yīng)的增強(qiáng)能力。材料特性結(jié)構(gòu)參數(shù)3、光電特性：光電流與照度的關(guān)系：：光照指數(shù)：電壓指數(shù)由圖可知：（1）弱光時(shí)，與照度成線性關(guān)系即得（2)強(qiáng)光時(shí)，光電流與照度成拋物線，即得強(qiáng)光照下光電特性的分析：光照增強(qiáng)的同時(shí)，載流子濃度不斷的增加，同時(shí)光敏電阻的溫度也在升高，從而導(dǎo)致載流子運(yùn)動(dòng)加劇，因此復(fù)合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢(shì)。（冷卻可以改善）4、伏安特性：在一定的光照下，光電流與所加電壓的關(guān)系

一定的光照下，與電壓的關(guān)系;

相同的電壓下，與光照的關(guān)系

說(shuō)明：（1)光敏電阻為純電阻，符合歐姆定律，對(duì)多數(shù)半導(dǎo)體，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)（強(qiáng)光時(shí)），不遵守歐姆定律。硫化鎘例外，其伏安特性在100多伏就不成線性了。（2）光照使光敏電阻發(fā)熱，使得在額定功耗內(nèi)工作，其最高使用電壓由其耗散功率所決定，而功耗功率又和其面積大小、散熱情況有關(guān)。（3）伏安特性曲線和負(fù)載線的交點(diǎn)即為光敏電阻的工作點(diǎn)。5、溫度特性：溫度的變化，引起溫度噪聲，導(dǎo)致其靈敏度、光照特性、響應(yīng)率等都發(fā)生變化。為了提高靈敏度，必須采用冷卻裝置，尤其是雜質(zhì)型半導(dǎo)體受溫度影響更明顯。6．前歷效應(yīng)

指光敏電阻的時(shí)間特性與工作前“歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。即測(cè)試前光敏電阻所處狀態(tài)對(duì)光敏電阻特性的影響。

暗態(tài)前歷效應(yīng)：指光敏電阻測(cè)試或工作前處于暗態(tài)，當(dāng)它突然受到光照后光電流上升的越慢程度。一般，工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應(yīng)就越重。1-黑暗放置3分鐘后

2-黑暗放置60分鐘后

3-黑暗放置24小時(shí)后亮態(tài)前歷效應(yīng)：光敏電阻測(cè)試或工作前已處于亮態(tài)，當(dāng)照度與工作時(shí)所要達(dá)到的照度不同時(shí)，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象。其效應(yīng)曲線如下圖所示。7、暗電阻和暗電流：光敏電阻在黑暗時(shí)的阻值稱為暗電阻，一般情況下，暗電阻都大于10兆，受光照時(shí)的阻值稱為亮阻。暗阻與亮阻的比值也可作為衡量靈敏度的高低，比值越大，靈敏度越高。8、時(shí)間頻率響應(yīng)：時(shí)間特性與光照度、工作溫度有明顯的依賴關(guān)系。9、噪聲特性：熱噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲、噪聲與調(diào)制頻率的關(guān)系如下所示：（1)紅外：減小溫漂，使信號(hào)放大，可調(diào)制較高的（2）制冷可降低熱噪聲（3）恰當(dāng)?shù)钠秒娐罚墒剐旁氡茸畲?0、光譜特性：相對(duì)靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系

可見(jiàn)光區(qū)光敏電阻的光譜特性光譜特性曲線覆蓋了整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)，峰值波長(zhǎng)在515～600nm之間。尤其硫化鎘的峰值波長(zhǎng)與人眼的很敏感的峰值波長(zhǎng)（555nm）是很接近的，因此可用于與人眼有關(guān)的儀器，例如照相機(jī)、照度計(jì)、光度計(jì)等。

紅外區(qū)光敏電阻的光譜特性注明：此特性與所用材料的光譜響應(yīng)、制造工藝、摻雜濃度和使用的環(huán)境溫度有關(guān)。三、光敏電阻的特點(diǎn)1、優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，光電導(dǎo)增益大于1，工作電流大，無(wú)極性之分光譜響應(yīng)范圍寬，尤其對(duì)紅外有較高的靈敏度所測(cè)光強(qiáng)范圍寬，可測(cè)強(qiáng)光、弱光2、不足：強(qiáng)光下光電轉(zhuǎn)換線性差光電導(dǎo)弛豫時(shí)間長(zhǎng)受溫度影響大由伏安特性知，設(shè)計(jì)負(fù)載時(shí)，應(yīng)考慮額定功耗進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮光敏電阻的前歷效應(yīng)四、光敏電阻的電路1、基本偏置電路：（1）第一種：

將第一種電路中的與互換位置，即另一種偏置電路。（2）分析兩種情況下輸出電壓的變化：（3）和電源的選取原則：

a.光通量連續(xù)變化時(shí)，

b.光通量跳躍變化時(shí)，

c.，為最大允許功耗2、恒流、恒壓偏置電路：（1）恒流偏置電路：采用穩(wěn)壓管D,故不變，所以不變，因此也不變。（2）恒壓偏置電路：同樣不變，故不變，由于減小，故增大。導(dǎo)致變化。而輸出電壓不變。第二節(jié)光電池光電池是一種利用光生伏特效應(yīng)制成的不需加偏壓就能將光能轉(zhuǎn)化成電能的光電器件。簡(jiǎn)單的說(shuō)，其本質(zhì)就是一個(gè)PN結(jié)。表示電子表示空穴（一）結(jié)構(gòu)原理1、金屬-半導(dǎo)體接觸型（硒光電池）

2、PN結(jié)型結(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)。（1）按基底材料不同分2DR（P型Si為基底）

2CR（N型Si為基底）注意：1、上、下電極區(qū)分2、上電極柵指狀目的3、受光表面涂保護(hù)膜的目的（2）、按用途陣列式：分立的受光面象限式：參數(shù)相同的獨(dú)立光電池硅藍(lán)光電池：PN結(jié)距受光面很近

陣列式象限式

（二）分類(lèi)按用途太陽(yáng)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(jué)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600nm（三）符號(hào)及電路

符號(hào)連接電路等效電路（四）特性參數(shù)1、光照特性：2、輸出電流與負(fù)載大小的關(guān)系：3、伏安特性：光電流與電壓的關(guān)系：4、VLS、ILS

、

PL與負(fù)載RL的關(guān)系：據(jù)伏安特性先求負(fù)載線，再求負(fù)載功率；據(jù)開(kāi)路電壓、短路電流求最佳負(fù)載線5、光譜特性：電路電流隨波長(zhǎng)變化情況取決于所用材料與工藝6、溫度特性：（五）應(yīng)用1、光電池用作太陽(yáng)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(wú)輸電線路地區(qū)的電源供給。2、光電池用作檢測(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(kāi)關(guān)和線性測(cè)量等。第三節(jié)光敏二極管1、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)：（1）受光面大，PN結(jié)面積更大，PN結(jié)深度較淺（2）表面有防反射的SiO2保護(hù)層（3）外加負(fù)偏壓2、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)：（1）結(jié)面積比光電池的小，頻率特性好（2）光生電勢(shì)與光電池相同，但電流比光電池?。?）可在零偏壓下工作，更常在反偏壓下工作3、性能參數(shù)光照下PN結(jié)電壓與光電流之間關(guān)系（1）伏安特性：反向偏壓與光電流之間的關(guān)系（2）光照特性：光電流與照度的關(guān)系

15V反向偏壓時(shí)的光照特性曲線

（3）、光譜特性

影響因素：材料：禁帶寬度設(shè)計(jì)工藝：PN結(jié)深度及表面處理（4）暗電流與噪聲：在直流偏壓下，暗電流是噪聲的主要來(lái)源；暗電流主要包括反向飽和電流，勢(shì)壘區(qū)的復(fù)合（或產(chǎn)生）電流以及表面漏電流。

環(huán)極的作用是：克制由于SiO2保護(hù)膜中的雜質(zhì)正離子靜電感應(yīng)。（5）頻率特性：是半導(dǎo)體光電器件中最好的一種，與下列因素有關(guān)：結(jié)電容（小于20μμF)和雜散電容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)間要提高頻率響應(yīng)必須做到以下幾點(diǎn)：1、合理的結(jié)面積（小的結(jié)面積可使Cj減小，但相同光照下，光電流也較?。?；2、盡可能大的耗盡層厚度；3、適當(dāng)加大使用電壓；4、減小結(jié)構(gòu)所造成的分布電容。4、電路：光敏二極管的輸出電路及等效電路：由等效圖可知：計(jì)算上限頻率5、光敏二極管的分類(lèi)按材料硅光敏二極管鍺光敏二極管化合物光敏二極管按結(jié)特性：

PN結(jié)（擴(kuò)散層、耗盡層）、PIN結(jié)、異質(zhì)結(jié)、肖特基結(jié)6、幾種常見(jiàn)的光敏二極管（1）肖特基結(jié)光敏二極管：光敏面小，勢(shì)壘電容小，響應(yīng)快，但工藝?yán)щy。（2）擴(kuò)散層PN結(jié)光敏二極管：耗盡層厚度小于結(jié)的任一邊的擴(kuò)散長(zhǎng)度，工作區(qū)是結(jié)兩邊的擴(kuò)散區(qū)，光電流主要由擴(kuò)散流引起。(3)耗盡層型PN結(jié)光敏二極管：耗盡層厚度大于結(jié)的任一邊的擴(kuò)散長(zhǎng)度，光電轉(zhuǎn)換主要在耗盡層內(nèi)，光電流主要由漂移電流引起的。有很高的頻率響應(yīng)。（4）PIN型（2DUL型）光電二極管

PIN管結(jié)構(gòu)示意圖在P、N型之間加進(jìn)了較厚的本征半導(dǎo)體I型層，內(nèi)電場(chǎng)基本上集中于I層上，PN結(jié)間距拉大，結(jié)電容變??；提高響應(yīng)速度；由于耗盡層變寬，從而展寬了光電轉(zhuǎn)換的有效工作范圍；增加了吸收層厚度，改善了對(duì)長(zhǎng)波光的吸收，提高了靈敏度，增大了長(zhǎng)波響應(yīng)率。

（5）雪崩型光電二極管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。工作過(guò)程：初始的載流子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下獲得很大的動(dòng)能，其在高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程總與晶體的晶格碰撞，產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，稱為碰撞電離過(guò)程。此過(guò)程