光電子器件_第二章結(jié)型光電探測器

1、第2章 結(jié)型光電探測器2.1、光伏效應(yīng)、光伏效應(yīng)光伏現(xiàn)象光伏現(xiàn)象半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料的“結(jié)結(jié)”效應(yīng)效應(yīng) 例如：例如：雪崩二極管雪崩二極管光照光照零偏零偏pn結(jié)產(chǎn)生開路電壓的效應(yīng)結(jié)產(chǎn)生開路電壓的效應(yīng)光照光照反偏反偏1/0TkeusdBeiieVEmi24. 1光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)光電池光電池光電信號是光電流光電信號是光電流 結(jié)型光電探測結(jié)型光電探測器的工作原理器的工作原理光電二極管光電二極管 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(zhuǎn)換成電能的PN結(jié)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(fù)載提供電源，對它的要求主要是光電轉(zhuǎn)

2、換效率高、成本低。由于它具有結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)合適、穩(wěn)定性高、壽命長等。它常被應(yīng)用在光度、色度、光學(xué)精密計量和測試設(shè)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(zhuǎn)變?yōu)殡妱觿?，實際為電壓源 結(jié)構(gòu)和工作原理硼擴(kuò)散

3、層P型電極N型硅片P-N結(jié)電極I光電池的結(jié)構(gòu)原理圖2SiO膜 PN LR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(jié)構(gòu)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(kuò)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(nèi)電阻。2. 硅光電池工作原理 如圖3-10所示，當(dāng)光作用于PN結(jié)時，耗盡區(qū)內(nèi)的光生電子與空穴在

4、內(nèi)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(chǎn)生如圖所示的輸出電流IL，且負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生電壓降為U。顯然，PN結(jié)獲得的偏置電壓U與光電池輸出電流IL與負(fù)載電阻RL有關(guān)，即 U=ILRL （3-16） 當(dāng)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(fù)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(yīng)包括光生電流IP、擴(kuò)散電流與暗電流等三部分，即 1)(eKTqdPLLuIII/1qu KTLSOIIIe0ln1LSOIKTocqIV 光電池的輸出短路電流 無光照時PN結(jié)反向飽和電流電子電量玻爾茲曼常

5、數(shù)熱力學(xué)溫度光電池開路輸出電壓0qKTocVSOILIOCUmV0.60.40.2400020000204060801000.81.0LIm AGe光電池光電特性1.光電特性 LImA0.60200040000.21002003000.4 OCUVSi光電池光電特性A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(zhuǎn)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(zhuǎn)

6、換效率，記為。當(dāng)負(fù)載電阻為最佳負(fù)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(zhuǎn)換效率，記為m。 顯然，光電池的最大光電轉(zhuǎn)換效率m為 0e,0d-e,ocemmdhc)de-(10.7)q(0.6UP式中是于材料有關(guān)的光譜光電轉(zhuǎn)換效率，表明光電池的最大光電轉(zhuǎn)換效率與入射光的波長及材料的性質(zhì)有關(guān)。 （3-24） 外形光變化電流變化光電轉(zhuǎn)換器光敏特性或光 輸 入-+UR輸 出 （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有光有光光電接收二極管光電接收二極管反偏反偏狀態(tài)狀態(tài)光電流（恒流）光電流（恒流）光電流與照

7、度線性關(guān)光電流與照度線性關(guān)系系無光無光暗電流暗電流pLII2211pLII212.4 其他類型的光生伏特器件 PIN型光電二極管 為了提高PN結(jié)硅光電二極管的時間響應(yīng)，消除在PN結(jié)外光生載流子的擴(kuò)散運動時間，常采用在P區(qū)與N區(qū)之間生成I型層，構(gòu)成如圖3-6（a）所示的PIN結(jié)構(gòu)光電二極管，PIN結(jié)構(gòu)的光電二極管與PN結(jié)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(kuò)展到整個半導(dǎo)體，光生載流子只產(chǎn)生漂移電流，因此， 它的時間響應(yīng)只取決于 與 ，在10-9s左右。 drdrRC PNI 導(dǎo)帶 信號光 PIN光電二級管P型層很薄使光子很快進(jìn)入I

8、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(chǎn)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(jié)電容CJ，提高了量子效率漂移時間約為 相當(dāng)于f=KMHz最大特點：頻帶寬，可達(dá)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(guān)系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結(jié)電容要進(jìn)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(nèi)的商品出售。 PIN硅光電二極管PIN光電二極管光電

9、轉(zhuǎn)換雪崩二極管 雪崩光電二極管 PIN光電二極管提高了PN結(jié)光電二極管的時間響應(yīng)，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(shè)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(jié)構(gòu) 圖3-7（a）所示為在P型硅基片上擴(kuò)散雜質(zhì)濃度大的N+層，制成P型N結(jié)構(gòu)； 圖3-7（b）所示為在N型硅基片上擴(kuò)散雜質(zhì)濃度大的P+層，制成N型P結(jié)構(gòu)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(kuò)展到整個PN結(jié)結(jié)區(qū)，形成自身保護(hù)（具有很強(qiáng)的抗擊穿功能），因此，雪崩光電二極管不必設(shè)置保護(hù)環(huán)。 市場上的型雪崩

10、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（雪崩式光電二極管（APDAPD）在PN結(jié)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(dāng)光入射到PN結(jié)時， 光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對。如果電壓增加到使電場達(dá)到200 kV/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(chǎn)生新的電子-空穴對。 新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增，偏壓輸出端價帶導(dǎo)帶信號光信號光電極電極P+ P N雪崩光敏二級管（APD）0IMIM0IPN類似光電倍增管，具有內(nèi)部電流增

11、益I雪崩倍增光電流無雪崩倍增時的反向飽和電流倍增因子11dBMVVVBVd外加電壓擊穿電壓常數(shù)，約為13 2.工作原理 雪崩光電二極管為具有內(nèi)增益的一種光生伏特器件。它利用光生載流子在強(qiáng)電場內(nèi)的定向運動，產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)獲得光電流的增益。 電離產(chǎn)生的載流子數(shù)遠(yuǎn)大于光激發(fā)產(chǎn)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 0IIM （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(guān)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(chǎn)生的電子空穴對數(shù)目。實際上電子電離率和空穴電離率 是不完全一樣的，它們都與電場強(qiáng)

12、度有密切關(guān)系。由實驗確定，電離率與電場強(qiáng)度E可以近似的寫成以下關(guān)系 npm)Eb( -Ae（3-10） 式中,A、b、m都為與材料有關(guān)系數(shù)。 假定=時，可以推導(dǎo)出倍增系數(shù)與電離率的關(guān)系為 npDx0d11MxDx0d11Mx（3-11） XD為耗盡層的寬度。上式表明，當(dāng) 1dDx0 x（3-12） 在強(qiáng)電場作用下，當(dāng)通過耗盡區(qū)的每個載流子平均能產(chǎn)生一對電子空穴時，就發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)象。當(dāng)M時，PN結(jié)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(jīng)驗公式近似表示 nBR)/(11UUM 從圖3-8所示的伏-安特性

13、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(dāng)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(jī)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(dāng)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。 fqIMIn2n2（3-15） 式中指數(shù)n與雪崩光電二極管的材料有關(guān)。對于鍺管，n=3；對于硅管為2.3n2.5。 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

14、極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。 這種管子工作電壓很高，約100200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強(qiáng)，光生電子在這種強(qiáng)電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的雪崩。這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)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(yīng)是隨機(jī)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(yīng)時間極短，靈敏度

15、很高，它在光通信中應(yīng)用前景廣闊。 2.5 2.5 光敏三極管光敏三極管光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，如圖。其結(jié)構(gòu)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(kuò)大光的照射面積,且其基極不接引線。當(dāng)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(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時,會產(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,且集電極電流為光電流的倍。 PPNNNPe b bc RL Eec基區(qū)很薄，基區(qū)很薄，基極一般不基極一般不接引線；接引線；集電極面積集電極面積較大。較大

16、。 2.5 光電三極管 光電三極管與普通半導(dǎo)體三極管一樣有兩種基本結(jié)構(gòu)，NPN結(jié)構(gòu)與PNP結(jié)構(gòu)。用N型硅材料為襯底制作的 NPN結(jié)構(gòu)，稱為 3DU型；用P型硅材料為襯底制作的稱為PNP結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換；二是光電流放大。 集電極輸出的電流為 PC1IIIe (3-25) 光電三極管的電流靈敏度是光電二極管的倍。相當(dāng)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

17、Ip被三極管放大倍。 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(gòu)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(gòu)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(jié)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(gòu)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

18、論光照度有多強(qiáng)，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(jié)處于正向偏置，而集電結(jié)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，并且，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(dāng)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(dāng)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(dǎo)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(dá)PN結(jié)，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/40008000120001600010080604020 0硅的峰值波長為硅的峰值波長為9000，鍺的峰值波長為鍺的峰值波長為15000。由于鍺管的暗電流比硅管由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測赤熱狀故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般選用硅管；態(tài)物體時，一般選用硅管；但對紅外線進(jìn)行探測時但對紅外線進(jìn)行探測時,則則采用鍺管較合適。采用鍺管較合適。光敏晶體管的光照特性I / AL/lx20040060080010