光電轉(zhuǎn)換模塊

1、光電轉(zhuǎn)換模塊3.2.1 光伏探測器的分類（1）光電池光電池是一種無需外加偏壓就能將光能轉(zhuǎn)換成電能的光伏探測器。光電池可 以分為兩大類：太陽能光電池和測量光電池。太陽能光電池主要用作電源，對它 的要求是轉(zhuǎn)換效率高、成本低，由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、可靠性 高、壽命長、在空間能直接利用太陽能轉(zhuǎn)換電能的特點，因而不僅僅成為航天工 業(yè)上的重要電源，還被廣泛地應(yīng)用于供電困難的場所和人們?nèi)粘Ｉ钪?。測量光 電池的主要應(yīng)用時作為光電探測用，即在不加偏置的情況下將光信號轉(zhuǎn)換成電信 號，對它的要求是線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性好、壽命長， 被廣泛應(yīng)用在光度、色度、光學(xué)精密計量和測驗試中。

2、光電池是用單晶硅組成的，在一塊 N 型硅片上擴散 P 型雜質(zhì)，形成一個擴 散p+n結(jié)；或在P型硅片擴散N型雜質(zhì)，形成加p結(jié)，在焊上兩個電極。P端為 光電池正極，N端為負極，一般在地面上應(yīng)用作光電探測器的多為p+n型。n+P 型硅光電池具有較強的抗輻射能力，適合空間應(yīng)用，作為航天的太陽能電池。（2）光電二極管隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，光信號在探測靈敏度、光譜響應(yīng)范圍及頻率特性等 方面要求越來越高。光電二極管的工作原理同光電池一樣，都是基于 P-N 結(jié)的 光伏效應(yīng)工作的。但是，它與光電池相比有所不同：摻雜濃度較低，電阻率較高， 結(jié)區(qū)面積小，通常多工作于反偏置狀態(tài)。因此，光電二極管的內(nèi)建電場很強，結(jié) 區(qū)

3、較厚，結(jié)電容小，因而頻率特性比光電池好，但其光電流比光電池肖達多，一 般多為微安級。硅光二極管基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖 3 - 5 硅光二極管的結(jié)構(gòu)硅光二極管是一個大面積的光電二極管，它被設(shè)計用于把射到它表面的光轉(zhuǎn) 化為電能，因此，可用在光電探測器和光通信等領(lǐng)域。特點：當它照射光時會流 過大致與光量成正比的光電流. 用途：1.作傳感器用時,可廣泛用于光量測定和視 覺信息,位置信息的測定等 . 2.作通信用時,廣泛用于紅外線遙控之類的光空間通 信,光纖通信等. 3.紫藍硅光電池是用于各種光學(xué)儀器，如分光光度計、比色度計、 白度計、亮度計、色度計、光功率計、火焰檢測器、色彩放大機等的半導(dǎo)體光接 收器

4、；紫藍硅光電池具有光電倍增管，光電管無法比擬的寬光譜響應(yīng)，它特別適 用于工作在 300nm-1000nm 光譜范圍的各種光學(xué)儀器對紫藍光有較高的靈敏度、 器件體積小、性能穩(wěn)定可靠，電路設(shè)計簡單靈活，是光電管的更新?lián)Q代產(chǎn)品。目 前也有可以使用到 190-1100nm 的產(chǎn)品,但紫外能量弱一些,光譜帶寬不能太小,已 經(jīng)有很多廠家在紫外可見分光光度計上用了。（3）其它光電二極管A、PIN 光電二極管在 P-N 結(jié)之間加一本征層（ I 層）,這種器件稱為 PIN 光電二極管，又稱耗盡 層型光電二極管。只要適當控制本征層厚度，使它近似等于反偏壓下耗盡層寬度， 就可以使相應(yīng)波長范圍和頻率相應(yīng)得到改善。PI

5、N硅光電二極管使常用的耗盡層 光伏探測器。它是采用高阻純硅材料及離子漂移技術(shù)形成一個沒有雜質(zhì)的本征層 厚度為 500 m 左右其結(jié)構(gòu)如下：為了更好的使用方便及更好發(fā)揮光電二極管在系統(tǒng)中的最佳性能，設(shè)計和制 作 PIN - FET 微型組件是發(fā)展趨勢。這種器件是含有小面積、小電容的光電二極 管與高輸入阻抗的場效益管前置放大器組合體，其中所有引線長度及雜散電容都 做得非常小。由于電容小，輸入阻抗高，可以大大降低熱噪聲，這種組件還具 有供電電壓低，工作十分穩(wěn)定，使用方便的特點。PIN光電二極管的上述優(yōu)點， 使它在光通信、光雷達及其它要求快速光電自動控制系統(tǒng)中得到非常廣泛的應(yīng)用B、雪崩光電二極管（AP

6、D）普通的硅光電二極管和 PIN 光電二極管是沒有內(nèi)增益的光伏探測器，而在 光探測器系統(tǒng)中的實際應(yīng)用中，大多是對微光信號進行探測，采用具有內(nèi)增益的 光探測器將有助于對微弱光信號的探測。雪崩光電二極管是具有內(nèi)增益的光伏探 測器，它是利用光生載流子在高電場區(qū)內(nèi)的雪崩效應(yīng)而獲得光電流增益的，它具 有靈敏度高，相應(yīng)快等優(yōu)點。用于制作雪崩二極管的材料主要是硅和鍺，實際的器件具有極短的響應(yīng)時 間，即數(shù)以千兆的相應(yīng)頻率，高達102103的增益，所以在光纖通訊、激光測距、 激光雷達和光纖傳感器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與 PIN 光電二極管比較，在 同樣負載條件下，前者具有高靈敏度。由于具有內(nèi)增益可以大大降低對

7、前置放大 器的要求，但需要上百伏的工作電壓。此外，雪崩光電二極管的性能與入射光功 率有關(guān)，通常當入射光功率在1 nW至幾個卩W時，倍增電流與入射光具有較好 的線性關(guān)系，但入射光功率過大，倍增系數(shù) M 反而會降低，從而引起光電流的 畸變。測量表明，只有當入射光功率 1-5W時光電流二次諧波畸變才小于60dB。因此，在實際探測系統(tǒng)中，當入射光功率較小時，多采用APD,此時， 雪崩增益引起的噪聲貢獻不大。相反，在入射光功率較大時，雪崩增益引起的噪 聲占主要優(yōu)勢，并可能帶來光電流失真，這時采用 APD 帶來的好處不大，采用 PIN 管更為恰當。因此，在具體使用中兩種器件各具特點，應(yīng)視系統(tǒng)的要求來選 擇

8、。（4）光電三極管利用雪崩倍增效應(yīng)可獲得具有增益的半導(dǎo)體光電二極管（APD），而采用一 般晶體管放大原理，可得到另一種具有電流內(nèi)增益的光伏探測器，即光電三極管。 它與普通的雙極晶體管十分相似，都是有兩個十分靠近的 P-N 結(jié)發(fā)射結(jié)和集 電結(jié)構(gòu)成，并均具有電流放大作用。為了充分吸收光子，光電三極管則需要一個 較大的受光面，所以，它的響應(yīng)頻率遠低于光電二極管。光電三極管是一種相當于在基極和集電極之間接有光電二極管的普通三極 管，因此，結(jié)構(gòu)與一般晶體管相類似，但也有特殊地方。如圖所示，圖 e、b、c 分別表示光電三極管的發(fā)射極、基極和集電極。正常工作時保證基極集電極結(jié) （ b-c 結(jié)）為反偏壓狀態(tài)，

9、并作為受光結(jié)。光電三極管的工作有兩個過程：一個光電轉(zhuǎn)換；二是光電流放大。光電轉(zhuǎn) 換與一般光電二極管相同，當集電極加上相對發(fā)射極為正向電壓而基極開路時， 則基極集電極結(jié)處于反偏狀態(tài)。無光照時由于激發(fā)而產(chǎn)生的少數(shù)載流子，電阻 從基極進入集電極，空穴則從集電極移向基極，在外電路中有電流流過。當無光 照射基區(qū)時，在該區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對，光生電子在內(nèi)電場作用下漂移到集電極， 形成電流。與此同時，空穴則留在基區(qū)，使基極的電位升高，發(fā)射極便有大量的 電子經(jīng)基極流向集電極，總的集電極電流為I 二I +PI 二（1+B）I（3-12）c P P P1 1 1Illinn1 1 1Illinnp1 1 111 1

10、1 1IlliVa圖3-7光電三極管的結(jié)構(gòu)及工作原理3.2.2導(dǎo)引頭中光電探測器的選擇對于光電探測器的選擇，必須符合一些基本的條件，特別是激光制導(dǎo)系統(tǒng)， 有些條件就更為重要了，綜合考慮本文選擇使用用硅PIN光電二極管，具體考 慮因素以及原因如下：響應(yīng)快：光從P-N結(jié)的N側(cè)垂直入射，且穿透深度不超過結(jié)區(qū)，則光 電流主要是N區(qū)及結(jié)區(qū)光生空穴電流所成。N區(qū)光生空穴擴散至結(jié)區(qū)所需要的 時間與擴散長度和擴散系數(shù)有關(guān)。以N型硅為例，當空穴擴散距離為幾微米時， 則只需擴散時間約10 -9s。n噪聲低：光伏探測器的噪聲主要包括器件中光生電流的散粒噪聲、暗 電流噪聲和器件的熱噪聲，其均方噪聲電流i2為：N4kTAfi2 二 2qIAf +(3-13)NRd式中，I為流過PIN結(jié)的總電流，它與器件的工作及光照有關(guān)，R為器件d電阻，因反偏工作時R相當大，熱噪聲可忽略不計，故光電流和暗電流引起的d散粒噪聲是主要的，則式可表示為： 打=2q(I +1 )AfND s通過器件的電流只有熱激發(fā)暗電流ID。當器件在零偏置時，流過P-N結(jié)的 電流包含正向和反向的暗電流I+與I-。它們對總電流的貢獻為零，而對噪聲的DD貢獻是疊加的，則均方噪聲電流為：i2 二 2q(I+ +1-)Af(3-14