第三章 半導(dǎo)體光電檢測器件及應(yīng)用二

第三章半導(dǎo)體光電檢測器件及應(yīng)用

光生伏特器件寧波工程學(xué)院電信學(xué)院

丁志群制光電子器件》光生伏特效應(yīng)是少數(shù)載流子導(dǎo)電的光電效應(yīng)，具有暗電流小，噪聲低，響應(yīng)速度快、光電特性的線性受溫度的影響小等特點。本章要點：了解與掌握典型光生伏特器件的原理，特性，偏置電路與實際應(yīng)用。

《光電信號檢測》3.2光生伏特器件3.2.1光電池3.2.2光電二極管3.2.3PIN型光敏二極管3.2.4雪崩光敏二極管3.2.5光敏晶體管3.2.6光伏器件組合器件3.2.7光電位置探測器

3.2.8光電開關(guān)與光電耦合器件3.3光生伏特器件的特性

《光電信號檢測》利用半導(dǎo)體PN結(jié)光伏效應(yīng)制成的器件稱為光伏器件，也稱結(jié)型光電器件。這類器件品種很多，其中包括各種光電池、光電二極管、光電晶體管、光電場效應(yīng)管、PIN管、雪崩光電二極管、光可控硅、陣列式光電器件、象限式光電器件、位置敏感探測器（PSD）、光電耦合器件等。3.2光生伏特器件

《光電信號檢測》4.1.1光電池光電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個PN結(jié)。按材料分，有硅、硒、硫化鎘、砷化鎵和無定型材料的光電池等。按結(jié)構(gòu)分，有同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)光電池等。

光電池中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電池。國產(chǎn)同質(zhì)結(jié)硅光電池因襯底材料導(dǎo)電類型不同而分成2CR系列和2DR系列兩種。

《光電信號檢測》硅光電池結(jié)構(gòu)示意圖

《光電信號檢測》2CR系列硅光電池是以N型硅為襯底，P型硅為受光面的光電池。受光面上的電極稱為前極或上電極，為了減少遮光，前極多作成梳狀。襯底方面的電極稱為后極或下電極。為了減少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2，Si3N4，SiO2－MgF2等材料的防反射膜，同時也可以起到防潮，防腐蝕的保護(hù)作用。

《光電信號檢測》光電池在光照下能夠產(chǎn)生光生電勢，光電流實際流動方向為，從P端流出，經(jīng)過外電路，流入N端，光生電勢與照度是對數(shù)關(guān)系。當(dāng)光電池短路時，短路電流Isc與照度E成線性關(guān)系，S＝Isc/E稱為靈敏度。

《光電信號檢測》硅光電池的伏安特性曲線

在一定的照度下，曲線在橫軸的截距，代表該照度下的開路電壓Uoc。曲線在縱軸的截距，代表該照度下的短路電流Isc。硅光電池的Uoc一般為0.45～0.6V，最大不超過0.756v，因為它不能大于PN結(jié)熱平衡時的接觸電勢差。硅單晶光電池短路電流為35～40mA/cm2。

《光電信號檢測》幾種國產(chǎn)硅光電池的特性

《光電信號檢測》

《光電信號檢測》三種基本的光伏器件輸入電路的型式a)無偏置電路

b)偏置電路

c)太陽能電池電路

其中上圖a是光伏器件直接和負(fù)載電阻連接的電路，稱作無偏置電路。在圖b的電路中，負(fù)載電阻上除串聯(lián)光伏器件外尚有與器件端電壓相反方向的偏置電源，組成反向偏置電路。圖c是作為能源變換器使用的太陽能電池充電電路。通常光電池多采用上圖a和c的電路，光電二極管多采用上圖b的電路。

《光電信號檢測》3.2.2光敏二極管光電二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個PN結(jié)。它和光電池相比，重要的不同點是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為數(shù)微安到數(shù)十微安。按材料分，光電二極管有硅、砷化稼、銻化銦、鈰化鉛光電二極管等許多種。按結(jié)構(gòu)分，也有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的還是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。國產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)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(shè)了一個環(huán)極。

《光電信號檢測》硅光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖

《光電信號檢測》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(zhì)，這些正離子在SiO2中是不能移動的，但是它們的靜電感應(yīng)卻可以使P-Si表面產(chǎn)生一個感應(yīng)電子層。這個電子層與N-Si的導(dǎo)電類型相同，可以使P-Si表面與N－Si連通起來。

《光電信號檢測》當(dāng)管子加反偏壓時，從前極流出的暗電子流，除了有PN結(jié)的反向漏電子流外，還有通過表面感應(yīng)電子層產(chǎn)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(shè)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(jīng)過負(fù)載即可達(dá)到電源的通路。這樣，即可達(dá)到減小流過負(fù)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。

《光電信號檢測》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(yīng)不會使N-Si表面產(chǎn)生一個和P-Si導(dǎo)電類型相同的導(dǎo)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。

《光電信號檢測》光電二極管的用法a)不加外電源

b)加反向外電源

c)2DU環(huán)極接法

《光電信號檢測》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(fù)載相接，零偏置。另一種是加反向電壓的反向偏置，如上圖所示。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?qū)щ娦?，而表現(xiàn)不出它的光電效應(yīng)由于多數(shù)場合光電二極管都是加反向電壓，所以其伏安特性曲線常畫成如下圖所示的形式。

《光電信號檢測》光電二極管的伏安特性曲線

a)轉(zhuǎn)到第l,II象限b）略去第II象限部分

《光電信號檢測》上圖的畫法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(zhuǎn)了一下，變?yōu)樯蠄D(a)。這里是以橫軸的正向代表負(fù)電壓，這樣處理對于以后的電路設(shè)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。

《光電信號檢測》微變等效電路與頻率特性：

在一定的照度下，光電二極管的伏安特性曲線幾乎是平直的，可把它看成是恒流源。下圖中圖a為實際電路；圖b為考慮到光電二極管結(jié)構(gòu)、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，Cj為結(jié)電容，Rsh為漏電阻，Rs為體電阻，RL為負(fù)載電阻；

《光電信號檢測》光電二極管的等效電路圖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Cj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(yīng)用時多用圖d和圖c兩種形式。

《光電信號檢測》流過負(fù)載的交變電流復(fù)振幅為IL＝Ip/(1+jωτ)ω：入射光的調(diào)制圓頻率，ω＝2πf，f為入射光的調(diào)制頻率。τ=CjRL

IL的模量為可見，IL是頻率的函數(shù)，隨著入射光調(diào)制頻率的增加而減小。當(dāng)ω=1/τ時，IL＝|Ip|/2*e-2，這時f=1/2πτ稱為上限截止頻率，或稱為帶寬。

《光電信號檢測》幾種國產(chǎn)2CU型硅光電二極管的特性

《光電信號檢測》幾種國產(chǎn)2DU型硅光電二極管的特性

《光電信號檢測》3.1.3PIN管

PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導(dǎo)體。這樣，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。由式τ=CjRL與f=1/2πτ知，Cj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(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。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(nèi)的商品出售。

《光電信號檢測》PIN管結(jié)構(gòu)示意圖

《光電信號檢測》3.2.4雪崩光電二極管(APD)雪崩光電二極管是利用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100～200V，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)生所謂的自持雪崩。這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，足目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。

《光電信號檢測》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。雪崩光電二極管工作原理示意圖

《光電信號檢測》3.2.5光電晶體管

光電晶體管和普通晶體管類似，也有電流放大作用。只是它的集電極電流不只是受基極電路的電流控制，也可以受光的控制。所以光電晶體管的外形，有光窗、集電極引出線、發(fā)射極引出線和基極引出線（有的沒有）。制作材料一般為半導(dǎo)體硅，管型為NPN型，國產(chǎn)器件稱為3DU系列。

《光電信號檢測》光電晶體管原理性結(jié)構(gòu)圖

《光電信號檢測》正常運用時，集電極加正電壓。集電結(jié)為反偏置，發(fā)射結(jié)為正偏置，集電結(jié)為光電結(jié)。當(dāng)光照到集電結(jié)上時，集電結(jié)即產(chǎn)生光電流Ip向基區(qū)注入，同時在集電極電路即產(chǎn)生了一個被放大的電流Ic。

Ic＝Ie＝（1＋β）Ipβ為電流放大倍數(shù)。因此，光電晶體管的電流放大作用與普通晶體管在上偏流電路中接一個光電二極管的作用是完全相同的。

《光電信號檢測》光電三極管的應(yīng)用

P42圖3-33光電三極管開關(guān)電路

《光電信號檢測》光電晶體管的靈敏度比光電二極管高，輸出電流也比光電二極管大，多為毫安級。但它的光電特性不如光電二極管好，在較強(qiáng)的光照下，光電流與照度不成線性關(guān)系。所以光電晶體管多用來作光電開關(guān)元件或光電邏輯元件。光電晶體管的伏安特性曲線

《光電信號檢測》幾種國產(chǎn)3DU型光電三極管的特性

《光電信號檢測》3.2.6陣列式或象限式結(jié)型光電器件（光伏器件組合器件）利用集成電路技術(shù)使2個至幾百個光電二極管或光電池排成一行，集成在一塊集成電路片子上，即成為陣列式的一維光電器件，也可以使光電二極管或光電池制成象限式的二維光電器件。

《光電信號檢測》這兩種器件中，襯底是共用的，而各光敏元都是獨立的，分別有各自的前極引出線。這種器件的特點是，光敏元密集度大，總尺寸小，容易作到各單元多數(shù)一致，便于信號處理。就目前的應(yīng)用看，兩個并列的光電二極管或光電池，可用來辨別光點移動的方向。2～4個并列的光敏元，可用來收集光點移動的相位信息。幾十個至幾百個或更多并列的光敏元，可用來攝取光學(xué)圖象或用作空間頻譜分析。象限式光電器件可用來確定光點在二維平面上的位置坐標(biāo)。多用于準(zhǔn)直、定位、跟蹤或頻譜分析等方面。

《光電信號檢測》3.2.7光電位置探測器（PSD，PositionSensitiveDetectors）PSD是利用離子注入技術(shù)制成的一種可確定光的能量中心位置的結(jié)型光電器件，有一維的和二維的兩種。當(dāng)入射光是一個小光斑，照射到光敏面時，其輸出則與光的能量中心位置有關(guān)。這種器件和象限光電器件比較，其特點是，它對光斑的形狀無嚴(yán)格要求，光敏面上無象限分隔線，對光斑位置可連續(xù)測量。

《光電信號檢測》

《光電信號檢測》1）一維PSD如圖所示，PSD的受光面為P-Si，同時也是個均勻電阻層。設(shè)1、2兩電極間距離為2L。如果入射光點位于A點，則電極1、2輸出的光電流與A點至電極1、2的距離成反比，有I1=I0·(L-x)/2LI2=I0·(L+x)/2Lx=L·(I2-I1)/(I2+I1)式中，I0=I1+I2。

利用上式即可確定光斑能量中心對于器件中心的位置。

《光電信號檢測》2）二維PSD二維PSD有兩種形式，一種是單面型的如圖a所示，在受光面上設(shè)有兩對電極，A、B為x軸電極，C、D為y軸電極，E為背面襯底共用電極，用它可對正面各電極進(jìn)行反偏置。設(shè)IA～I(xiàn)D為電極A～D的光電流，則光點能量中心的位置坐標(biāo)為

x=(IA-IB)/(IA+IB)y=(IC-ID)/(IC+ID)

《光電信號檢測》另一種是雙面型的，如圖b所示，正面與背面之間是一個PN結(jié)，正面和背面都是均勻電阻層。x軸電極A、B安在正面的受光面上，y軸電極C、D垂直于x軸安在背面。光點產(chǎn)生的光電流分為正面與背面兩部分。對于這種結(jié)構(gòu)，反偏壓是加在正面電極與背面電極之間（信號電極與偏置電極不獨立）。設(shè)IA～I(xiàn)D分別為電極A～D的光電流，代入上式即可求得光點能量中心位置。

《光電信號檢測》需要指出，上面的計算公式都是近似式，在器件中心附近是正確的，而距離器件中心較遠(yuǎn)接近邊緣部分時誤差較大。對于二維PSD，雙面型的比單面型的位置誤差小。這可能是因為x、y軸分開設(shè)置減少了彼此干擾的緣故。

《光電信號檢測》3.1.8光電開關(guān)與光電耦合器

光電開關(guān)和光電耦合器都是由發(fā)光端和受光端組成的組合件。光電開關(guān)不封閉，發(fā)光端與受光端之間可以插入調(diào)制板。光電耦合器則是把發(fā)光元件與受光元件都封閉在一個不透光的管殼內(nèi)。

《光電信號檢測》光電開關(guān)與光電耦合器結(jié)構(gòu)示意圖a)光電開關(guān)

b)光電耦合器

《光電信號檢測》發(fā)光端與受光端彼此獨立，完全沒有電的聯(lián)系，兩端之間的電阻一般都在1011Ω以上。光電開關(guān)多用于光電計數(shù)、報警、安全保護(hù)、無接觸開關(guān)，及各種光電控制等方面。光電耦合器多用于電位隔離、電平匹配、抗干擾電路、邏輯電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、長線傳輸、過流保護(hù)，及高壓控制等方面。

《光電信號檢測》電流傳輸比:

《光電信號檢測》3.3光伏器件的特性總結(jié)闡述各種結(jié)型光電器件的類似特性這類器件在原理上都相同，所以在性質(zhì)上也都類似。1．光電特性

器件的光電特性一般是指光電流與照度之間的函數(shù)關(guān)系，不過有時也表示為其它輸出量與照度的函數(shù)關(guān)系。器件的光電特性主要決定于材料，同時也與結(jié)構(gòu)和使用條件（負(fù)載大小、所加電壓高低）有關(guān)。

《光電信號檢測》

硅光電池的

2DUA硅光電二極管

光電特性曲線

在零偏壓下的光電特性曲線

《光電信號檢測》硅光電二極管在反偏為15V時的光電特性曲線

硒光電池光電特性曲線

《光電信號檢測》由圖可見，器件的光電特件不僅與材料有關(guān)，同時也與光照范圍、負(fù)載大小、外加電壓等條件有關(guān)。負(fù)載影響：負(fù)載電阻一定時，照度低時光電流與照度有良好的線性關(guān)系，照度高時線性關(guān)系則變差。在相同照度范圍內(nèi)，負(fù)載電阻小比負(fù)載電阻大時線性關(guān)系好。在其它條件都相同的情況下，加反偏壓比不加反偏壓時，線性范圍寬。

《光電信號檢測》2．光譜特性

器件的光譜特性多用相對靈敏度與波長的關(guān)系曲線表示。硅、鍺光電二極管的光譜特性曲線

《光電信號檢測》硅光電池的光譜特性曲線

砷化鎵光電池的光譜特性曲線1-普通硅光電池

2-淺結(jié)硅光電池

《光電信號檢測》由圖可見，器件的光譜特性主要決定于材料，同時與結(jié)深和溫度（見溫度特性）略有關(guān)系。

3．溫度特性

溫度對器件的開路電壓Uoc、短路電流Isc、暗電流Id、光電流Ip及單色光靈敏度都有影響。

《光電信號檢測》在不同溫度下硅光電池的隨溫度的變化曲線

2CU光電二極管光電流伏安特性曲線（在1000lx時）

《光電信號檢測》4．噪聲、信噪比與噪聲等效功率1）噪聲

結(jié)型光電器件的噪聲主要是電流散粒噪聲和電阻的熱噪聲。電流散粒噪聲是結(jié)區(qū)釋放非平衡載流子的隨機(jī)性引起的，其噪聲電流均方值的計算式為I2In＝2qIΔfq：電子電量I：通過PN結(jié)電流的平均值

Δf：測試系統(tǒng)帶寬

《光電信號檢測》電阻的熱噪聲是由于電阻中電子的熱運動引起的，其噪聲電流均方值的計算式為I2Rn＝(4kT/R)·Δfk：波耳茲曼常數(shù)T