半導(dǎo)體光電器件完整PPT

半導(dǎo)體光電器件3.1光電導(dǎo)型光電探測(cè)器件一、概述二、光敏電阻的結(jié)構(gòu)三、光敏電阻的工作原理四、光敏電阻的特性五、光敏電阻的特點(diǎn)六、注意事項(xiàng)一、概述光電導(dǎo)型光電探測(cè)器件是利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的均質(zhì)型光電探測(cè)器件。典型的光電導(dǎo)器件為光敏電阻。常用的光敏電阻有CdS硫化鎘、CdSe硒化鎘、以及TeCdHg碲鎘汞等。其中CdS是工業(yè)應(yīng)用最多的，而PbS硫化鉛主要用于軍事裝備。Hg1-xCdxTe碲鎘汞系列光敏電阻是目前所有探測(cè)器中性能最優(yōu)良最有前途的探測(cè)器。光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受到光照射后，其內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加,在外電場(chǎng)的作用下，半導(dǎo)體的電流增大，電導(dǎo)增大而電阻減小的現(xiàn)象。一、概述在光電導(dǎo)體中，由于配制Cd組分(x量)的不同，可得到不同的禁帶寬度Eg，從而制造出波長(zhǎng)響應(yīng)范圍不同的Hg1-xCdxTe碲鎘汞探測(cè)器。常用的有1-3μm、3-5μm、8-14μm三種波長(zhǎng)范圍的探測(cè)器，所以對(duì)大氣窗口波段的探測(cè)非常重要。性質(zhì)：光敏電阻在光照下會(huì)改變自身的電阻率;沒(méi)有極性，只要把它當(dāng)作阻值隨光照強(qiáng)度而變化的可變電阻來(lái)對(duì)待即可;在電子電路、儀器儀表、光電控制、計(jì)量分析以及光電制導(dǎo)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。太陽(yáng)能庭院燈，草坪燈，驗(yàn)鈔機(jī)，石英鐘，音樂(lè)杯，禮品盒，迷你小夜燈，光聲控開關(guān)，路燈自動(dòng)開關(guān)以及各種光控玩具，光控?zé)麸棧瑹艟叨?、光敏電阻的結(jié)構(gòu)光敏電阻電路符號(hào)三、光敏電阻的工作原理無(wú)光照射時(shí)：導(dǎo)帶基本為空，電阻率很高。有光照時(shí)：本征半導(dǎo)體：a雜質(zhì)半導(dǎo)體:b本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體四、光敏電阻的特性1、光電導(dǎo)靈敏度R2、光譜響應(yīng)特性3、光照特性4、伏安特性5、響應(yīng)特性（頻率特性）6、前歷效應(yīng)7、溫度特性8、暗電阻和亮電阻9、噪聲按靈敏度定義（響應(yīng)的變化量與輸入的變化量之比），可得

其中：

g：光電導(dǎo)，單位為西門子S（Ω-1）。

E：光照度，單位為勒克斯（lx）。

R：?jiǎn)挝粸槲鏖T子/勒克斯（S/lx）

A:光敏面積

:光通量1、光電導(dǎo)靈敏度R2、光譜響應(yīng)特性

光譜響應(yīng)特性是指光敏電阻的輸出光電流I與入射光波長(zhǎng)之間的關(guān)系。性質(zhì)：不同的制作材料對(duì)同一入射波長(zhǎng)的光吸收是不同的；即使是同一材料，對(duì)不同波長(zhǎng)的光吸收也是不同的；可見(jiàn)，輸出光電流值與光波長(zhǎng)密切相關(guān)。各種光敏電阻的光譜特性可查閱有關(guān)的手冊(cè)和產(chǎn)品說(shuō)明書。不同材料的光譜相應(yīng)特性3、光照特性定義：光敏電阻的光照特性：指的是光電流與光通量或照度之間的關(guān)系。光電流I與外加直流電壓V和入射光通量或照度E之間的關(guān)系可用下面關(guān)系式表示或k為光敏電阻材料決定的常數(shù)V為外加直流電源電壓為系數(shù)，其值一般在0.5-1。光敏電阻的光照特性4、伏安特性伏安特性：在一定光照下，光敏電阻的光電流與所加電壓的曲線關(guān)系暗電導(dǎo)Gd，即無(wú)光照射時(shí)，該曲線的斜率。其倒數(shù)為暗電阻Rd。無(wú)光照時(shí)的情況光敏電阻的伏安特性曲線因此硅光電池在光度學(xué)、輻射測(cè)量、光學(xué)精密計(jì)量和測(cè)試及激光參數(shù)測(cè)量等方面得到了廣泛應(yīng)用。光電池中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電池。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(shí)也可以起到防潮，防腐蝕的保護(hù)作用。暗電導(dǎo)Gd，即無(wú)光照射時(shí)，該曲線的斜率。3）光敏電阻的光譜特性與溫度有關(guān)，溫度低時(shí)，靈敏范圍和峰值波長(zhǎng)都向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，可采取冷卻靈敏面的辦法來(lái)提高光敏電阻在長(zhǎng)波區(qū)的靈敏度。光電轉(zhuǎn)換機(jī)理也是光生伏特效應(yīng)。光電池中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電池。值得注意的是短路電流等于光電流，且與入射光照呈線性關(guān)系。與材料、結(jié)構(gòu)、光敏面積大小有關(guān)。暗電導(dǎo)Gd，即無(wú)光照射時(shí)，該曲線的斜率。2、測(cè)光范圍寬，靈敏度高，無(wú)極性之分。溫度特性是指光電二極管在偏壓（-50V）和照度不變的情況下，光電流和暗電流隨溫度的變化情況。5、響應(yīng)特性（頻率特性）按靈敏度定義（響應(yīng)的變化量與輸入的變化量之比），可得光敏電阻受光照后或被遮光后，回路電流并不立即增大或減小，而是有一定響應(yīng)時(shí)間。亮電阻：有光照射時(shí)的電阻值，其值與光照大小有關(guān)。1、體積小，偏置電壓低，光譜響應(yīng)范圍寬；5、響應(yīng)特性（頻率特性）5、響應(yīng)特性（頻率特性）光敏電阻受光照后或被遮光后，回路電流并不立即增大或減小，而是有一定響應(yīng)時(shí)間。原因：光敏電阻是依靠非平衡載流子效應(yīng)工作的，非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合都有一個(gè)時(shí)間過(guò)程，這個(gè)時(shí)間過(guò)程在一定程度上影響了光敏電阻對(duì)變化光照的響應(yīng)。照度愈強(qiáng)，響應(yīng)時(shí)間愈短；暗處放置的時(shí)間愈長(zhǎng)，響應(yīng)時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)。改善措施實(shí)際應(yīng)用中，盡量提高使用照明度，降低所加電壓、施加適當(dāng)偏置光照、使光敏電阻不是從完全暗狀態(tài)開始受光照.5、響應(yīng)特性（頻率特性）光照度越大，其響應(yīng)特性越好，惰性越小6、前歷效應(yīng)前歷效應(yīng)：是指光敏電阻的時(shí)間特性與工作前“歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。分類：暗態(tài)前歷亮態(tài)前歷暗態(tài)前歷效應(yīng)是指光敏電阻測(cè)試或工作前處于暗態(tài)，當(dāng)它突然受到光照后表現(xiàn)為暗態(tài)前歷越長(zhǎng)，光電流上升越慢，其效應(yīng)曲線如下圖所示。一般，工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應(yīng)就越嚴(yán)重。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。一般，亮電阻由高照度狀態(tài)變?yōu)榈驼斩葼顟B(tài)達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)所需的時(shí)間要比由低照度狀態(tài)變?yōu)楦哒斩葼顟B(tài)時(shí)短。7、溫度特性靈敏度、光照特性、響應(yīng)率、光譜響應(yīng)率、峰值波長(zhǎng)、長(zhǎng)波限都將發(fā)生變化，而且這種變化缺乏一定的規(guī)律。隨著溫度的升高光電導(dǎo)值下降，隨著溫度的下降光電導(dǎo)值增大，而與照度無(wú)關(guān)。光敏電阻的溫度特性8、暗電阻和亮電阻暗電阻：無(wú)光照射時(shí)，光敏電阻值的大小。其值一般為幾十千歐到幾兆歐。亮電阻：有光照射時(shí)的電阻值，其值與光照大小有關(guān)。9、噪聲光敏電阻的固有噪聲主要有三種：熱噪聲（1000Hz左右）、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲（100Hz以上）、及噪聲（100Hz以下）噪聲隨調(diào)制頻率的分布關(guān)系五、光敏電阻的特點(diǎn)1、體積小，偏置電壓低，光譜響應(yīng)范圍寬；2、測(cè)光范圍寬，靈敏度高，無(wú)極性之分。3、時(shí)間常數(shù)一般為10-2～10-7秒，特制的可達(dá)10-10秒；響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，頻率特性差。4、強(qiáng)光線性差，受溫度影響大。5、實(shí)際應(yīng)用中，在紫外和可見(jiàn)光區(qū)，光敏電阻的優(yōu)點(diǎn)不突出，主要用在自動(dòng)相機(jī)和控光系統(tǒng)中。在紅外區(qū)它的響應(yīng)相對(duì)比較快、響應(yīng)率較高，機(jī)械性能好，因而得到廣泛應(yīng)用。六、使用中應(yīng)注意：1）當(dāng)用于模擬量測(cè)量時(shí)，因光照指數(shù)γ與光照強(qiáng)弱有關(guān)，只有在弱光照下光電流與入射光通量成線性關(guān)系。

2）用于光度量測(cè)試儀器時(shí)，必須對(duì)光譜特性曲線進(jìn)行修正，保證其與人眼的光譜光視效率曲線符合。

3）光敏電阻的光譜特性與溫度有關(guān)，溫度低時(shí)，靈敏范圍和峰值波長(zhǎng)都向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，可采取冷卻靈敏面的辦法來(lái)提高光敏電阻在長(zhǎng)波區(qū)的靈敏度。六、使用中應(yīng)注意：4）光敏電阻的溫度特性很復(fù)雜，電阻溫度系數(shù)有正有負(fù)，一般說(shuō)，光敏電阻不適于在高溫下使用，溫度高時(shí)輸出將明顯減小，甚至無(wú)輸出。

5）光敏電阻頻帶寬度都比較窄，在室溫下只有少數(shù)品種能超過(guò)1000Hz。

6）設(shè)計(jì)負(fù)載電阻時(shí)，應(yīng)考慮到光敏電阻的額定功耗，負(fù)載電阻值不能很小。

7）進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)意識(shí)到光敏電阻的前歷效應(yīng)。第三章半導(dǎo)體光電器件3.2勢(shì)壘型光電探測(cè)器件3.2勢(shì)壘型光電(光伏)探測(cè)器件3.2.1概述3.2.2光電池3.2.3光電二極管3.2.4光伏探測(cè)器的使用要點(diǎn)3.2.1概述利用半導(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(光敏電阻為勻質(zhì)型)。常見(jiàn)的光伏器件：光電池、光電二極管、光電晶體管、光電場(chǎng)效應(yīng)管、PIN管、雪崩光電二極管和光電導(dǎo)探測(cè)器不同，光伏探測(cè)器的工作特性要復(fù)雜一些。通常有光電池和光電二極管之分，也就是說(shuō)，光伏探測(cè)器有著不同的工作模式。3.2.2光電池一、概述二、符號(hào)、連接電路、等效電路三、光電池的特性參數(shù)一、概述光電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)PN結(jié)（零偏狀態(tài)）。按材料分，有硅、硒、硫化鎘、砷化鎵和無(wú)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(guó)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。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(shí)也可以起到防潮，防腐蝕的保護(hù)作用。N（P）P（Si）P（B）N（Si）上電極（前極）下電極（后極）（a）2DR（b）2CR目前最受重視的是硅光電池與硒光電池。硅光電池：硅光電池具有性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，光譜響應(yīng)范圍寬，頻率特性好和能耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。因此硅光電池在光度學(xué)、輻射測(cè)量、光學(xué)精密計(jì)量和測(cè)試及激光參數(shù)測(cè)量等方面得到了廣泛應(yīng)用。硒光電池：光譜響應(yīng)曲線和人眼的光譜光視效率曲線的形狀很相似，其光譜響應(yīng)峰值波長(zhǎng)與人眼的光譜光視效率的峰值相重合，且硒光電池價(jià)廉，因而在一些與人眼視覺(jué)有關(guān)系的光學(xué)器件中，在測(cè)量與控制應(yīng)用中，多用硒光電池。但應(yīng)指出，硒光電池穩(wěn)定性很差。硅光電池:它是在N型硅片上擴(kuò)散硼形成P型層，并用電極引線把P型和N型層引出，形成正負(fù)電極。SiO2為防止表面反射光，提高轉(zhuǎn)換效率。-+RLPN防反射膜(SiO2)pn+-SiO2PN結(jié)硅光電池結(jié)構(gòu)示意二、符號(hào)、連接電路、等效電路光電池等效為一個(gè)普通晶體二極管和一個(gè)恒流源（光電流源）的并聯(lián)。I光電流Ij普通二極管的結(jié)電流IURLURLIpIj符號(hào)連接電路等效電路三、光電池的特性參數(shù)伏安特性光照特性（光電特性）光譜特性頻率特性溫度特性光敏電阻的光照特性：指的是光電流與光通量或照度之間的關(guān)系。光敏電阻的固有噪聲主要有三種：熱噪聲（1000Hz左右）、5、實(shí)際應(yīng)用中，在紫外和可見(jiàn)光區(qū)，光敏電阻的優(yōu)點(diǎn)不突出，主要用在自動(dòng)相機(jī)和控光系統(tǒng)中。實(shí)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)。光照度越大，其響應(yīng)特性越好，惰性越小光譜響應(yīng)特性是指光敏電阻的輸出光電流I與入射光波長(zhǎng)之間的關(guān)系。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。1）當(dāng)用于模擬量測(cè)量時(shí)，因光照指數(shù)γ與光照強(qiáng)弱有關(guān)，只有在弱光照下光電流與入射光通量成線性關(guān)系。50100150200T（0C）暗處放置的時(shí)間愈長(zhǎng)，響應(yīng)時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)。溫度特性是指光電二極管在偏壓（-50V）和照度不變的情況下，光電流和暗電流隨溫度的變化情況。伏安特性輸出電流和電壓和負(fù)載電阻的變化曲線。二極管的伏安特性由等效電路圖可知暗電流：當(dāng)光通量為零時(shí)，是光電池加反向偏壓后出現(xiàn)的暗電流a、當(dāng)光電池短路時(shí)，即U=0，則此時(shí)I稱為短路電流，用表示。值得注意的是短路電流等于光電流，且與入射光照呈線性關(guān)系。b、當(dāng)光電池開路時(shí)，即I=0,時(shí)，則此時(shí)U稱為開路電壓，用表示。UIpIjRLI光照特性硅光電池光照特性硅光電池光照特性與負(fù)載電阻的關(guān)系定義：硅光電池光照特性是指光生電動(dòng)勢(shì)（開路電壓）、光電流、與照度之間的關(guān)系。性質(zhì)：1、光生電動(dòng)勢(shì)（開路電壓）、與照度呈非線性關(guān)系2、光電流與照度之間呈線性的關(guān)系3、光照特性與負(fù)載大小關(guān)系：E相同，負(fù)載增大，光電流變小，光照特性的線性區(qū)也變小。光譜特性光譜特性主要取決于所用材料與制作工藝（如結(jié)的深淺），也與使用溫度有關(guān)。１、硒光電池與人眼特性很接近２、硅藍(lán)光電池的結(jié)深比較淺，ＰＮ結(jié)距受光面很近，減少了短波長(zhǎng)的光在透過(guò)受光表面時(shí)的吸收損耗，提高了短波長(zhǎng)到達(dá)ＰＮ結(jié)的幾率。頻率特性當(dāng)光照射光電池時(shí)，由于載流子在PN結(jié)區(qū)內(nèi)擴(kuò)散、漂移、產(chǎn)生復(fù)合需要時(shí)間過(guò)程。與材料、結(jié)構(gòu)、光敏面積大小有關(guān)。光電池的響應(yīng)時(shí)間由PN結(jié)的電容和RL決定，在要求更高的頻率特性探測(cè)電路中，選用小面積的光電池較有利，同時(shí)選擇合適的負(fù)載電阻。溫度特性１、溫度特性Uoc

和Isc隨溫度的變化情況。２、一般Uoc（負(fù)溫度系數(shù)）下降約2~3mv/。C

３、Isc

（正溫度系數(shù)）上升約78uA/。C４、值得注意的是，光電池受強(qiáng)光照射時(shí)，必須考慮光電池的工作溫度。Se>50。C，Si>200。C時(shí)，器件損壞。3.2.3光電二極管一、概述二、分類三、工作模式四、表示符號(hào)及電路接法五、工作特性一、概述光電二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)PN結(jié)。光電轉(zhuǎn)換機(jī)理也是光生伏特效應(yīng)。它和光電池相比，重要的不同點(diǎn)是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好；且ＰＮ結(jié)的工作狀態(tài)不同，光電池工作于零偏狀態(tài)，光電二極管工作于反偏狀態(tài)光生電勢(shì)與光電池相同，但輸出電流比普遍光電池小，一般為數(shù)微安到數(shù)十微安。光電二極管目前多用硅或鍺制成，但鍺器件暗電流溫度系數(shù)遠(yuǎn)大于硅器件。工藝也不如硅器件成熟，雖然他的響應(yīng)波長(zhǎng)大于硅器件，但實(shí)際應(yīng)用仍不如硅器件。所以主要介紹硅光電二極管。二、分類１、按材料分，光電二極管有硅、砷化稼、銻化錮、鈰化鉛光電二極管等許多種。２、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。３、國(guó)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，2CU系列光電二極管只有兩個(gè)引出線；2DU系列以P-Si為襯底，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(gè)環(huán)極。2DU管加環(huán)極的目的是為了減少暗電流和噪聲。當(dāng)管子加反偏壓時(shí)，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(guò)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(gè)N+-Si的環(huán)把受光面（N-Si）包圍起來(lái)，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(guò)負(fù)載即可達(dá)到電源的通路。減小流過(guò)負(fù)載的暗電流、減小噪聲2DU管子因?yàn)槭且訬-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(huì)使N-Si表面產(chǎn)生一個(gè)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。2CU管子三、工作模式硅光電二極管是反偏的光電導(dǎo)工作模式。無(wú)光照射時(shí)，給ＰＮ結(jié)加適當(dāng)?shù)姆聪螂妷?，反壓加?qiáng)了內(nèi)建電場(chǎng)，勢(shì)壘增大，流過(guò)ＰＮ結(jié)的電流（稱反向飽和電流）很小，它（反向電流）是由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)形成的，稱之為光電二極管的暗電流。有光照射時(shí)，當(dāng)滿足條件時(shí)，則在ＰＮ結(jié)產(chǎn)生光生載流子被內(nèi)建電場(chǎng)拉開，電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，在外加電場(chǎng)的作用下形成了以少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)為主的光電流，光電流比無(wú)光照射時(shí)的反向飽和電流大得多。光照越強(qiáng)，光生載流子越多，光電流越大；反之則越小。四、表示符號(hào)及電路接法2CU電路接法

2DU電路接法表示符號(hào)1、硅光電二極管在電路圖中的表示符號(hào)２、2CU電路接法３、2DU電路接法五、工作特性光照特性伏安特性光譜特性頻率特性噪聲用法光照特性負(fù)載電阻RＬ較小，且外加反向偏壓也較小時(shí)，光電流與入射光功率呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。光生電流隨外加反偏壓的增大趨向飽和，此時(shí)，光電流大小僅取決與光照強(qiáng)度。光照特性線性好，適用于檢測(cè)5101520050100150200250照度/lxIp/μA硅光電二極管反向偏壓（15V）時(shí)的光照特性伏安特性伏安特性指反向偏壓與光電流之間的關(guān)系當(dāng)不加反向偏壓時(shí)，與光電池的作用相同。反向偏壓較低時(shí)，光電流隨光電壓變化非常敏感，這是由于反向偏壓增強(qiáng)了內(nèi)建電場(chǎng)，對(duì)結(jié)區(qū)光生載流子的收集率影響很大；Ｅ＝0E1E2反向電壓反向電流E2＞E1I(μA)U(V)硅光電二極管的伏安特性反向偏壓進(jìn)一步加大時(shí)，光生載流子的收集已達(dá)極限，光電流就趨于飽和，此時(shí)光電流與外加反向偏壓幾乎無(wú)關(guān)，僅取決于入射光功率。a)不加外電源

b)加反向外電源

c)2DU環(huán)極接法光譜特性光電二極管的光譜響應(yīng)特性主要取決于禁帶寬度、結(jié)構(gòu)