通信光电子学第七章.ppt

第七章 光电转换器件,7-1 光电导探测器 7-2 光电池 7-3 光电二极管 7-4 光电倍增管 7-5 变像管、像增强管、摄像管 7-6 电荷耦合器件（CCD）,序 言,光电转换器件是把光转换成电或者通过光信号来控制电信号的器件。根据光与物质的相互作用产生的不同物理效应，可将光电转换器件分为不同的类型：,例：无源光监测器,例：光电倍增管,例：光电二极管 光电三级管,7.1 光电导探测器,光电导探测器是利用光电导效应制作的光探测器，简称为PC探测器。特征：受到光照后，器件的电阻发生变化。主要类型 光敏电阻 光导管等产生光电导效应的电子跃迁类型包括 本征吸收 杂质吸收,一、光电导器件工作特性,1、响应度定义：光探测器的输出电压或输出电流与入射光功率之比。表达式：结合第五章的内容，可得：G为光导器件的内增益。影响因素：由于，可见，响应度与外加偏压、载流子寿命、器件长度等因素有关。,2、光谱特性 光电导探测器属于选择性器件，某种材料制成的光敏电阻，只在一定的波长范围内才对入射光有响应，而其他波长的光照射下，响应度极小或趋于0。材料的禁带宽度决定了光谱响应的长波限制，在响应率从增加到减小的过程中会出现一个响应的峰值波长 典型的响应曲线：图7-1-2。3、照度特性 表达式：，为常数，K与器件的材料、尺寸、形状及载流子寿命有关；是电压指数、是照度指数。,三种光敏电阻的光谱响应特性曲线 CdS光敏电阻的光照特性曲线,4、响应速度 响应时间：光照时流过光电导器件的电流上升到0.63 所需要的时间及遮光后电流下降到0.37 所需要的时间。I0为稳定后的正常值。响应时间的大小决定了器件对调制频率的影响，其响应速度变化规律为：截止频率：当 下降到 的0.707倍时，所对应的 为截频率,此时信号功率下降为零频时功率的一半。Rv0为低频响应度。响应时间的长短意味着光生载流子的寿命长短。增大光生载流子寿命，可以增大内增益，提高响应率。但是器件的响应时间也随之增大，又影响了对高频成分的响应。,5、温度效应 温度与光谱响应的关系：温度增高时，响应峰值波长象短波方向移动，如图温度与器件电阻值的关系：中等温度照射时温度系数较小，在弱光与强光照射下温度系数较大 温度与器件的响应时间的关系：器件的响应时间在温度高时比较慢，器件应该在低温下工作。6、噪声特性不同的工作频率下，不同噪声源会起主要作用 较高时热噪声 较低时1/v噪声 1k-1mhz时g-r噪声,7、基本工作电路 暗电阻与亮电阻 光电导器件在无光照时的电阻（称为暗电阻）很大，光照后，电阻显著下降，称为亮电阻。正常使用范围内，亮、暗电阻之比为。设在无光照时的负载上电压为 有光照时的负载 电压为 输出电压为 匹配状态：要使输出信号最大的条件是，是器件的匹配状态。此时，输出电压为。,二、几种常用的光电导器件,7.2光电池,光电池是利用光生伏特效应制成的无偏压光电转换器件，由于其内部可能存在PN结，所以也称为结型探测器，简称PV探测器。主要用途 光电池用作太阳能电池 把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转化效率。即把 受光面做得较大，或把多个光电池作串、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给。光电池用作探测元件 利用其光敏面大，频率响应高，光电流与照度线性变化，适用于开关和线性测量等。,光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压就能将光能转化成电能的光电器件。简单的说，其本质就是一个PN结。,一、结构原理1、结构 金属-半导体接触型（硒光电池）图721 PN结型光电池是在N型（或P型）半导体表面上扩散一层P型（或N型）杂质，形成PN结。按基底材料不同分 2DR（P型Si为基底）2CR（N型Si为基底）图示：,2、分类 按用途 太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低）测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等）按材料 硅光电池：光谱响应宽，频率特性好 硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内 薄膜光电池：CdS增强抗辐射能力 紫光电池：PN结0.2 0.3 m,短波峰值600nm3、符号及电路 符号 联接电路 等效电路,二、特性 1、光谱特性 光电池的光谱特性主要由材料及制作工艺决定 意义：在入射光能量保持一个相同值的条件下，研究光电池的短路电流与入射光波长的关系，不同材料有不同的响应范围。硅光电池：除了一般情况下的光谱响应特性，在PN结较浅（一般为0.4m）的情况下，由于入射光更容易达到PN结，短波长光从表面进入材料后受到的吸收较小，因而提高了短波长的光被材料吸收的几率，导致吸收峰值发生变化，向短波长（约在0.6m附近）偏移，被称为蓝硅光电池，硅光电池的两种光谱响应曲线如图：,2、伏安特性 无光照时，光电池从本质上讲是一个二极管，此时伏安特性与一般 二极管伏安特性相类似。有光照射时，光电池会产生感应电动势。等效电路见图。Ip为恒流源即光电流 I+为流过二极管的正向电流即正向结电流 Cj为结电容 Rsh为等效漏电阻 Rs为串连电阻 Ish为漏电流 几个电流关系为IIpI+I+Is（e 1）其中V为PN结正向电压。,光电池工作在无偏压的状态下，在光照时，PN结开路时的正向电压就是光生电动势。在光生电动势比较小的情况下，假设Rs 0，Rsh 0,则在PN结外部负载 RL0 时，短路电流就是光电流 IscIp 但实际电路存在Rs和Rsh，短路电流可进一步表示为 IscIpIs（e 1）在开路情况下，I=0 时，IpI+开路电压表示为 ln（）由于Rsh不是无穷大，则Ish不为零，所以开路电压精确表达式为 ln（）,3、光照特性 定义：光生电动势、光生电池与光照度的关系。如图。表达式：在近似条件下，短路电流就是光电流，且可与光照度成线性关系。光电池的光照特性曲线：硅光电池 硒光电池,光照特性与负载电阻的关系 负载电阻不为零时，随照度的增加，光电流与端电压都增加，二极管处在正向偏置下，内电阻变小，外电流增加变缓，与光照度成非线性关系；负载越大，非线性越显著。开路时，随着照度的增加，开路电压增加很快，最终出现饱和现象。硅光电池的光照特性与负载电阻的关系,4、频率特性 光电池的内阻在光照较小的时候很大，电路的时间常数加大，频率响应不高。频率特性 温度特性 负载电阻RL大时，响应时间也增大，使频率特性变差。5、温度特性 温度对光电池的影响很大，随着温度的增加，开路电压下降，短路电流上升。在强光照射时，要注意器件的温度，避免晶格结构遭到破坏。,三、太阳能电池 把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转化效率。即把受光面做得较大，或把多个光电池作串、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给。1、光电池构成太阳能装置的方式 串联增加输出电压 并联增大输出电流 实际操作中可以“先串后并”或“先并后串”实用的太阳能电池的特点：转换效率高 成本低 稳定性好,2、光电转换效率定义：太阳能电池的最大输出功率与输入光功率之比 3、影响的因素 材料性质 器件结构 工艺因素等,光电二极管是以光伏效应为基础制作的在反向偏压下工作的光伏器件。与普通二极管相比:共同点：一个PN结，单向导电性 不同点：受光面大，PN结面积更大，PN结深度较浅 表面有防反射的SiO2保护层 外加负偏压 与光电池相比：共同点：均为一个PN结，利用光生伏特效应，SiO2保护膜 不同点：结面积比光电池的小，频率特性好 光生电势与光电池相同，但电流比光电池的小 可在零偏压下工作，更常在反偏压下工作,7.3光电二极管,一、工作特性1、灵敏度（响应度）定义：光电二极管输出的光电流与入射光功率之比 与量子效率的关系为 可见，响应度是入射波长的函数。对不同的材料有不同的响应范围，对同一材料，不同波长的光入射，其值也不同。,2、光谱特性 光电二极管只能对大于禁带宽度的光子能量做出反应，故不同材料的光谱响应范围不同，典型器件的光谱响应曲线如图。对每一种探测器件，都有一个响应的峰值，其对应的光子能量稍大于禁带宽度，当 时，响应成迅速下降的趋势，当 时，光子能量虽然很大，但是在半导体中的光吸收也随频率的增加而逐渐增加，因而由于光吸收而产生的光生载流子，在到达结区之前，有较多部分与多数载流子复合，对光生电流没有贡献，响应度降低。因此，入射光从短波长逐渐增加到峰值波长时，光谱响应度是逐渐增大的。,3、响应时间 当输入光信号是矩形脉冲时，由于受到多种因素的影响，输出光电流脉冲出现了前沿与后沿,如图:响应时间可用图中 和 表示。影响响应速度的因素：耗尽层的宽度 结电容的大小 综合耗尽层宽度与结电容对器件性能的影响：一、结电容的大小对波形的影响很大，结电容过大会使响应时间增加；二、耗尽层宽度应该有一个适当的值才能兼顾不同的要求，一般 W 取值在 和 之间。,4、伏安特性 无光照时，VI表达式：I+Is（e 1）二极管工作在反向偏压下，V为负值。随着V的绝对值变大，流过PN结的结电流（又称反向结电流）I+由零逐渐变大,方向从N区指向P区，V达到一定程度后，反向结电流I+趋向饱和Is（Is即为PN结的反向饱和电流）。无光照时,这个反向饱和电流比较小，但是反向偏压太大时，可能造成反向结电流剧增，导致PN结被击穿，需避免。有光照时，光电二极管内产生了光生载流子，形成了光生电流Ip，Ip的方向是从N到P，与无光照时的反向结电流I+同向，使得反向饱和电流增大，且光照越强，越大。此时VI表达式：IIpIs（e 1）,伏安特性曲线7-3-4 第一象限：是正偏压状态，结电流I+本来就很大，所以光电流Ip不起重要作用。曲线和普通二极管的相似。第三象限：是反偏压状态。这时I+=IsO，它是普通二极管中的反向饱和电流，即暗电流(对应于光功率P=0)，数值很小，这是光电二极管的工作区域，随着光通量的增加，Ip光电流也在增加，这种关系基本上成线性关系。第四象限：也是光电池的工作区域，在这一象限，光电池两端是正向电压，有光生电动势提供，但是结电流I+则是反向结电流即NP（结电流I+为正向结电流时的方向为PN）。由图可见，要使器件工作在线性工作状态，负载线的斜率不应该太大。,二、几种常见类型的光电二极管1、PIN光电二极管 PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。普通PN结型光电二极管的缺点：耗尽层宽度窄 量子效率低 频率特性差 PIN的结构特征：在P、N型之间加进了较厚的本征半导体I型层，PN结的内电场就基本上全集中于I层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小；提高响应速度。,PIN的特点：耗尽层宽，增大了光电转换的作用区域，提高了对长波长光波的吸收 耗尽层宽，使结电容变小，高频端的响应也得到改善 耗尽层变宽，P区与N 区的相对宽度变窄，载流子渡越时间变短，频率响应变宽 本征区电阻高，暗电流噪声小（主要是电路热噪声）,2、雪崩光电二极管（APD）APD是具有内部倍增放大作用的光电二极管，利用PN结势垒区的高反向电压下强电场作用产生载流子的雪崩倍增而得到。结构 在两个高掺杂的P+区与N区之间有P层和 层，其中 层为接近本征的低掺杂区，宽度在30-100 m，在器件加上反向偏压后，耗尽层宽度随电压的增加而增加，直到P区的载流子全部耗尽而成为耗尽区，电压继续增大，耗尽层继续加大之包括整个 区，形成所谓“拉通”，电场主要降在P区与 区，P+区和N区电压降很少，而N与P之间具有最高的电压，区压降较平缓，但仍比较高。,工作过程 光照射到光电二极管时，由于器件的耗尽层很宽，光电转换效率高，大部分光子在这个区域就被吸收并生成电子空穴对，在外电压作用下，载流子定向移动成为初始光电流，一次电子在向PN+结区漂移的过程中动能增大，到达PN结后，在更高的电场作用下产生雪崩倍增，一次空穴则直接被P+区吸收。此过程多次重复。从而反向结电流也迅速增大形成倍增效应。影响雪崩光敏二极管工作的因素 a、雪崩过程伴有一定的噪声，并受温度的影响较大 b、表面材料的缺陷使PN结各电场分布不均，局部先击穿使漏电流变大，增强了噪声 c、工作偏压必须适当,倍增增益G 是APD的一个重要参数，其倍增系数的大小与许多因素有关，如雪崩区的宽度、反向偏压的大小以及电离系数等。器件确定后，电离系数与耗尽层宽度基本是确定的，影响增益大小的就是反向偏压的大小了，APD增益与偏置电压的关系为：是APD的击穿电压；是APD的内电阻；是与APD材料、掺杂特性及波长有关的常数；为倍增后的电流。如果G较小，与V相比可略去，则,APD管的电流增益G与偏压V的关系曲线如图7-3-7表示。反向偏压比较小时，倍增增益受其影响比较大 在同样偏压下，不同的波长具有不同的增益，长波长的光波增益更大。增益在放大初始的同时也放大了噪声，所以G不是越大越好，G有个最佳值，一般运用时，G值在40100左右为好。,APD的噪声 APD除了具有一般光电二极管的噪声外，还有一种由于倍增增益的起伏而引起的附加噪声。量子噪声：当倍增增益为 时，光信号引起的量子噪声表示成 倍增后的量子噪声表示成 其中,温度特性 温度变化对APD的影响主要表现在倍增增益以及暗电流的变化上。A、对倍增增益的影响：1、半导体内电子和空穴的电离碰撞几率随温度的升高而下降，使得倍增增益随温度升高而下降；2、倍增因子由于 和 随温度变化而变化，温度越低，G 值越高。B、对暗电流的影响：温度增加后，有更多的电荷电离而成为能导电的自由电子，使暗电流增大。,3、肖特基光电二极管 结构与定义 将N型（或P型）半导体材料与金属相接触，形成势垒，制成的光电二极管称为肖特基光电二极管,实用的肖特基势垒是由金属与N型材料接触而成。肖特基势垒 金属的逸出功与半导体材料的逸出功是不同的，通常前者大于后者是，因此在接触面两边，由于电势的差别，N型半导体中的电子向金属方向移动，从而在交界面形成内建电场，阻止电子进一步扩散，达到平衡后，出现一个确定的接触电位差，即为肖特基势垒。势垒高度是金属逸出功于半导体的电子亲合势能之差，即 但实际实验得出的结果是势垒高度是禁带宽度的2/3，即。,工作方式 受到光激发后产生的电子与空穴分开集结或流动，从而产生开路光生电动势或短路电流。根据所加反向偏压及入射光频率不同，肖特基光电二极管有三种不同的工作方式：a b ca、,(为反向击穿电压)器件受光照产生光生载流子，工作情况与PN结型管类似。b、,耗尽层引起载流子倍增，这时的工作情况与雪崩二极管类似。,c、,光在金属膜中被电子吸收。电子能量高于肖特基势垒的高度时，就能越过势垒，进入半导体耗尽层而被加速和收集。选择适当的金属与半导体，可以得到不同高度的肖特基势垒，从而得到不同波长响应的光电二极管。肖特基光电二极管的工作区很靠近表面，因而有利于短波长光的吸收，所以适合于对蓝光及紫外光的探测。肖特基势垒效应为基础的光电探测器件受到更多重视。,7.4光电倍增管 光电倍增管是以光电子发射为基础的外光电效应器件，具有灵敏度高、稳定性好、响应速度快等特点，适用于微弱光信号的探测。一、工作原理 1、主要结构部件 光阴极（图中K）：接受由管壳窗口照射进来的光能，并产生初次光电子 倍增级（图中D）：由某些金属、金属氧化物及半导体等组成，表面受 到高速粒子轰击后，可以重新发射出更多的电子（即二次电子发射）。,2、二次发射系数 用以表征每一个入射电子所产生的二次电子数目即每个倍增级的电流增益。如果倍增的级数为n，且各级性能相同，考虑到电子损失，则总的电流增益为 为阳极电流，为阴极电流，为第一倍增级对阴极光电子的收集效率，为各倍增级之间的传递效率。,3、倍增极的结构 分为非聚焦型和聚焦型两种。非聚焦型：倍增极阴极表面的电场比较低，发射出来的电子究竟打在何处难以预料，这与二次电子的初始位置与速度有关。它可以获得较高的倍增系数，但是电子散射效应大，同一束电子有不同的渡越时间，造成脉冲信号变宽，响应时间长。聚焦型：主要克服了渡越时间散差大的缺点，有更快的响应时间。但是与非聚焦型比较，它的结构的每对倍增极工作状态会受到邻近倍增极的工作电压影响，因此对电源的稳定性要求较高。,4、工作电路与电压供给 供电回路如图 供电方式 负高压供电：电源正极接地，可响应变化缓慢的光信号；正高压供电：电源负极接地，接在阴极上，适用于要求低噪声的光脉冲信号检测，但是在阴极要接一个耐高压低噪声的隔直电容与输入端耦合。,分压网络 按照一定比例提供各电极的工作电压，静态下流过分压网络的电流，各电极的电压为 Vn=I0Rn。动态下各电极的反馈电流会使Vn降低。为了保证工作的直线性，必须使 充分的大于阳极电流Ip，通常取。电源电压的稳定性 是保持光电倍增管的工作直线性的基础。在线性工作范围内，输出电流,其中A是比例常数，是与倍增过程有关的常数。从上式得到，一般为7-9。可见，如果要求输出电流直线性优于1，则电源电压的稳定性必须优于0.1，即高出一个数量级。,二、工作特性参数 等效电路如图 直流等效电路 交流等效电路 光电倍增管的主要特征参数包括阴极灵敏度、阳极灵敏度、暗电流等。经常用到的特征工作曲线是伏安特性曲线、光电特性曲线。1、阴极灵敏度 定义：光电阴极被光照射后产生的初始电流与入射光通量之比。表达式：单位A/lm 讨论：为正确表示阴极的发射能力，对入射光的的光通量要限制在一定范围内，通常不能超过 lm，光通量过大会引起光电阴极疲劳，灵敏度下降；光通量过小，则所产生的光电流与其他噪声电流在相同的量值范围，又会引起测量误差。,2、阳极灵敏度 定义：在一定的工作电压下，阳极输出电流与光通量之比 表达式：3、光电特性曲线 在一定的光通量范围内，与 是成线性关系的，但 大到一定程度，反而下降，出现饱和现象，这是由阴极疲劳造成的。阴极疲劳 经强光照射后，阴极发射电子的速度太高，使得内部来不及补充电子而造成的灵敏度下降。轻度疲劳可通过一段时间的停止工作以恢复，但是光照强度过大可引起大电流，以及电极发热过久而使倍增管永久性损坏。,4、放大倍数G 定义：也即电流内增益 公式：5、伏安特性 在一定的光强照射时，阳极电流与最后一级倍增极和阳极之间的电压的关系，曲线如图，表示不同强度的光照射下测得的伏安特性曲线。,6、暗电流ID 定义：在光电倍增管无光照射时，加上工作电压后的输出电流称为暗电流。暗电流对测量微弱信号不利，它决定了光电倍增管的可测光通量的最小值。来源：阳极和其他电极间的漏电流 热电子发射电流 光反馈及离子反馈引起的反馈电流 与工作电压的关系：阳极电压增加，暗电流也会增加，但同时阳极灵敏度也会增加，在同一电压下，SA与ID的差别越大，说明暗电流在总电流中占的比例越小。最佳工作区：B区。,7、频率特性 截止频率 影响光电倍增管频率特性的主要因素：光电子渡越时间，其决定于 a、不同电极、不同部位发出的电子到达阳极的实际不同距离 b、极间电容 c、负载电阻 8、噪声特性 对电磁屏蔽良好的光电倍增管，其噪声的主要来源是散粒噪声和负载电阻产生的热噪声。总噪声电流为 是考虑倍增过程的起伏性质而引入的噪声倍增因子，这部分额外的噪声称为过剩噪声。,第七章作业,1 82 93 10 45 67,