光电子器件-第二章结型光电探测器课件.ppt

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1、第2章 结型光电探测器,2.1、光伏效应,光伏现象半导体材料的“结”效应,例如：雪崩二极管,光照零偏pn结产生开路电压的效应,光照反偏,光伏效应,光电池,光电信号是光电流,结型光电探测器的工作原理,光电二极管,2.2.硅光电池,光电池是一种不需加偏置电压就能把光能直接转换成电能的PN结光电器件，按光电池的功用可将其分为两大类：即太阳能光电池和测量光电池。,太阳能光电池主要用作向负载提供电源，对它的要求主要是光电转换效率高、成本低。由于它具有结构简单、体积小、重量轻、高可靠性、寿命长、可在空间直接将太阳能转换成电能的特点，因此成为航天工业中的重要电源，而且还被广泛地应用于供电困难的场所和一些日用

2、便携电器中。,测量光电池的主要功能是作为光电探测，即在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号，此时对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性高、寿命长等。它常被应用在光度、色度、光学精密计量和测试设备中。,1.用途 a.作光电探测器使用 红外辐射探测器 光电读出 光电耦合 b.作为电源使用 人造卫星 野外灯塔 微波站,2.2 光电池,光电池能直接将光通量转变为电动势，实际为电压源 结构和工作原理,硼扩散层,P型电极,N型硅片,P-N结,电极,I,光电池的结构原理图,膜,光,光电池有方形 圆形 三角形 环形等,P,N,P,N,Voc,P,N,mA,1.硅光电池的基本结构和工作原理,按硅

3、光电池衬底材料的不同可分为2DR型和2CR型。如图3-9（a）所示为2DR型硅光电池，它是以P型硅为衬底(即在本征型硅材料中掺入三价元素硼或镓等)，然后在衬底上扩散磷而形成N型层并将其作为受光面。,硅光电池的受光面的输出电极多做成如图3-9（b）所示为硅光电池的外形图，图中所示的梳齿状或“E”字型电极，其目的是减小硅光电池的内电阻。,2.硅光电池工作原理,如图3-10所示，当光作用于PN结时，耗尽区内的光生电子与空穴在内建电场力的作用下分别向N区和P区运动，在闭合的电路中将产生如图所示的输出电流IL，且负载电阻RL上产生电压降为U。显然，PN结获得的偏置电压U与光电池输出电流IL与负载电阻RL

4、有关，即,U=ILRL（3-16）,当以输出电流的IL为电流和电压的正方向时，可以得到如图3-11所示的伏安特性曲线。,从曲线可以看出，负载电阻RL所获得的功率为 PL=ILU（3-17）其中，光电池输出电流IL应包括光生电流IP、扩散电流与暗电流等三部分，即,光电池的输出短路电流,无光照时PN结反向饱和电流,电子电量,玻尔兹曼常数,热力学温度,光电池开路输出电压,0.6,0.4,0.2,4000,2000,0,20,40,60,80,100,0.8,1.0,Ge光电池光电特性,1.光电特性,0.6,0,2000,4000,0.2,100,200,300,0.4,Si光电池光电特性,相对灵敏度

5、/,波长,硒,硅,20,0,80,60,40,4000,100,8000,6000,10000,光电池的光谱特性,2.光电池的光谱特性,硒光电池,硅光电池,1500,0,40,20,80,60,3000,100,4500,6000,7500,相对光电流/,/Hz,光电池的频率特性,3.光电池的频率特性,4.光电池的光电转换效率,光电池的输出功率与入射辐射通量之比定义为光电池的光电转换效率，记为。当负载电阻为最佳负载电阻Ropt时，光电池输出最大功率Pm与入射辐射通量之比定义为光电池的最大光电转换效率，记为m。显然，光电池的最大光电转换效率m为,式中是于材料有关的光谱光电转换效率，表明光电池的最

6、大光电转换效率与入射光的波长及材料的性质有关。,（3-24）,2.3 光电二极管,外形,光变化电流变化光电转换器光敏特性,（a）（b）光电二极管的符号与光电特性的测量电路（a）符号（b）光电特性的测量电路,硅光电二极管,光电二极管的伏安特性,有光光电接收二极管反偏状态光电流（恒流）光电流与照度线性关系,无光暗电流,国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底2CU系列光电二极管只有两个引出线，而2DU系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，还设了一个环极。硅光电二极管结构示意图2DU管加环极的目的是为了减少暗

7、电 流和噪声。,光电二极管的受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中又常含有少量的钠、钾、氢等正离子。SiO2是电介质，这些正离子在SiO2中是不能移动的，但是它们的静电感应却可以使P-Si表面产生一个感应电子层。这个电子层与N-Si的导电类型相同，可以使P-Si表面与NSi连通起来。当管子加反偏压时，从前极流出的暗电子流，除了有PN结的反向漏电子流外，还有通过表面感应电子层产生的漏电子流，从而使从前极流出的暗电子流增大。,为了减小暗电流，设置一个N+-Si的环把受光面（N-Si）包围起来，并从N+-Si环上引出一条引线（环极），使它接到比前极电位更高的电位上，为表面漏电子流提供一条不经

8、过负载即可达到电源的通路。这样，即可达到减小流过负载的暗电流、减小噪声的目的。如果使用时环极悬空，除了暗电流、噪声大些外，其它性能均不受影响。2CU管子，因为是以N-Si为衬底，虽然受光面的SiO2防反射膜中也含有少量的正离子，而它的静电感应不会使N-Si表面产生一个和P-Si导电类型相同的导电层，从而也就不可能出现表面漏电流，所以不需要加环极。,光电二极管的用法：光电二极管的用法只能有两种。一种是不加外电压，直接与负载相接。另一种是加反向电压，如图所示。a)不加外电源 b)加反向外电源 c)2DU环极接法实际上，不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二极管一样，只有单向导电性，而表现不出它

9、的光电效应。,加反向电压时，伏安特性曲线常画成如下图所示的形式。与硅光电池的伏安特性曲线图比较，有两点不同。一是把硅光电池的伏安特性曲线图中、象限里的图线对于纵轴反转了一下，变为上图(a)。这里是以横轴的正向代表负电压，这样处理对于以后的电路设计很方便。二是因为开路电压UOC一般都比外加的反向电压小很多，二者比较可略而不计，所以实用曲线常画为上图(b)的形式。,微变等效电路与频率特性：光电二极管的等效电路可表达如下：其中图a为实际电路；图b为考虑到光电二极管结构、功能后画出的微变等效电路，其中Ip为光电流，V为理想二极管，Cf为结电容，Rsh为漏电阻，Rs为体电阻，RL为负载电阻；图c是从图b

10、简化来的，因为正常运用时，光电二极管要加反向电压，Rsh很大，Rs很小，所以图b中的V、Rsh、Rs都可以不计，因而有图c的形式；,图d又是从图c简化来的，因为Cf很小，除了高频情况要考虑它的分流作用外，在低频情况下，它的阻抗很大，可不计。因此具体应用时多用图d和图c两种形式。流过负载的交变电流复振幅为：ILIp1/(1+j),：入射光的调制圆频率，2f，f为入射光的调制频率。=CfRLIL的模量为可见，IL是频率的函数，随着入射光调制频率的增加而减小。当=1/时，这时f=1/2称为上限截止频率，或称为带宽。,几种国产2CU型硅光电二极管的特性,几种国产2DU型硅光电二极管的特性,2.4 其他

11、类型的光生伏特器件,PIN型光电二极管,为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，消除在PN结外光生载流子的扩散运动时间，常采用在P区与N区之间生成I型层，构成如图3-6（a）所示的PIN结构光电二极管，PIN结构的光电二极管与PN结型的光电二极管在外形上没有什么区别，都如图3-6（b）所示。,PIN光电二极管在反向电压作用下，耗尽区扩展到整个半导体，光生载流子只产生漂移电流，因此，它的时间响应只取决于 与，在10-9s左右。,dr,RC,P,N,I,导带,价带,信号光,PIN光电二级管,P型层很薄使光子很快进入I区I区电阻很大可加较高电压高的电阻使暗电流明显减小，这些产生的光生电子空穴对将立刻被

12、电场分离并作快速漂移运动I区加入增大了耗尽层厚度减小了结电容CJ，提高了量子效率漂移时间约为 相当于f=KMHz,入射光照射在P层上，由于P层很薄，大量的光被较厚的I层吸收，激发较多的载流子形成光电流；又PIN结光电二极管比PN结光电二极管施加较高的反偏置电压，使其耗尽层加宽。当P型和N型半导体结合后，在交界处形成电子和空穴的浓度差别，因此，N区的电子要向P区扩散，P区空穴向N区扩散。P区一边失去空穴，留下带负电的杂质离子，N区一边失去电子，留下带正电的杂质离子，在PN交界面形成空间电荷，即在交界处形成了很薄的空间电荷区，在该区域中，多数载流子已扩散到对方而复合掉，即消耗尽了，耗尽层的电阻率很

13、高。扩散越强，耗尽层越宽，PN结内电场越强，加速了光电子的定向运动，大大减小了漂移时间，因而提高了响应速度。PIN结光电二极管仍然具有一般PN结光电二极管的线性特性,图7-28 PIN光电二极管,最大特点：频带宽，可达10GHz。另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。不足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。,PIN管,PIN管是光电二极管中的一种

14、。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。这样，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。由式=CfRL与f=1/2知，Cf小，则小，频带将变宽。因此，这种管子最大的特点是频带宽，可达10GHz。另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。,PIN硅光电二极管,由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。所不足的是，I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管

15、壳内的商品出售。,PIN光电二极管光电转换,雪崩光电二极管,雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。这种管子工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。,雪崩二极管,当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的自持雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电

16、压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。,雪崩光电二极管,PIN光电二极管提高了PN结光电二极管的时间响应，但未能提高器件的光电灵敏度，为了提高光电二极管的灵敏度，人们设计了雪崩光电二极管，使光电二极管的光电灵敏度提高到需要的程度。,1.结构,图3-7（a）所示为在P型硅基片上扩散杂质浓度大的N+层，制成P型N结构；图3-7（b）所示为在N型硅基片上扩散杂质浓度大的P+层，制成N型P结构的雪崩光电二极管；图3-7（c）所示为PIN型雪崩光电二极管。,由于PIN型光电二极管在较高的反向偏置电压的作用下耗尽区扩展到整个PN结结区，形成自身保护（具有很强的抗击穿功能），因此，雪崩光电二极管

17、不必设置保护环。,市场上的型雪崩光电二极管基本上都是PIN型雪崩光电二极管。,雪崩式光电二极管（APD）,在PN结的P区外增加一层掺杂浓度极高的P+层，且在其上加上高反偏压。当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子-空穴对。如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上，初始电子（一次电子）在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子-空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，,图7-29 雪崩式二极管,雪崩光敏二级管（APD）,P,N,类似光电倍增管，具有内部电流增益,雪崩倍增光电流,无雪崩倍增

18、时的反向饱和电流,倍增因子,外加电压,击穿电压,常数，约为13,2.工作原理,雪崩光电二极管为具有内增益的一种光生伏特器件。它利用光生载流子在强电场内的定向运动，产生的雪崩效应获得光电流的增益。,电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数，这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加，其电流倍增系数M定义为,（3-10）,式中，I为倍增输出的电流，I0为倍增前输出的电流。,雪崩倍增系数M与碰撞电离率有密切的关系。碰撞电离率表示一个载流子在电场作用下，漂移单位距离所产生的电子空穴对数目。实际上电子电离率和空穴电离率 是不完全一样的，它们都与电场强度有密切关系。由实验确定，电离率与电场强度E可以近似

19、的写成以下关系,n,p,（3-10）,式中,A、b、m都为与材料有关系数。,假定=时，可以推导出倍增系数与电离率的关系为,n,p,（3-11）,XD为耗尽层的宽度。上式表明，当,（3-12）,在强电场作用下，当通过耗尽区的每个载流子平均能产生一对电子空穴时，就发生雪崩击穿现象。当M时，PN结上所加的反向偏压就是雪崩击穿电压UBR。,实验发现，在略低于击穿电压时，也发生雪崩倍增现象，不过M较小，这时M随反向偏压U的变化可用经验公式近似表示,从图3-8所示的伏-安特性曲线可以看出，在雪崩击穿点附近电流随偏压变化的曲线较陡，当反向偏压有较小变化时，光电流将有较大变化。,3.噪声,由于雪崩光电二极管中

20、载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后的运动方向更是随机的，所以它的噪声比一般光电二极管要大些。在无倍增的情况下，其噪声电流主要为如式（3-6）所示的散粒噪声。当雪崩倍增M倍后，雪崩光电二极管的噪声电流的均方根值可近似由下式计算。,（3-15）,式中指数n与雪崩光电二极管的材料有关。对于锗管，n=3；对于硅管为2.3n2.5。显然，由于信号电流按M倍增加，而噪声电流按Mn/2倍增加。因此，随着M增加，噪声电流比信号电流增加得更快。,特点 雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。这种管子工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这

21、种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。,2.5 光敏三极管光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的

22、很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的倍。,P,P,N,N,N,P,e,b,b,c,RL,E,e,c,普通三极管,光敏三极管,IC,IB,e,EB,EC,IE,RC,Rb,c,b,N,N,P,基区很薄，基极一般不接引线；集电极面积较大。,2.5 光电三极管,光电三极管与普通半导体三极管一样有两种基本结构，NPN结构与PNP结构。用N型硅材料

23、为衬底制作的 NPN结构，称为 3DU型；用P型硅材料为衬底制作的称为PNP结构，称为3CU型。图3-12所示为3DU型光电三极管的工作原理及其符号。,图(a)所示为NPN型光电三极管的原理结构图；图(b)所示为光电三极管的电路符号。,1.工作原理,光电三极管的工作原理分为两个过程：一是光电转换；二是光电流放大。,集电极输出的电流为,(3-25),光电三极管的电流灵敏度是光电二极管的倍。相当于将光电二极管与三极管接成如图3-12(c)所示的电路形式，光电二极管的电流Ip被三极管放大倍。,为提高光电三极管的增益，减小体积，常将光电二极管或光电三极管及三极管制作到一个硅片上构成集成光电器件。,如图

24、3-13所示为三种形式的集成光电器件。图3-13(a)所示为光电二极管与三极管集成而构成的集成光电器件，它比图3-12(c)所示的光电三极管具有更大的动态范围，因为光电二极管的反向偏置电压不受三极管集电结电压的控制。图3-13(b)所示的电路为图3-12(c)所示的光电三极管与三极管集成构成的集成光电器件，它具有更高的电流增益（灵敏度更高）。,2.光电三极管特性,1）伏安特性,图3-14所示为硅光电三极管在不同光照下的伏安特性曲线。光电三极管在偏置电压为零时，无论光照度有多强，集电极电流都为零。偏置电压要保证光电三极管的发射结处于正向偏置，而集电结处于反向偏置。随着偏置电压的增高伏安特性曲线趋

25、于平坦。,光电三极管的伏安特性曲线向上偏斜，间距增大。这是因为光电三极管除具有光电灵敏度外，还具有电流增益，并且，值随光电流的增大而增大。,光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。,（2）光谱特性,相对灵敏度/%,硅,锗,入射光,/,4000,8000,12000,16000,100,80,60,40,20,0,硅的峰值波长为9000，锗的峰值波长为15000。由于锗管的暗电

26、流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。,光敏晶体管的光照特性,I/A,L/lx,200,400,600,800,1000,0,1.0,2.0,3.0,（3）光照特性 光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的输出电流 I 和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。,4）温度特性,硅光电二极管和硅光电三极管的暗电流Id和光电流IL均随温度而变化，由于硅光电三极管具有电流放大功能，所以硅光电三极管的暗电流Id和亮

27、电流IL受温度的影响要比硅光电二极管大得多，图3-17（a）所示为光电二极管与三极管暗电流Id与温度的关系曲线，随着温度的升高暗电流增长很快；,图3-17（b）所示为光电二极管与三极管亮电流IL与温度的关系曲线，光电三极管亮电流IL随温度的变化比光电二极管亮电流IL随温度的变化快。,（5）光敏三极管的频率特性 光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。,0,100,1000,500,5000,10000,20,40,6

28、0,100,80,RL=1k,RL=10k,RL=100k,入射光调制频率/HZ,相对灵敏度/%,光敏晶体管的频率特性,光电阴极与光电倍增管,实验证明，光敏三极管的截止频率和它的基区厚度成反比关系。如果要求截止频率高，那么基区就要薄；但基区变薄，光电灵敏度将降低，在制造时要适当兼顾两者。,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,