教学课件：第六章-光电子技术案例.ppt

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1、第六章：光伏探测器,光伏探测器：利用半导体p-n结光伏效应制作 的探测器;探测器类型：根据内建电场形成的结势垒的不 同，有p-n结势垒，PIN结势垒,金属半导体的肖特基势垒 等。主要内容:光电池、光电二极管、PIN光电二极 管、雪崩二极管、光电三极管等,6.1 光伏探测器的工作原理,1、光生电动势的产生过程,2、光照后产生的电流：两部分电流：光电流Ip 光生电压产生的正向电流I,（6.1）,(没有内增益),结区的总电流I为：,V为光生电动势，Iso反向饱和电流,3、光照后的伏安特性曲线,第一象限：加正向偏压，p-n结暗电流ID光生电流，光探测器不工作在这个区域。第三象限：p-n结加反向偏压，此

2、时p-n结暗电流IDIsoIp,IIp+Iso=Ip,光探测器多工作在这个区域。,总结：光伏探测器工作于 反偏电压状态,4、光伏探测器的两个重要参数：(1)开路电压;(2)短路电流;,（1）光伏探测器p-n结开路电压Voc(光电池的重要参数)开路时，即I=0时，由公式(6.1)得到电压为：,(6.2),（2）短路电流（光电二极管的参数）短路时，V=0,I+=0,I短,（6.3）,6.2.,光伏探测器的噪声,噪声主要有：（1）散粒噪声（2）热噪声,总噪声为：,反偏工作时，Rd非常大，因热噪声可忽略不计。,总噪声为：,I 主要由暗电流和光电流组成，因此,（6.4）,（1）无光照时：在零偏置时：流过

3、p-n结的电流包含热激发产生的正向和反向的暗电流，它们对总电流的贡献为零，而对噪声的贡献是叠加的，因此总噪声为：,当器件处于负偏压工作时：由于ID0，上式写成：,总结：无光照时，负偏压可以抑制噪声,（2）有光照时：偏压为0时，流过p-n结的电流有三部分，总噪声为：,当器件处于负偏压工作时，由于由于ID0，因此总噪声为：,总结：为降低暗电流噪声，探测器需工作在负偏压,6.3光伏探测器的性能参数,（1）响应率：由6.2式，可得电压响应率为：,在弱光照射下，即IpIso时，上式可以写为：,（6.5）,反向饱和电流为：,npo和pno为少数载流子浓度；Dn和Dp分别为电子和空穴的扩散系数，Ln、Lp分

4、别为电子和空穴的扩散长度，Ad为探测器的光敏面积。,(6.2),(2)探测率：,Rv与器件工作温度、光敏面的面积、少数载流子的浓度和扩散有关；而与与外偏压无关。,只考虑散粒噪声且在弱光条件下：,零偏压时,弱光条件下有：,因此探测率为：,b）反偏压工作时,弱光条件下有：,反偏压工作时的探测率为零偏压工作时的 倍，因此光伏探测器一般工作于反偏压。探测率与负载电阻有关，要适当选取负载电阻。,(3)光谱特性,硅和锗材料：近红外和可见光波段锗光电二极管：响应峰值波长1.4um1.5um，长波 限为1.8um，短波限为0.41um，硅光电二极管：峰值波长0.80.9umHgCdTe、PbSnTe等光伏探测

5、：通过控制温度及组 分可以到13um和 814um。,(4)温度特性,光伏探测器的噪声特性和光电流都与温度有关系,6.4光伏探测器实例-光电池及光伏探测器,光电池：能源和探测器件；光伏探测器：光电信号变换；在微弱快速信号探 测方面有重要的应用,一、光电池,光电池：不需加偏压就能把光能转换成电能；按用途分类为：太阳能电池(转换效率高，结构简单、体积小、重量轻、可靠性强、成本低)；测量光电池(线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好）：在光度学、色度学、光学精密计量和测试中有广泛的应用。,硅光电池：工艺最成熟，应用最广泛，具有高效率、宽的光谱响应、良好的频率响应特性、高稳定性及耐高能辐射等优点

6、。单晶硅：变换效率最高，已达以上，但价格也最贵；非晶态硅：变换效率最低，但价格最便宜，最有希望用于一般发电。,光电池材料：硅、硒、锗、砷化镓等四大类；,硒光电池：光谱响应与人的视觉函数很相似，由于稳定性很差，目前已经被硅光电池取代；,砷化镓光电池：量子效率高，噪声小，光谱响应在紫外 和可见区域，适用于光度测量；,锗光电池：长波响应宽，适合作近红外探测器；,(1)硅光电池结构,国产为2DR和2CR型两种系列2DR结构特点：P型硅为基片，扩散磷形成n型薄膜，构成p-n结。有较强的抗辐射能力，适合空间使用2CR结构特点：n型硅为基片，扩散硼形成p型薄膜，构成p-n结。一般在地面上作光电探测器使用。,

7、栅状电极：可以有效增大光敏面积和减少电极与光敏面的接触电阻.,光电池工作于有负载的情况,其工作原理：,负载电压为：,工作特点：光电池工作特性与负载关系很大。I与P线性关系要求不高，只要求IV最大。因此不同的入射光功率要求不同的电阻值。,最佳负载电阻的确定方法,（2）光谱特性：光电池的光谱响应取决于材 料的性能。,Se:峰值响应波长0.57um，可见光波段的敏感元件Si:光谱相应在0.41.1um，峰值响应波长0.85um,(3)频率特性：光电池的响应频率一般不太高，硅光电池最高截止频率仅为几十千赫。,原因：光敏面大 极间电容大电路时间常数 RLC较大,(4)温度特性：,二、硅光电二极管,硅光电

8、二极管制作工艺成熟，暗电流和温度系数远小于锗，目前使用的多是硅光电二极管。,图b：是采用单晶硅及磷扩散工艺，称np结构，型号为2DU。,图a：是用n型单晶硅及硼扩散工艺制成，称pn结构，型号为2CU。,特点：环形p-n结，为了消除表面漏电流，工作于较小的负偏 压；通常用平面镜和聚焦透镜作为入射窗口；聚焦透 镜：提高灵敏度，由于了聚焦位置与入射光方向有关，因此能减小杂散背景光的干扰。,伏安特性：工作于反向偏压下，无光照射时的暗电流ID=Iso；光照时Ip，Iso同一方向光电二极管工作于线性区域,曲线分析：反偏压增加，耗尽层加宽，结电场增强，对结区光的吸收及光生载流子的收集效率影响很大，当反偏压进

9、一步增加时，光生载流子的收集已达极限，光电流饱和。性能参数：响应率在：0.40.6uA/uW的量级。光谱响应：可见光+近红外在0.81um波段响应率最高，采用视觉补偿滤波器后，峰值响应波长可转移到560nm左右，但响应率下降。噪声：主要是散粒噪声和热噪声，弱光时，散粒噪声小于热噪声，强光时，散粒噪声大于热噪声。频率响应：光电二极管的频率响应远比硅光电池高，达到MHz量级。,典型光电二极管-滨松(HAMAMATSU)公司产品:SiPhotodiode S1087/S1133 Series,三、光电二极管,(1)本征层厚度近似等于反偏压下耗尽层的厚度，厚度为500um左右(2)本征层相对于n区和p

10、区是高阻区，高电阻使暗电流明显减小。反向偏电主要集中于这个区域，形成高电场区，由于p区很薄，光电变换主要集中在本征层，强电场使光生载流子渡越时间变短，改善了频率响应(3)本征层的引入使得耗尽层加宽，减少了结电容，使电容时间常数变小，响应时间更快；,引入本征层对提高器件灵敏度和频率响应起非常重要的作用。,现有产品的PIN光电二极管性能参数滨松Si PIN Photodiode,大光敏面的PIN光电二极管,噪 声：硅PIN中，热噪声占优势。锗PIN中，暗电流散粒噪声相比较大,四、雪崩光电二极管（APD）,雪崩二极管是具有内增益的光伏探测器，利用光生载流子在高电场区内的雪崩效应获得光电流增益，具有高

11、灵敏度，响应快等优点。,工作原理-雪崩效应,2、雪崩光电二极管结构,特点：（1）基片杂质浓度高（电阻率低），容易产生碰撞电离；（2）基片厚度比较薄，保证有高的电场强度，以便于电子获得足够的能量产生雪崩效应；（3）结边缘做成环状，其作用是减小表面漏电，避免边缘出现局部击穿。材料：通常采用硅或锗材料，也可用III-V族化合物半导体制作。,3、雪崩二极管的特征参数,(1)倍增系数M,IR：为无雪崩倍增时的p-n结 的反向电流；IM：有雪崩增益时的反向电流；,VBR：p-n结击穿电压，与器件工作温度有关，温度升高 时增大；n：与p-n结的材料和结构有关的常数，对于硅器件，n=1.5-4，锗，n=2.5

12、-8。,雪崩倍增系数M、暗电流ID与所加偏压之间的关系：,反偏电压低时，无雪崩效应，M=1，VA增加，倍增系数增大。反偏电压接近击穿电压时（最佳工作偏压：一般为几十伏到几百伏之间），倍增系数增加很快，暗电流增加也很快，这时雪崩增益系数为102-103。,(2)雪崩光电二极管的噪声,同倍增管相似，除普通光电二极管的散粒噪声之外还包含倍增过程引入的噪声，雪崩过程的散粒噪声为：,对于硅，k；对于锗，k=3）。上式可以写成：,其中,（过量噪声因子）,r：电子与空穴电离之比。对于硅材料，r=50左右，锗材料，r=1左右。硅光电二极管噪声小于锗二极管,(3)现有产品的雪崩光电二极管性能参数,(1)体积小，

13、有较高的灵敏度，结构紧凑，工作电 压低，使用方便;(2)性能与入射光功率有关：通常当入射光功率在 1nW到几uW时，倍增电流与入射光具有较好的 线性关系，适合弱光探测。(3)同PIN光电二极管相比，具有更高的灵敏度，由于有内增益，可大大降低对前置放大器的要 求。(4)由于偏压较高，载流子在结区的渡越时间短，结电容很小，所以雪崩光电二极管的响应速度 很快,雪崩光电二极管的特点,五、光电三极管,特点：是有电流内增益的光伏探测器;,(1)、光电三极管基本结构,工作电压：发射结正向电压，集电结反向电压材料：硅npn型居多，锗pnp型居多功能：1、光电转换，在集-基结内进行，与一般二极管相同；2、光电放

14、大：共发射极放大。,e：发射结 b：基极 c：集电极,电位最高,电位较高,电位最低,（2）光电三极管工作原理,光照时：基区产生电子-空穴对，光生电子在电场作用下漂移到集电极，形成光电流，空穴则留在基区，使基极电位升高，发射极便有大量电子经基极流向集电极，对于共发射极的三极管，形成的集电极电流Ic为：,因此，光电三极管主要有两方面的作用：把光信号转换成电信号，光电流放大。,（为共发射极电流放大倍数）,（3）光电三极管特性,A、伏安特性,特点：光功率等间距增大情况下，输出电流并不等间距增大；原因：电流放大倍数随信号光电流的增大而增大所引起的。,B 频率响应 光电三极管的频率响应与结的结构及外电路有

15、关。三极管的响应时间比光电二极管的响应时间长得多。主要影响因素：1、结势垒电容Cbe,Cbc的充放电时间；2、光生载流子渡越基区所需时间；3、电流流经收集区的时间。改进方法：减小结电容Cbe,Cbc，合理选择负载电阻RL，减小基区的厚度，减少复合，使电子快速渡越基区。C光谱特性 硅光电三极管光谱响应峰值在：0.80.9umD应用领域 不适于高速、宽带的光控测系统只应用于要求响应率不高的一般光电探测任务。,六、碲镉汞、碲锡铅光伏探测器(光电二极管),上面介绍的光伏探测器主要工作于可见和近红外，利用II-VI族化合物可以得到对中红外波段特别是8-14um波段灵敏的光伏探测器，例如Hg1-xCdxT

16、e,Pb1-xSnxTe光伏探测器。,1、HgCdTe光伏探测器,特性：(1)工作于室温（300K）时,光谱响应在13um,量子效率0.40.6，响应率103V/W；(2)工作于77k,光谱响应814um,峰值响应波长10.6um，是目前探测CO2激光灵敏度最高，响应最快的较理想的光子探测器,量子效率0.30.4,响应频率700MH。,频率响应：主要取决于电路时间常数RLCd。偏压：可以零偏压，避免偏置电源引入的热噪声，反偏工作可增加量子效应和响应频率。,2、PbSnTe光伏探测器工作温度：15k,77k,300k 光谱响应范围：814um，频率响应：电路时间常数决定，在500MHz左右响应,

17、七、异质结光电二极管,构成：p-n结由两种不同禁带宽度的半导体材料构 成，这种器件又称窄带自滤波探测器,工作原理：光照n-GaAsp-Ge结面，能量大于n-GaAs禁带宽度的光子被GaAs吸收，若GaAs材料的厚度大于光生载流子的扩散长度，则由能量大于GaAs禁带宽度的短波光子所产生的电子-空穴对不能到达结区，对电流没贡献。能量小于GaAs禁带宽度的长波光子能够通过GaAs材料而在p-Ge中被吸收，产生光电流。优点：量子效率高，背景噪声低，信号均匀。,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。,