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1、第06章 半导体结型光电器件 利用半导体光伏效应制作的器件称为光伏探 测器，也称结型光电器件。 PN结受到光照时，可在PN结的两端产生光生 电势差，这种现象则称为光伏效应。 光伏效应： 结型光电器件： 简称PV（Photovoltaic）探测器 结型光电器件 简称PV（Photovolt） 单元器件 线阵器件 四象限器件 结型器件和光电导器件的主要区别 产生光电变换部位不同 光敏电阻：任何部位 结型器件：结区及其附近 外加电压不同 光敏电阻：加偏压，无极性要求 结型器件：加偏压则有极性要求；也可不加 响应速度不同 光敏电阻：慢（取决于载流子产生与复合速度） 结型器件：快（取决于载流子漂移运动）
2、 内增益不同 光敏电阻：大 结型器件：光电三极管、雪崩二极管内增益大 第06章 半导体结型光电器件 6.1 结型光电器件的原理 6.2 常用结型光电器件 6.3 结型光电器件组合器件 6.4 结型光电器件的偏置电路 6.1结型光电器件的原理 光照下的PN结电流方程及伏安特性 电流方程 伏安特性 伏安特性 第一象限：普通二极管，光电流被扩 散电流淹没 ，不能用作光电探测器 伏安特性 第三象限：光电导模式 反偏 光电二极管 工作区域 光电导模式可以减 小载流子的渡越时 间和二极管的极间 电容，有利于提高 器件的响应灵敏度 和响应频率。 第四象限：光伏模式 零偏 光电池 工作区域 伏安特性 光伏模式
3、暗 电流为零 伏安特性 光电二极管 光电池 普通二极管 等效电路 电流源普通二极管 开路电压Uoc和短路电流Isc I=0（负载电阻RL），光 伏探测器两端的电压称为开 路电压 U=0（负载电阻RL=0），流 过光伏探测器称为短路电流 第06章 半导体结型光电器件 6.1 结型光电器件的原理 6.2 常用结型光电器件 6.3 结型光电器件组合器件 6.4 结型光电器件的偏置电路 6.2 常用结型光电器件 6.2.1 硅光电池 6.2.2 硅光电二极管 6.2.3 硅光电三极管 6.2.4 PIN光电二极管 6.2.5 雪崩光电二极管 用途分类： 主要功能是作为光电探测 用，光照特性的线性度好
4、太阳能光电池 测量光电池 主要用作电源，转换效率 高、成本低 (Solar Cells) 6.2.1 硅光电池 材料分类： 硒、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、锗、硅、 砷化镓等 结构： 电极：多做成梳齿 壮，目的 减小串联 电阻和便于透光 SiO2层：增透， 防潮 2DR：型硅作基底，型薄膜为受光面 2CR：型硅作基底，型薄膜为受光面 等效电路 硅光电池电流方程 伏安特性 表示不同照度下，输出电流和电压随负载电 阻变化的曲线 无外加偏压 （自偏压） 照度电流电压特性 照度负载特性 负载小，线性范围大 线性变坏 光谱特性 长波限：取决于材料的 禁带宽度Eg 短波响应度下降原因： 1.等能量曲线，短波
5、光 子数少 2.在表面附近全被吸收 ，复合率高 频率特性 光伏探测器频率特性一般由电路时间常数决定 光电导探测器频率特性一般由载流子寿命决定 要获得快速响应,要使小: 使用小的负载; 选用小面积光电池 光电倍增管频率特性一般由电路时间常数决定 若光电池接收正弦型光照 时常用频率特性曲线表示 综上，负载的选择： RL小：线性好 RL小：频响提高 RL小：输出电压低（ 运放输出） 温度特性 光电池的温度特性是指光照下光电池开路电压 Voc与短路电流Isc随温度的变化情况 温度过高会致 使半导体晶格 破坏，注意强 光照射及散热 入光面高掺杂且薄，基底轻掺杂： 透光 结区宽，以保证吸收更多的入射光 结
6、区多在基底,光生载流子大多产生于结区,省去扩散时间 6.2.2 硅光电二极管 结构： （Photodiode，简称PD） 2CU2DU 重掺杂 衬底材料掺杂浓度较低； 光电池，10161019原子数/厘米3(自身消耗能 量小)。 硅光电二极管：10121013原子数/厘米3 (结区 大) 电阻率较高； 结区面积小（结电容小，C=S/d）； 频率响应快，受光面积小（电流uA量级） 光电池受光面积大（电流mA量级） 通常多工作于反偏置状态； 比较：光电二极管与光电池 科16 表面漏电流 SiO2中的杂质正离子使P 区形成反型层，反型层是 漏电流形成的通道 2DU：环极的电位高于前极 ，大部分漏电流
7、从环极流向 后极，不再流过负载RL 2DU： 无表面漏电 2CU： 输出电路 6.2.3 硅光电三极管 又称为光电晶体管（Phototransistor，简称PT） 光电三极管在电子线路中的符号 硅光电三极管既具有光电二极管的作用，又具有 普通晶体三极管的电流放大作用，因而它内增益 大，输出光电流大 电极：有三根引线的， 也有二根引线的 光电三极管的结构和普 通晶体管类似，但它的 外壳留有光窗 工作电压：集电结反偏，发射结正偏 有基极外引线的产品 便于调整静态工作点 光电三极管可等效为一个硅 光电二极管和一个普通晶体 管组合而成。 光电二极管与光电三极管比较 光电三极管：输出光电流大 光电特性
8、“非线性” ,频率特性较 差 光照特性 伏安特性 在相同照度下，硅光电二极管的光电流在A级 而硅光电三极管的在mA量级。 在零偏置下，硅光电二极管仍有光电流输出， 而硅光电三极管没有光电流输出。 当工作电压较低时，硅光电三极管比光电二级 管非线性严重 在一定的偏压下，硅光电三极管的伏安特性曲 线在低照度时较均匀，高照度时曲线表现出越来越密 。虽然光电二极管也有此现象，但硅光电三极管严重 得多（照度特性） 温度特性 硅光电三极管的光电流和暗电流受温度影响比硅 光电二极管大得多 频率特性硅光电二极管 决定频率响应的主要因素是电路时间常数 对于调制频率为的入射光 减小RL虽能提高频率特 性，但使输出
9、电压下降 （运放） 从电路上看，RL越大输出电压越大，但RL太大会使输出 电压呈非线性 频率特性硅光电三极管 由于非线性光照特性，加之三极管的电流放 大作用，硅光电三极管作为光电开关适合于各种 光电控制。 决定其响应时间的因素 （a）发射结时间常数 （b）集电结时间常数 RL的选择与光电二极管相同采用高增益、低 输入阻抗的运放，改善动态性能 6.2.4 PIN光电二极管 结构： 在掺杂浓度很高的P型半导体和N型半导体之间夹着一层较 厚的高阻本征半导体I 结电容变得更小，频率响应高，带宽可达10GHz； 线性输出范围宽，i层较厚，可承受较高偏压 光电二极管的强光饱和原因光电流过大，导致负载分 压
10、过大，光电管偏压减小，内建电场减小，电流下降 PIN管可提高电源电压，缓解偏压减小对内建电场的影响 量子效率高，灵敏度增大 耗尽层厚度增加，增大了光电转换区域（载流子大多出现 在耗尽区，能在寿命内漂移到PN区，为光电压作贡献） 提高了对长波的吸收 浅结对短波长吸收多，深结对长波长吸收多 特点： 应用： 光通信等快速光检测领域 高反压(100200 V) 强电场 载流子加速 碰撞 新载流子 雪崩倍增 光电流的放大 1.结构原理： 6.2.5 雪崩光电二极管 响应时间:0.5ns 光电增益M:102103 截止频率:f=100GHz 噪声等效功率:10-15w 应用领域:光纤通讯、弱信号检测 、激
11、光测距等领域。 2.光电增益M ： UB为击穿电压 n：13。取决于半导体材 料掺杂，辐射波长。 U增加到接近UB 得到很 大的倍增 U很低 没有倍增现象 U超过UB 噪声电流很大 APD合适工作点： U接近UB，但不超过 UB与温度的关系 稳定APD工作点： 1. 稳压 2. 恒温 稳定APD工作点： 1. 稳压 2. 恒温 APD工作电路举例： W1W2为粗细调电位的变阻器 C为稳压电容 R为限流电阻 第06章 半导体结型光电器件 6.1 结型光电器件的原理 6.2 常用结型光电器件 6.3 结型光电器件组合器件 6.4 结型光电器件的偏置电路 6.3结型光电器件组合器件 也称为集成结型光
12、电器件 6.3.1半导体色敏感器件 6.3.2象限式光电器件 6.3.2光电位置探测器 6.3.4光电耦合器 半导体色敏器件特点：结构简单、体积小、成本低等。 在工业上可以自动检测纸、纸浆、染料的颜色； 医学上可以测定皮肤、牙齿等的颜色； 用于家电中电视机的彩色调整、商品颜色及代码 的读取等 它是非常有发展前途的一种新型半导体光电器件。 6.3.1半导体色敏感器件 1.结构原理 同一块硅片上制造的两个深浅不同的PN结： PD1为浅结，对波长短的光响应率高； PD2为深结，对波长长的光响应率高。 双结光电二极管半导体色敏器件 Isc2/Isc1 2.检测电路 6.3.2象限式光电器件 准直、定位
13、、 跟踪、频谱分析 各种象限式光电器件示意图 工作原理 Vx Vy x Vx Vy y 象限探测器的明显缺点: 由于需要分割,从而产生死区 若被测光斑全部落入某个象限时,输出信 号无法表示光斑位置. 测量精度与光强变化及漂移密切相关 科17 特点：光敏面上无象限分隔线，对光斑位置可进行 连续测量，位置分辨率高 6.3.3光电位置探测器 一维PSD结构 三层： 上面为P层 下面为N层 中间为I层 P层光敏层，电阻均匀 P层的电阻率分布均匀、负载及电极接触电阻为零 6.3.4光电耦合器（对管） 光电耦合器是发光器件与接收器件组合的一种元件 按用途分类： 光电隔离器、光传感器 发光器件： 常采用发光
14、二极管 接收器件： 常用光电二极管、光电三极管、光集成电路等 光传感器: 是一种固体传感器, 主要用以检测物体的 长度或检测物体有无 的状态. 光电隔离器： 在电路之间传送 信息,以便实现电 路间的电气隔离 和消除噪声影响 第06章 半导体结型光电器件 6.1 结型光电器件的原理 6.2 常用结型光电器件 6.3 结型光电器件组合器件 6.4 结型光电器件的偏置电路 6.4 光伏探测器的偏置电路 为使器件正常工作，提供合适的电流或者电压 T Rb +UCC cR 偏置电路: 例如： 意义： 1. 提高探测灵敏度 2. 提高频率响应 3. 降低噪声 4. 线性工作 偏置电压 偏置电阻 反向偏置电
15、路 自偏置电路 6.4.1自偏置电路 2短路或线性电流放大区 3空载电压输出区 1功率放大区 1：光电池 2、3：光电检测、控制 1功率放大区 2短路或线性电流放大区 电流放大型 放大器的输入电阻为： ri =010 线性放大区：线性好、输出光电流大，暗电流近 似为零、信噪比好，适合弱光信号检测。 时间特性好 电压并联负反馈， 输入输出电阻低 3空载电压输出区 RL1M 光电池处于接近开路状态 V+约等于Voc 光照，“+”端电压从 0跳跃到0.450.6V 空载电压输出区：具有很高的光电转换灵敏度，不 需偏置电源，适合于开关或控制电路 电压串联负反馈，输入 电阻高、输出电阻低 电路时间特性差
16、 电压放大型 6.4.2反向偏置电路 反向偏置电路特点： 灵敏度、频带宽度和光电变换线性范围大 反向偏置电路 为了分析问题方 便，将第三象限 特性曲线旋转到 第一象限 与晶体三极管输 出曲线类似 1.基本反向偏置电路 电路图： 回路方程： U(I)为光电二极管的端电压 Ub为偏置电压 负载电阻上的输出信号： 选择负载电阻RL和偏置电压Ub ： 负载电阻的影响 偏置电压的影响 要想使信号不失真，且输出电压最大,负载线应过拐点M 2.反偏光电二极管的运放（晶体管）输出 电路图： 输出电压： Uo= IpRf 具有极小的负载电阻，频率特性好 不易出现信号失真 又能输出较大的电压信号 与基本反向偏置电路相比：
