光电检测技术3讲解

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1、第3章 结型光电器件 结型光电器件是利用光生伏特效应工作的光电 探测器件。 按结的种类不同，可分为PN结型，PIN结型和 肖特基结型等。 光电池 光电二极管 光电晶体管 PIN光电二极管 雪崩光电二极管 光可控硅 象限式光电器件 位置敏感探测器（PSD） 光电耦合器件 结型光电器件包括 1 3.1 结型光电器件工作原理 3.1.1.热平衡状态下的PN结 在热平衡条件下，PN结中净电流为零。有外加电 压时结内平衡被破坏，这时流过PN结的电流方程为? 3.1.2.光照下的PN结 1.PN结光伏效应 PN结受光照射时，在结区产生电子-空穴对。受 内建电场的作用，空穴顺着电场运动，电子逆电场 运动，最

2、后在结区两边产生一个与内建电场方向相 反的光生电动势称为光生伏特效应。 想一想方 程的表达 形式? PN结反偏,耗尽层变宽,内电场加强,漂移运动增强,形 成漂移电流.漂移电流方向为:电源正-N-P-电源负,方向正 好和扩散电流相反,所以叫反向电流.反向电流由少数载流 子产生,而少数载流子低且环境温度不变时,其浓度也不变; 更需要注意的是外加反向电压达一定值后,因少子有限,这 时,反向电流基本不随外加电压增加而增加,这时反向电流 叫反向饱和电流,其值小,但随温度变化剧烈. 2 2.光照下PN结的电流方程 结型光电器件有两种工作模式:光伏工作模式 和光电导工作模式 在零偏置的开路状态，结型光电器件

3、产生光生 伏特效应，称为光伏工作模式。在反偏置状态，无 光照时结电阻很大，结电流很小；有光照时，结电 阻变小，电流变大，而且流过它的光电流随照度变 化而变化，称为光电导工作模式。 ? 3 SE :光电灵敏 度 当负载电阻RL断开(IL0)时，P端对N端的电压 称为开路电压，用Voc表示 IpI0 当负载电阻短路(即RL=0)时，光生电压接近于零 ，流过器件的电流叫短路电流，用Isc表示 V 为结电压 光伏效应有两个重要参数:开路电压和短路电 流,他们的定义都可以从PN结电流方程出发而得到. 短路电流在弱光照射下与照度正比 一定温度下,开路电压与光照度成对数关系,但最大值 不超过接触电势差:硅接

4、触电势差?,锗接触电势差? 4 受光照后，光生 电子-空穴对在电场 作用下形成大于I0的 光电流，并且方向与 I0相同，因此曲线将 沿电流轴向下平移到 第四象限。 无光照时，伏 安特性曲线与一般 二极管的相同，二 极管就工作在这 个 状态，伏安特性曲 线处于第一象限。 如果给PN结加一反偏电压Ub，PN结的势垒高度 由qUD增加到q(UD+Ub)，使光照产生的电子-空穴对在 强电场作用下更易进行漂移运动，提高了器件的频率 特性。 PN结光电器件在不同照度下的伏安特性曲线 平移的幅度与 光照的变化成正比 ，即Ip=SEE。光电 池就是依据这个原 理工作的。 当PN结反偏时， 暗电流随反向偏压的增

5、 大有所增大，最后等于 反向饱和电流I0，而光 电流Ip几乎与反向电压 大小无关。光电二极管 和光电三极管就工作在 这个象限 5 太阳能光电池主要用作电源，它结构简单、体 积小、重量轻、可靠性高、寿命长、能直接将太阳 能转换成电能，不仅是航天工业上的重要电源，也 广泛应用于人们的日常生活中。 测量光电池主要功能是作为光电探测用，对它 的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、 稳定性好、寿命长，被广泛应用在光度、色度、光 学精密计量和测试中。 3.2 硅光电池 光电池主要功能是在零偏置的情况下能将光 信号转换成电信号。按用途光电池可分为太阳能 光电池和测量光电池 光电池是一个PN结，根据制作

6、PN结材料的不同， 光电池有硒光电池，硅光电池、砷化镓光电池和锗 光电池四种。 太阳能电池式电热水器，利用太阳能电池组在光照下 发电，向装在使用220V交流电的热水器水箱里的200W/12V 加热器提供电能，使水温升高的装置。也可把太阳能电池式 电热水器的200W/12V加热装置，直接按装在普通的电热水 器上。一年四季都可以使用，它可以调节水温，比普通电热 水器省电 6 2DR型硅光电池是以P型硅作基底，2CR型光 电池则是以N型硅作基底，然后在基底上扩散磷（ 或硼）作为受光面。构成PN结后，分别在基底和 光敏面上制作输出电极，涂上二氧化硅作保护膜 ，即成光电池。 结构示意图符号电极结构 为便

7、于 透光和 减小串 联电阻 3.2.1.硅光电池的基本结构和工作原理 硅光电池按基底材料不同分为2DR型和2CR型。 7 工作原理如下图所示 硅光电池的电流方程 光照特性有伏安特性、照度-电流电压特性和 照度-负载特性。 3.2.2.硅光电池的特性参数 1.光照特性 特性参数主要有：光照特性、光谱特性、频 率特性、温度特性 8 式中，ID是结电流，I0是反向饱和电流，是光电池加 反向偏压后出现的暗电流。 不同照度时的伏-安特性 曲线.一般硅光电池工作 在第四象限。若硅光电池 工作在反偏置状态，则伏 安特性将延伸到第三象限 硅光 电池 电流 方程 式 当E=0时 硅光电池的伏安特性，表示输出电流

8、和电压随负 载电阻变化的曲线。 9 在要求输出电流与光 照度成线性关系时，负载 电阻在条件许可的情况下 越小越好，并限制在强光 照范围内使用 当RL=(开路)时，光电池的开路电压，以Voc表示 当RL0 时所得的电流 称为光电池短路电流， 以Isc表示 实际应用时，都接 负载，光电池光照与负 载的特性曲线 Voc 在线性测量中,光 电池常以电流形式使 用,因此短路电流的这 种线性关系是光电池 重要的光照特性 这就是硅光电池 的开路电压和短 路电流与光照的 关系,由此图可看 出什麽? 10 2CR型硅光电池的 光谱曲线，其响应范围 为0.41.1m，峰值波 长为0.80.9m，是非 常适合人眼的

9、光电池 2.光谱特性 光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件 下，光电池所产生的短路电流与入射光波长之间的关 系，一般用相对响应表示。 线性测量中，要求光电池有高的灵敏度和稳定 性，同时要求与人眼视见函数有相似的光谱响应特 性。 锗光电池长波响 应宽，适合作红 外探测器 几种常见光电池的 相对光谱响应曲线:硒光 电池与人眼视见函数相 似，砷化镓量子效率高 ，噪声低，响应在紫外 区和可见光区。 11 由图可见，负载大时频 率特性变差，减小负载可减 小时间常数，提高频响。 但是负载电阻RL的减小会使 输出电压降低，实际使用时 根据具体要求而定。 3.频率特性 对矩形脉冲光，用光电流上升时间常数

10、tr和下降时 间常数tf来表征光电流滞后于光照的程度；对正弦型光 照常用频率特性曲线表示 结型光电器件，PN结内载流子的扩散、漂移，产 生与复合都需要一定的时间，当光照变化很快时，光 电流变化就滞后于光照变化。 右图为硅光 电池的频率 特性曲线。 12 4温度特性 光电池的温度特性曲线主要指光照射时它的开路 电压Uoc与短路电流Isc随温度变化的情况。 光电池的温度特性曲线如下图所示 从图知开路电压Uoc 随着温度的升高而减小, 其值约为23mV/oC;短路 电流Isc随着温度的升高而 增大，但增大比例很小， 约为10-510-3mA/oC数量 级。 13 3.3.1.硅光电二极管结构及工作原

11、理 3.3 硅光电二极管和硅光电三极管 制作光电二极管的材料有硅、锗、砷化镓、碲化 铅等，目前在可见光区应用最多的是硅光电二极管。 光电二极管是基于PN结的光电效应工作的，它主 要用于可见光及红外光谱区。光电二极管通常在反偏 置条件下工作，也可用在零偏置状态。 硅光电二极管的结构和工作原理与硅光电池相 似，不同的地方是： 光电池的光敏面面积比硅光电二极管的光敏面大 得多，因此硅光电二极管的光电流小得多，通常在 微安级。 制作光电池衬底材料的掺杂浓度比硅光电二极管 高:光电池为10161019原子数厘米3，硅光电二极 管为10121013原子数厘米3； 光电池的电阻率低，约为0.10.01欧姆厘

12、米， 硅光电二极管为1000欧姆厘米； 光电池在零偏置下工作，硅光电二极管在反向偏 置下工作； 14 2DU系列以P-Si为衬底，有三个引出线：前极、 后极、环极。加环极的目的是为了减少暗电流和噪 声，环极与前极相联。 硅光电二极管通常用反偏的光电导工作模式。 无光照时，若给PN结加适当的反向电压，则加强了 内建电场，使PN结空间电荷区变宽，势垒增大。 光照硅光电二极管时，在结区产生的光生载流 子被强内建电场拉开，光生电子被拉向N区，光生 空穴被拉向P区，于是形成以少数载流子漂移运动为 主的光电流。 当硅光电二极管与负载电阻RL串联时，在RL的 两端便可得到随光照度变化的电压信号。从而完成 了

13、将光信号转变成电信号的转换。 根据衬底材料的不同硅光电二极管分为2DU型和 2CU型两种系列。 2CU系列以N-Si为衬底, 2CU系列光电二极管只 有两个引出线。 15 3.3.2.硅光电三极管 硅光电三极管具有电流放大作用，它的集电极 电流受基极的电流或光强控制。硅光电三极管的外 型有光窗,管脚有三根引线或二根引线,管型分为PNP 型和NPN型,NPN型称3DU型,PNP型称3CU型。 以3DU型为例说明硅光电三极管的结构和工作原理。 以N型硅片作衬底，扩散硼 而形成P型，再扩散磷而形成重 掺杂N+层。在N+侧开窗，引出 一个电极作“集电极c”，中间的P 型层引出“基极b”，也可以不引 出

14、来，在N型硅片的衬底上引出 一个 “发射极e”。 这就构成一个光电三极管。 +5 +3 16 工作时时需保证证集电电结反偏，发发射结正偏。集电 结反偏，结内有很强的内建电场。对3DU型来说，内 建电场的方向是由c到b，如果有光照到集电结上，在 内建电场的作用下，光生载流子中的电子流向集电区 ，空穴流向基区，相当于外界向基极注入一个控制电 流：IbIp，当基极没有引线时，此时集电极电流为 在原理上完全可以把它看 成是一个由硅光电二极管与普 通晶体管结合而成的组合件。 式中 为晶体管的电流放大倍数；E为入射光 照度；SE为光电灵敏度。 由此可见，光电三极管的光电转换是在集-基结内 进行的，集电极、

15、基极和发射极又构成一个有放大作 用的晶体管。 17 为了改善频率响应，减小体积，提高增益，已 研制出集成光电晶体管，它是在一块硅片上制作一 个硅光电二极管和三极管 ： 3.3.3.硅光电三极管与硅光电二极管特性比较 1.光照特性 光照特性是指硅光电二极管和硅光电三极管的光 电流与照度之间的关系曲线 18 由图可见，硅光电二极管的光照特性的线性较 好，硅光电三极管的光电流在弱光照时有弯曲，强 光照时又趋向于饱和，只有在中间一段光照范围内 线性较好，这是由于硅光电三极管的电流放大倍数 在小电流或大电流时都要下降造成的。 硅光电二极管和硅光电三极管的光照特性曲线 19 在一定的偏压下，硅光电三极管的伏安特性曲线 在低照度时间隔较均匀，在高照度时曲线越来越密， 虽然硅光电二极管也有，但硅光电三极管严重得多， 这是因为硅光电三极管的 是非线性的。 当工作电压较低时输出的光电流有非线性，硅光 电三极管的非线性较严重，这是因为硅光电三极管的 与工作电压有关。为了得到较好线性，要求工作电 压尽可能高些； 2.伏安特性 伏安特性表示为当入射光的照度(或光通量)一 定时，光电二极管和光电三极管输出的光电流与所 加偏压的关系。 硅光电二极管硅光电三极管 由图可见，两条特性曲线有以下四点不同： 在相同照度下，一般硅光电三极管的光