光电子器件_第二章结型光电探测器

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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

2、用便携电器中。,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,按硅光

3、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

5、敏度/,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

6、的最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

7、2DU管加环极的目的是为了减少暗电流和噪声。,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

8、上，为表面漏电子流提供一条不经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

9、普通二极管一样，只有单向导电性，而表现不出它的光电效应。,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，Rs

10、h为漏电阻，Rs为体电阻，RL为负载电阻； 图c是从图b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。 = CfRL IL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

11、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

12、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

13、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

14、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。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，

15、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,