1、2021/7/261(最新整理最新整理)结型光电探测器结型光电探测器2021/7/262第第2章章 结型光电探测器结型光电探测器 2.1 光生伏特效应光生伏特效应势垒型光电探测器是对光照敏感的势垒型光电探测器是对光照敏感的“结结”构成的，故构成的，故也称结型光电探测器。也称结型光电探测器。光生伏特效应光生伏特效应：两种半导体材料或金属：两种半导体材料或金属/半导体相接半导体相接触形成势垒，当外界光照射时，激发光生载流子，触形成势垒，当外界光照射时，激发光生载流子，注入到势垒附近形成注入到势垒附近形成光生电压光生电压的现象。的现象。光生伏特效应属于光生伏特效应属于内光电效应内光电效应。利用光生伏
2、特效应制成的光电探测器叫做利用光生伏特效应制成的光电探测器叫做势垒型光电势垒型光电探测器探测器.2021/7/263n根据所用结的种类的不同，可分为根据所用结的种类的不同，可分为PN结型、结型、PIN结型、结型、异质结型和肖特基结型等。异质结型和肖特基结型等。v最常用的器件有光电池、光电二极管、最常用的器件有光电池、光电二极管、PIN管、管、雪崩光电二极管、光电三极管和光电场效应管等。雪崩光电二极管、光电三极管和光电场效应管等。2021/7/264n势垒型光电探测器与光电导探测器相比较，主要区别势垒型光电探测器与光电导探测器相比较，主要区别:(1)产生光电变换的产生光电变换的部位部位不同。不同
3、。(2)光电导型探测器没有极性，工作时必须有外加电压，光电导型探测器没有极性，工作时必须有外加电压，而结型探测器有确定的正负极，不需要外加电压也可把而结型探测器有确定的正负极，不需要外加电压也可把光信号变为电信号。光信号变为电信号。(3)光电导探测器为光电导探测器为均质型探测器均质型探测器，均质型探测器的载流子驰，均质型探测器的载流子驰豫时间比较长，响应速度慢、频率响应特性差。而结型探测豫时间比较长，响应速度慢、频率响应特性差。而结型探测器响应速度快、频率响应特性好。器响应速度快、频率响应特性好。另外，雪崩式光电二极管和光电三极管还有很大的内增另外，雪崩式光电二极管和光电三极管还有很大的内增益
4、作用，不仅灵敏度高，还可以通过较大的电流。益作用，不仅灵敏度高，还可以通过较大的电流。势垒型势垒型光电探测器的光电探测器的应用应用非常非常广泛广泛，广泛应用于光度测量、光，广泛应用于光度测量、光开关报警系统、光电检测、图象获取、光通讯、自动控制等方开关报警系统、光电检测、图象获取、光通讯、自动控制等方面。面。2021/7/2652.1.1 PN结结n当当P型与型与N型半导体相接触，型半导体相接触，电子和空穴相互扩散在接电子和空穴相互扩散在接触区附近形成空间电荷区触区附近形成空间电荷区和耗尽层，结区两边形成和耗尽层，结区两边形成内建电场内建电场。n接触电势差接触电势差UD取决于取决于P型型和和N
5、型半导体的费米能级型半导体的费米能级EFp、EFn之差：之差：P N 电 子 扩 散 运 动 空 穴 扩 散 运 动 内 建 电 场E 空 穴 漂 移 电 子 漂 移 1()DFnFpUEEe2021/7/266n加正向电压的结构与能带加正向电压的结构与能带 加反向电压的结构与能带加反向电压的结构与能带 PN结的单向导电性结的单向导电性2021/7/267n设扩散电流设扩散电流I1，一般都规定，一般都规定PN结中的扩散电流方向为流过结中的扩散电流方向为流过PN结电流的正方向，即由结电流的正方向，即由P区通区通过过PN结指向结指向N区，如图区，如图2-3。反。反向饱和漂移电流向饱和漂移电流I0，
6、与扩散电流，与扩散电流方向相反，也称方向相反，也称反向电流反向电流。n I1=I0eeU/kT n其中，其中，k为波尔兹曼常数，为波尔兹曼常数，T为为热力学温度。热力学温度。P N 电 子 扩 散 运 动 空 穴 扩 散 运 动 内 建 电 场 E 空 穴 漂 移 电 子 漂 移 2021/7/268nPN结加上外加电压，流过结加上外加电压，流过PN结的电流为：结的电流为：n Ij=I1-I0=I0(eeU/kT-1)nU为正，即为正，即P区电压高于区电压高于N区，区，即常说的正向电压，此时电流即常说的正向电压，此时电流由由P区流到区流到N区，电流为正值，区，电流为正值，如图如图2-3。nU为
7、负，即为负，即N区电压高于区电压高于P区，区，即通常所说的负向电压，电流即通常所说的负向电压，电流由由N区流到区流到P区，电流为负值，区，电流为负值，如图如图2-4。nPN结的电流电压特性如图结的电流电压特性如图2-5中的无光照的中的无光照的I-U曲线。曲线。2021/7/269不同光照下的伏安特性曲线不同光照下的伏安特性曲线 一般硅光一般硅光电池工作在第电池工作在第四象限四象限。若硅。若硅光电池工作在光电池工作在反偏置状态，反偏置状态，则伏安特性将则伏安特性将延伸到第三象延伸到第三象限限 普通二极管工作在第一象限普通二极管工作在第一象限；光电二极；光电二极管工作在第三象限，否则没有光电效应。
8、管工作在第三象限，否则没有光电效应。2021/7/26102.1.2 PN结光生伏特效应结光生伏特效应外接电路开路时，光生载流子积累在外接电路开路时，光生载流子积累在PN结两侧，光生电压最大，结两侧，光生电压最大，即光生电势即光生电势Uoc，等于费米能级分开的距离，称，等于费米能级分开的距离，称Uoc为开路电压。为开路电压。外接电路短路时，流过电路的电流为短路时的光生电流，称外接电路短路时，流过电路的电流为短路时的光生电流，称Isc为为短路电流，短路电流在短路电流，短路电流在PN结中结中NP（电流方向），在外回路中由（电流方向），在外回路中由PN。2021/7/2611nPN结在有光照的电流电
9、压曲线，结在有光照的电流电压曲线，与普通的二极管的电流电压特性相与普通的二极管的电流电压特性相区别区别:n相当于在回路中加了一个反向电势，相当于在回路中加了一个反向电势，所以产生了光生伏特效应的光电二所以产生了光生伏特效应的光电二极管的电流电压特性发生了移动。极管的电流电压特性发生了移动。n当当I=0时，时，U=Uoc，即，即光生电势光生电势。n当当U=0时，时，I=Isc，即，即光生电流光生电流。比较图比较图2-5的曲线的曲线和和，随着光，随着光照的增强，曲线向下移动，光生电照的增强，曲线向下移动，光生电势和电流增加。势和电流增加。2021/7/26122.2 光电池光电池n光电池光电池是直
10、接把光变成电的光电器件，由于它是利用各种势垒的光是直接把光变成电的光电器件，由于它是利用各种势垒的光生伏特效应制成的，故称为光生伏特电池，简称光电池。生伏特效应制成的，故称为光生伏特电池，简称光电池。n按按用途用途分：太阳能光电池、测量光电池。分：太阳能光电池、测量光电池。n按按材料材料分：硅光电池、锗光电池、硒光电池、硫化镉光电池、砷化分：硅光电池、锗光电池、硒光电池、硫化镉光电池、砷化镓光电池。镓光电池。n其中最受重视的是硅光电池、硒光电池。其中最受重视的是硅光电池、硒光电池。n硅材料研究得最充分，硅光电池具有一系列的优点，如性能稳定、硅材料研究得最充分，硅光电池具有一系列的优点，如性能稳
11、定、寿命长、光谱响应范围宽、频率特性好、能耐高温。寿命长、光谱响应范围宽、频率特性好、能耐高温。n硒光电池的光谱响应曲线与人眼的光视效率曲线相似。硒光电池的光谱响应曲线与人眼的光视效率曲线相似。n应用应用：应用于光能转换、光度学、辐射测量、光学计量和测试、激：应用于光能转换、光度学、辐射测量、光学计量和测试、激光参数测量等方面。光参数测量等方面。2021/7/26132.2.1 光电池的结构光电池的结构n结构有两种：一种是结构有两种：一种是金属金属半导体接触型半导体接触型，硒，硒光电池即属此类。另一种是光电池即属此类。另一种是PN结型结型，硅光电，硅光电池属池属PN结型。结型。n硅光电池的结构
12、形式有多种，按基底材料可分硅光电池的结构形式有多种，按基底材料可分为为2DR型和型和2CR型。型。2021/7/2614n PN结光电池的结构图结光电池的结构图受光表面上涂保护膜，减小反射损失，增加对入射光受光表面上涂保护膜，减小反射损失，增加对入射光的吸收，同时又可以防潮，防腐蚀如镀的吸收，同时又可以防潮，防腐蚀如镀SiO2，MgF2。上电极一般多做成栅指状，其目的是便于透光和减小上电极一般多做成栅指状，其目的是便于透光和减小串联电阻。串联电阻。2021/7/2615n除典型结构型式的硅光电池以外，按不同用途，除典型结构型式的硅光电池以外，按不同用途，还有些特殊的结构型式还有些特殊的结构型式
13、 象 限 式 阵 列 式 2021/7/2616n光电池的符号、连接电路光电池的符号、连接电路 2021/7/2617测量用的光电池测量用的光电池太阳能光电池太阳能光电池2021/7/26182.2.2 光电池的电流与电压光电池的电流与电压nPN结中有三种电流：结中有三种电流：扩散电流扩散电流I1、漂移电流漂移电流I0、光生电流光生电流Ip 2021/7/2619光照引起电压和势垒的变化光照引起电压和势垒的变化 P N +产 生 电 势 -光 生 电 流 漂 移 电 流 扩 散 电 流 外 电 路 电 流 )1(/0kTeupeIII)1ln(0IIekTupocRIIpsc/000(1)eU
14、 kTeU kTjII eII e开路电压开路电压Uoc：短路电流短路电流Isc：外电路的电流外电路的电流I：结电流结电流=扩散电流扩散电流-漂移电流漂移电流 2021/7/2620n IP与单色辐射的光功率与单色辐射的光功率P可写成：可写成：Ip=RPnR光谱灵敏度。光谱灵敏度。n光谱灵敏度与光的入射方式有关，是一个复杂光谱灵敏度与光的入射方式有关，是一个复杂的关系式。的关系式。n为了计算使用简单，光生电流为了计算使用简单，光生电流IP与入射单色辐与入射单色辐射的功率射的功率P可简写为如下的关系：可简写为如下的关系：pPIehv2021/7/2621 2.2.3 光电池的主要特性光电池的主要
15、特性1光照特性光照特性是指光电池的光生电动势，光电流与照度的关系。是指光电池的光生电动势，光电流与照度的关系。2000 6000 10000 1000 3000 5000 4 3 2 1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.3 0.2 0.1 0.4 0.3 0.2 0.1 uoc Isc uoe(V)E(lx)E(lx)Isc(mA/cm2)硅硅光电池光电池 硒硒化电池化电池 2021/7/2622n当当RL=0时，外电路短路，电流时，外电路短路，电流全部流过外电路全部流过外电路Ip=Isc，光电流，光电流随着光照而变化，故随着光照而变化，故I与光照与光照E成成正比。正比。n一定负载下，随着
16、一定负载下，随着E增加，增加，I出现出现非线性，负载越大，线性范围愈非线性，负载越大，线性范围愈小，非线性愈严重。小，非线性愈严重。n因此，作为探测器用的光电池，因此，作为探测器用的光电池，为保证测量呈较好的线性，应选为保证测量呈较好的线性，应选择较小的负载电阻，如择较小的负载电阻，如5的串的串联电阻。联电阻。2021/7/2623 2光谱特性光谱特性光电池的光谱特性主要取决于所采用的材料与制作工光电池的光谱特性主要取决于所采用的材料与制作工艺，同时也与温度有关，艺，同时也与温度有关，1 硒光电池的光谱特性硒光电池的光谱特性 1 硅蓝光电池的光谱特性曲线硅蓝光电池的光谱特性曲线 2 硅光电池的
17、光谱特性硅光电池的光谱特性 2 硅普通光电池的光谱特性曲线硅普通光电池的光谱特性曲线2021/7/26243伏安特性伏安特性PN结作光电池用时，在有光照条件下，光电流与电压结作光电池用时，在有光照条件下，光电流与电压的关系，实际上是指输出的关系，实际上是指输出I=Ip-Ij与输出电压与输出电压u之间的函之间的函数关系数关系/0/(1)eUkTLPIURIIe0ln(1)pIIk TUeI2021/7/2625n连续改变负载电阻值，就连续改变负载电阻值，就得到一条输出电压与电流得到一条输出电压与电流的关系曲线，这就是伏安的关系曲线，这就是伏安特性曲线。特性曲线。n交点交点(Uoc,0)代表开路情
18、代表开路情况，况，RL=，Uoc称为开路称为开路电压，交点（电压，交点（0，Isc）代）代表短路情况，表短路情况，Isc称为称为短路短路电流电流。2021/7/26264转换效率转换效率n对于输出的功率对于输出的功率P=IU，对其求极值，可以，对其求极值，可以获得光电池存在一个最大输出功率获得光电池存在一个最大输出功率Pm，此，此时对应的最佳负载电阻时对应的最佳负载电阻RLm，对应的电流，对应的电流Imp和电压为和电压为Ump。n Pm=UmpImp n通常定义光电池的通常定义光电池的转换效率转换效率：光电池输：光电池输出的最大功率与入射光功率的比值。出的最大功率与入射光功率的比值。n它表示了
19、光电池把光转变为电信号的能力。它表示了光电池把光转变为电信号的能力。入射光功率输出最大功率v当当RL增大，输出电压增大，增大，输出电压增大，RL愈大，愈大，U愈接近愈接近Uoc，当当RL 时，时，U=Uoc。v负载电阻负载电阻RL越小，输出的电流愈大，越小，输出的电流愈大，当当RL0时时,即短路时，即短路时，I=Isc。2021/7/26275频率特性频率特性n光电池作为探测器使用时，由于载流子在光电池作为探测器使用时，由于载流子在PN结区内扩散、漂移、产生、复合都要有结区内扩散、漂移、产生、复合都要有一个时间驰豫过程，所以当光照变化很快一个时间驰豫过程，所以当光照变化很快时，光电流就有滞后于
20、光照变化的现象。时，光电流就有滞后于光照变化的现象。n光电池的频率响应除了载流子运动的内在光电池的频率响应除了载流子运动的内在因素外，还与材料、结构、光敏面的大小因素外，还与材料、结构、光敏面的大小及使用条件有关。及使用条件有关。v如图如图2-16，负载电阻越大，时间响应越差。，负载电阻越大，时间响应越差。v光敏面积越大，频率特性变差，光敏面积越大，频率特性变差，v光照越弱，频率特性越差，因为在高频交变光照下，光电光照越弱，频率特性越差，因为在高频交变光照下，光电池的响应时间由池的响应时间由PN结电容和负载电阻所决定，结电容和负载电阻所决定，vPN结阻挡层的面积越大，极间电容越大，因而频率特性
21、变结阻挡层的面积越大，极间电容越大，因而频率特性变差。差。v如要求有较好频率特性，需选用小面积的光电池，以使它如要求有较好频率特性，需选用小面积的光电池，以使它的结电容减小或者减小负载电阻。的结电容减小或者减小负载电阻。2021/7/26286温度特性温度特性n光电池许多参数都与温度有关，光电池许多参数都与温度有关，一般光电池的参数都是在一般光电池的参数都是在30条件下测得的。条件下测得的。T升高，升高，Uoc减减小到小到3mV/，具有负温度系数，具有负温度系数，T升高，升高，Isc上升到上升到10-5 10-3mA/，具有正的温度系数，具有正的温度系数，如图如图2-17。n光电池受强光照射时
22、，必须考光电池受强光照射时，必须考虑光电池的工作温度。因为硒虑光电池的工作温度。因为硒光电池的结温超过光电池的结温超过50，硅光，硅光电池超过电池超过200时，它们的晶格时，它们的晶格就受到破坏，导致器件的破坏。就受到破坏，导致器件的破坏。2021/7/26297太阳能光电源装置太阳能光电源装置n由于太阳能量的重要性，光电池要将太阳能直接转由于太阳能量的重要性，光电池要将太阳能直接转变成电能供给负载。变成电能供给负载。n单片光电池的电压很低，输出电流很小，因此不能单片光电池的电压很低，输出电流很小，因此不能直接用作负载的电源。一般要把很多片光电池组装直接用作负载的电源。一般要把很多片光电池组装
23、成光电池组作为电源使用。成光电池组作为电源使用。2021/7/2630n通常在用单片光电池组装成电池组时，可以采通常在用单片光电池组装成电池组时，可以采用用增加串联片数增加串联片数的方法来的方法来提高输出电压提高输出电压，用，用增增加并联片数加并联片数的方法来的方法来增大输出电流增大输出电流。n为了在无光照时仍能正常供电，往往把光电池为了在无光照时仍能正常供电，往往把光电池组和蓄电池装在一起使用，通常，把这种组合组和蓄电池装在一起使用，通常，把这种组合装置称为太阳能电源。装置称为太阳能电源。2021/7/2631nRL是负载电阻，是负载电阻，D是防逆流二极管。因为辐照度减弱会是防逆流二极管。因
24、为辐照度减弱会造成光电池组输出电压降低，加了防逆流二极管可以阻造成光电池组输出电压降低，加了防逆流二极管可以阻止蓄电池对光电池放电。止蓄电池对光电池放电。2021/7/2632n太阳能光电池材料有：单晶硅、多晶硅、非晶太阳能光电池材料有：单晶硅、多晶硅、非晶硅、硅、CdS、GaAlAs/GaAs等太阳能光电池，等太阳能光电池，现在单晶硅太阳能电池的效率达现在单晶硅太阳能电池的效率达10%22%，并聚光后，效率可达并聚光后，效率可达26%28%，已获得了广，已获得了广泛的应用。泛的应用。2021/7/26332.3 光电二极管光电二极管n光电二极管是一种重要的光电探测器，广泛用光电二极管是一种重
25、要的光电探测器，广泛用于可见光和红外辐射的探测，本质是二极管，于可见光和红外辐射的探测，本质是二极管，根据光生伏特效应工作，属于根据光生伏特效应工作，属于结型器件结型器件。2021/7/2634主要区别主要区别n它与光电池的光电转换有许多相似之处，而与光电池的它与光电池的光电转换有许多相似之处，而与光电池的主要区别：主要区别：n(1)结面积大小不同，光电二极管的结面积远比光电池结面积大小不同，光电二极管的结面积远比光电池小。小。n(2)PN结工作状态不同结工作状态不同,光电池光电池PN结工作在零偏置状态结工作在零偏置状态下，而光电二极管工作于反偏工作状态下，需外加电压。下，而光电二极管工作于反
26、偏工作状态下，需外加电压。n因此光电二极管的内建电场强，结区较宽，结电容很小，因此光电二极管的内建电场强，结区较宽，结电容很小，所以频率特性比较好。由于势垒宽，光电流比光电池小，所以频率特性比较好。由于势垒宽，光电流比光电池小，一般在一般在A量级。量级。2021/7/2635n根据所用的半导体材料有：锗、硅、根据所用的半导体材料有：锗、硅、III-V族化合物及族化合物及其它化合物半导体。其它化合物半导体。n按按工作基础分工作基础分：有耗尽型及雪崩型。：有耗尽型及雪崩型。n按按特性特性分：有分：有PN结、结、PIN结、异质结、肖特基势垒及结、异质结、肖特基势垒及点结触型等。点结触型等。n按对按对
27、光的响应光的响应分：紫外、可见光、红外光电二极管。分：紫外、可见光、红外光电二极管。n按按制造工艺制造工艺：平面型、生长型、合金型、台面型。：平面型、生长型、合金型、台面型。n按按用途用途分：聚光透镜式、平板玻璃式。分：聚光透镜式、平板玻璃式。2021/7/2636n目前，光电二极管绝大部分用硅和锗材料，采目前，光电二极管绝大部分用硅和锗材料，采用平面型结构来制成，由于硅管比锗管有较小用平面型结构来制成，由于硅管比锗管有较小的暗电流和较小的温度系数，而且硅工艺较成的暗电流和较小的温度系数，而且硅工艺较成熟，结构工艺易于控制，因此，以硅为材料的熟，结构工艺易于控制，因此，以硅为材料的光电二极管发
28、展超过了同类锗管。国内定型生光电二极管发展超过了同类锗管。国内定型生产的硅光电二极管主要有产的硅光电二极管主要有PN结型、结型、PIN型及雪型及雪崩型。崩型。2021/7/26372.3.1 PN结型光电二极管结型光电二极管1PN结光电二极管的结构结光电二极管的结构n根据衬底材料不同分为根据衬底材料不同分为2DU和和2CU型两种。型两种。2DU光电二极管的结构及符号光电二极管的结构及符号 2021/7/2638n由于由于SiO2层中不可避免地沾污一些层中不可避免地沾污一些少量杂质正离子少量杂质正离子（如（如Na+，K+，H+），来源于所使用的化学试剂、玻璃器皿、高温器材），来源于所使用的化学试
29、剂、玻璃器皿、高温器材及人体沾污等，其中最主要而对器件稳定性影响最大的是及人体沾污等，其中最主要而对器件稳定性影响最大的是Na+。这些正离子对其下面的半导体将产生这些正离子对其下面的半导体将产生静电感应静电感应，在，在SiO2膜下膜下面将感应出一些负电荷，就如同电容器一般，在面将感应出一些负电荷，就如同电容器一般，在P型型Si衬底衬底表面产生一个表面产生一个电子层电子层，它与原来半导体衬底导电类型相反，它与原来半导体衬底导电类型相反，因此叫做反型层。因此叫做反型层。这些电子与这些电子与N+的电子相沟通，在外加反向偏压的作用下，由于的电子相沟通，在外加反向偏压的作用下，由于势垒电场很强，电子形成
30、电流，流到前极，成为势垒电场很强，电子形成电流，流到前极，成为表面漏电流表面漏电流，这些表面漏电流可达几个微安数量级，成为暗电流的大部分，这些表面漏电流可达几个微安数量级，成为暗电流的大部分，使通过负载的电流的散粒噪声增大，会影响光电二极管的测量使通过负载的电流的散粒噪声增大，会影响光电二极管的测量极限。极限。2021/7/2639n为了为了降低降低这部分这部分噪声噪声，就不能让，就不能让SiO2中少量正离子静电中少量正离子静电感应所产生的表面漏电流经过外电路的负载。感应所产生的表面漏电流经过外电路的负载。n目前，一般采用在目前，一般采用在P-Si扩散磷形成扩散磷形成N+层时，同时扩散环层时，
31、同时扩散环形形N+层，把原来的层，把原来的N+层环绕起来，单独引出一个电极，层环绕起来，单独引出一个电极，称为称为环极环极，如图，如图2-20。n由于由于环极电位高于前极环极电位高于前极，大部分表面漏电流将通过环极，大部分表面漏电流将通过环极直接流向后极，而不经过负载电阻了。这样就减少了流直接流向后极，而不经过负载电阻了。这样就减少了流过前极的暗电流和噪声，若环极不接电时，除前级暗电过前极的暗电流和噪声，若环极不接电时，除前级暗电流大，噪声大一些以外，对其它性能均无影响。流大，噪声大一些以外，对其它性能均无影响。2021/7/2640 2CU型光电二极管和电路型光电二极管和电路 由于由于N-S
32、i中为衬底，电子是中为衬底，电子是N型型Si中的多数载流子，中的多数载流子，表面有大浓度的电子。表面有大浓度的电子。SiO2中少数正离子的静电中少数正离子的静电感应不会在感应不会在N-Si表面产生电子层。因此，也没有表面产生电子层。因此，也没有少数漏电流的问题，故少数漏电流的问题，故2CU光电二极管只有两个光电二极管只有两个引出线，引出线，2021/7/26412光照特性光照特性硅光电二极管的光照特性曲线硅光电二极管的光照特性曲线/0(1)eU kTpIIIe在加了反偏压情况下，一般情况下，只要在加了反偏压情况下，一般情况下，只要U的值大于的值大于kT/e（300K时为时为0.026eV）时，
33、扩散电流被抑制，输出的电流：）时，扩散电流被抑制，输出的电流：0pIII而反向饱和电流一般远小于光电流，将其忽略。可得：而反向饱和电流一般远小于光电流，将其忽略。可得：pII硅光电二极管光照特性曲线，硅光电二极管光照特性曲线，其线性比较好，用于检测方其线性比较好，用于检测方面。面。2021/7/26423光谱特性光谱特性n主要决定于所采用的材料的禁带宽度，同时也与结构工主要决定于所采用的材料的禁带宽度，同时也与结构工艺也有密切的关系。艺也有密切的关系。nSi：4001150nm，峰值响应在，峰值响应在800900nm，Ge：4001800nm，峰值响应波长在，峰值响应波长在14001500nm
34、。vSi、Ge光电二极管的光谱响应光电二极管的光谱响应2021/7/26434伏安特性伏安特性在零偏压下，光电二极管仍有光电流，这是光生伏特效应所在零偏压下，光电二极管仍有光电流，这是光生伏特效应所产生的短路电流，产生的短路电流，在低反向偏压下，光电流随电压的变化比较敏感，随电压在低反向偏压下，光电流随电压的变化比较敏感，随电压增大，加大了耗尽层的宽度及电场强度，提高了光吸收效增大，加大了耗尽层的宽度及电场强度，提高了光吸收效率及对载流子的收集，光电流增大，但反向偏压再进一步率及对载流子的收集，光电流增大，但反向偏压再进一步增大，光生载流子全部到达电极，光生电流趋向饱和，饱增大，光生载流子全部
35、到达电极，光生电流趋向饱和，饱和光生电流与所加电压无关，它仅取决于光照度。和光生电流与所加电压无关，它仅取决于光照度。2021/7/2644n5温度特性温度特性n2CU光电二极管在偏压光电二极管在偏压50V和照度不变的情况下，光和照度不变的情况下，光电流随温度的变化。电流随温度的变化。nT升高，光电流升高，光电流I增加，暗电流增加，暗电流Id增加，增加，当环境温度改当环境温度改变变2530时，光电流的变化量为时，光电流的变化量为10%左右，而暗电左右，而暗电流增加了约流增加了约10倍，光电二极管受温度影响最大的是暗倍，光电二极管受温度影响最大的是暗电流。电流。2021/7/26456入射特性入
36、射特性n由于光电二极管入射窗口的不同封装而造成的灵敏度由于光电二极管入射窗口的不同封装而造成的灵敏度随入射角而变化。入射窗由玻璃或塑料制作，一般有随入射角而变化。入射窗由玻璃或塑料制作，一般有聚光透镜和平面玻璃。聚光透镜和平面玻璃。2021/7/2646n聚光透镜入射窗的优点：能够把入射光会聚于面积很小聚光透镜入射窗的优点：能够把入射光会聚于面积很小的光敏面上，以提高灵敏度。由于聚光位置与入射光位的光敏面上，以提高灵敏度。由于聚光位置与入射光位置有关，减小了背景杂散光的干扰，仅当入射光与透镜置有关，减小了背景杂散光的干扰，仅当入射光与透镜光轴重合时（光轴重合时（=0）灵敏度最大。）灵敏度最大。
37、v如果入射光偏离于光轴，灵敏度就要下降，这给如果入射光偏离于光轴，灵敏度就要下降，这给使用带来了麻烦，在做检测控制时，发光源要放在使用带来了麻烦，在做检测控制时，发光源要放在合适的位置，否则就会使灵敏度下降，甚至检测不合适的位置，否则就会使灵敏度下降，甚至检测不到，如图到，如图2-25。2021/7/2647n平板玻璃入射窗使用比较简单，但易受到杂散平板玻璃入射窗使用比较简单，但易受到杂散光的干扰，聚光作用差，光易受到反射，极值光的干扰，聚光作用差，光易受到反射，极值灵敏度下降。灵敏度下降。2021/7/26487频率特性频率特性n主要由光生载流子的渡越时间和主要由光生载流子的渡越时间和RLC
38、j的乘积决定。的乘积决定。n对耗尽层型光电二极管的渡越时间主要由光生载流子在对耗尽层型光电二极管的渡越时间主要由光生载流子在耗尽层中的漂移时间来决定，对于可见光，渡越时间为耗尽层中的漂移时间来决定，对于可见光，渡越时间为10-9s，由渡越时间决定的频率上限可以高达，由渡越时间决定的频率上限可以高达2000MHz。这时决定光电二极管的频率响应上限的因素是它的电容这时决定光电二极管的频率响应上限的因素是它的电容Cj和负载电阻和负载电阻RL所构成的时间常数所构成的时间常数RLCj。2021/7/2649n其中其中Ip为光电流，为光电流，D为理想二极管，为理想二极管，Cj为结电容，为结电容，Rd为为P
39、N结电阻，由于是反向偏压，一般很大，约为结电阻，由于是反向偏压，一般很大，约为108，Rs为体电阻（邻近结为体电阻（邻近结P区和区和n区的体电阻），区的体电阻），Rs一般很小，为几十一般很小，为几十，RL为外加负载电阻，几千为外加负载电阻，几千。n由于由于Rd很大，很大，Rs很小，很小，D内阻无穷大，不消耗电流，内阻无穷大，不消耗电流，可把图简化。可把图简化。2021/7/26500jtppIIe则通过负载的电压则通过负载的电压 11ppLLLjjLII RUj R CCR1pLLjIIj R C如如=RLCj，=2f，则通过，则通过RL的电流值的电流值 2202211|ppLIII1|Il|
40、=|Ip0|/2 210f称为上限截止频率，或称带宽。称为上限截止频率，或称带宽。P值对应的光电流值对应的光电流 一般一般2DU型硅光电二极管的结电容型硅光电二极管的结电容3pF，响应时间，响应时间0.1s，带，带宽为宽为2MHz。2021/7/26518噪声与噪声等效功率噪声与噪声等效功率n光电二极管等结型光电器件的噪声主要是电流散粒噪声和电阻的热光电二极管等结型光电器件的噪声主要是电流散粒噪声和电阻的热噪声。噪声。犹如射出的散粒无规则地落在靶上所呈现的起伏，每一犹如射出的散粒无规则地落在靶上所呈现的起伏，每一瞬间到达值有多少，每一点有多少，这些散粒是完全独立瞬间到达值有多少，每一点有多少，
41、这些散粒是完全独立的、随机的。由粒子随机起伏所形成的噪声称为的、随机的。由粒子随机起伏所形成的噪声称为散粒噪声散粒噪声，如光辐射中光子到达的起伏、阴极发射的电子数、半导体如光辐射中光子到达的起伏、阴极发射的电子数、半导体中载流子数等中载流子数等 散粒噪声散粒噪声均方值：均方值：22nIieI fI包括暗电流包括暗电流id、信号光电流、信号光电流is、和背景光电流、和背景光电流ib；e电子电量；电子电量；f测试系统带宽。测试系统带宽。2021/7/2652n电阻的热噪声是由电阻中电子的热运动引起的，根源在电阻的热噪声是由电阻中电子的热运动引起的，根源在于载流子的无规则热运动，因为任何导体或半导体
42、的载于载流子的无规则热运动，因为任何导体或半导体的载流子在一定温度下都作无规则热运动，所以它存在于任流子在一定温度下都作无规则热运动，所以它存在于任何导体或半导体中。何导体或半导体中。热噪声热噪声电流均方值：电流均方值：24nthkT fiRk为波尔兹曼常数，为波尔兹曼常数，T为绝对温度，为绝对温度，R为阻值，为阻值，f测试系统的带宽。测试系统的带宽。2021/7/2653n器件在实际使用中，后面总是接负载和放大器，式中器件在实际使用中，后面总是接负载和放大器，式中R应为应为PN结的漏电阻和负载电阻的并联值，因为结的漏电阻和负载电阻的并联值，因为PN结的结的漏电阻远大于负载电阻，所以漏电阻远大
43、于负载电阻，所以R值实际是值实际是PN结的负载电结的负载电阻值。阻值。光电二极管回路输出总的信号噪声比光电二极管回路输出总的信号噪声比SNR：2SNR=42pnLISkT fIeI fR S为光电二极管的灵敏度，为光电二极管的灵敏度，入射的光通量。入射的光通量。2021/7/2654n在一般情况下，电流的散粒噪声都比电阻的热噪声大，在一般情况下，电流的散粒噪声都比电阻的热噪声大，如果只考虑电流的散粒噪声时，则：如果只考虑电流的散粒噪声时，则：SNR=2SeI f噪声等效功率（噪声等效功率（NEP）为：）为：2NEP=eI fS2SN R=42pnLISkTfIeIfR2021/7/2655 2
44、.3.2 PIN型光电二极管型光电二极管1PIN硅光电二极管硅光电二极管nPIN（p-i-n）硅光电二极管是一种常用的耗尽层光电二）硅光电二极管是一种常用的耗尽层光电二极管，通过适当选择耗尽层的厚度，可获得较大的输出极管，通过适当选择耗尽层的厚度，可获得较大的输出电流，较高的灵敏度和较好的频率响应特性，频率带宽电流，较高的灵敏度和较好的频率响应特性，频率带宽可达可达10GHz，适用于快速探测的场合。，适用于快速探测的场合。2021/7/2656n图图2-27 PIN硅光电二极管结构与所加电压硅光电二极管结构与所加电压PIN光电二极管结构示意图（光电二极管结构示意图（a）和反偏能带图（）和反偏能
45、带图（b）2021/7/2657n1.输出的光生电流较大，灵敏度有所提输出的光生电流较大，灵敏度有所提高。高。时间响应特性主要取决于结电容、载流子渡越耗尽层所需时间响应特性主要取决于结电容、载流子渡越耗尽层所需要的时间要的时间,扩散运动的速度扩散运动的速度 PIN光电二极管，由于结电容小光电二极管，由于结电容小v2.时间响应快时间响应快,频率特性好频率特性好!扩散运动被抑制扩散运动被抑制.时间特性好，频带宽度可达时间特性好，频带宽度可达10GHz。载流子渡越耗尽层时间短载流子渡越耗尽层时间短;2021/7/2658一般来说，扩散运动的速度比漂移运动的速度低得多，一般来说，扩散运动的速度比漂移运
46、动的速度低得多，它将影响探测器的响应速度。它将影响探测器的响应速度。例如，在例如，在PN结区强电场的作用下作漂移运动，载流子结区强电场的作用下作漂移运动，载流子通过通过10m的距离，其渡越时间小于的距离，其渡越时间小于0.1ns;但在但在PN结外作扩散运动时，同样经过结外作扩散运动时，同样经过10m的距离，的距离，需要的时间则长达需要的时间则长达40ns。为了提高探测器的响应速度，故尽量希望光的吸收或为了提高探测器的响应速度，故尽量希望光的吸收或光生载流子对的产生发生在光生载流子对的产生发生在PN结的耗尽层内。结的耗尽层内。PIN管管的光吸收主要在耗尽层区，所以频率特性好的光吸收主要在耗尽层区
47、，所以频率特性好!2021/7/2659n3.硅材料制成的硅材料制成的PIN管，长波段响应到管，长波段响应到1.1m的短波段包括的短波段包括1.06m的激光，可用于激光测的激光，可用于激光测距、激光制导等许多方面。距、激光制导等许多方面。2021/7/26602长波长光电二极管长波长光电二极管n为探测为探测1.3m及更长波段的光通讯的激光，通常将及更长波段的光通讯的激光，通常将1.21.7m的光波探测器叫长波长探测器。的光波探测器叫长波长探测器。目前主要用目前主要用III-V族化合物半导体材料来制作长波族化合物半导体材料来制作长波长光电探测器。如用长光电探测器。如用InPInGaAsInP材料
48、制材料制成的响应在成的响应在1.3m的光电探测器。的光电探测器。2021/7/2661nInP的禁带宽度为的禁带宽度为1.35eV，InxGa1-xAs的禁带宽度的禁带宽度0.7eV，InP对波长大于对波长大于0.9m的光透明，光吸收作用主的光透明，光吸收作用主要在要在InGaAs层，形成层，形成PIN，光谱响应可达，光谱响应可达1.7m，n这样该器件的光谱响应范围为这样该器件的光谱响应范围为0.9-1.7m，广泛应用于，广泛应用于光通讯的光探测。光通讯的光探测。上电极 N-InP InGaAs P I N-InP N-InP InP 衬底 缓冲层 底电极 增透膜 衬底 2021/7/2662
49、n长波长长波长PIN管的优点是：管的优点是：n(1)工作电压比较低，一般为工作电压比较低，一般为5V；n(2)探测灵敏度比较高，为探测灵敏度比较高，为0.8mA/mW，使用，使用InGaAs-PIN管可用于管可用于1Gb/s的光纤通信系统中，其的光纤通信系统中，其接收灵敏度可达接收灵敏度可达-90dBm；n(3)内量子效率较高，内量子效率内量子效率较高，内量子效率90%以上；以上；n(4)响应速度快，响应速度快，1Gb/s以上；以上；n(5)可靠性高，上万小时后没有发现明显退化现象；可靠性高，上万小时后没有发现明显退化现象；n(6)PIN管能低噪声工作。管能低噪声工作。2021/7/2663n
50、还有四元系还有四元系InGaAsP、AlGaAsP等材料分别与等材料分别与InP（0.9-1.7m）、）、GaSb（0.75-1.9m）晶格匹配形）晶格匹配形成长波长的光电探测器，其探测光谱范围更宽，用于成长波长的光电探测器，其探测光谱范围更宽，用于光通讯中光的探测。光通讯中光的探测。2021/7/26642.3.3 雪崩型光电二极管雪崩型光电二极管(APD)n一般光电二极管的灵敏度都不够高，大约在每一般光电二极管的灵敏度都不够高，大约在每1000lx的照射下，只输出几的照射下，只输出几A光电流。雪崩光电二极管光电流。雪崩光电二极管(APD)，利用了高反压下二极管耗尽层产生载流子的，利用了高反
