第3章结型光电器件--自己做

1、第3章 结型光电器件概述：半导体结型光电器件是利用光生伏特效应来工作的光电探测器件。 结型光电器件包括光电池、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）、光电耦合器件等。按结的种类不同，可分为PN结型，PIN结型和肖特基结型等。 3.1 3.1 结型光电器件工作原理结型光电器件工作原理3.1.1.3.1.1.热平衡状态下的热平衡状态下的P-NP-N结结 在热平衡条件下，PN结中净电流为零。如果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0/0IeIIkTqVD3.1.2.3.1.2.光照下的光照下的p-n p-n 结结

2、1.PN结光伏效应 PN结受光照射时，就会在结区产生电子-空穴对。受内建电场的作用漂移少数载流子，最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，形成光生伏特效应。 两种工作模式:光伏工作模式（无偏置）和光电导工作模式（反偏置状态）。2.光照下PN结的电流方程) 1/(0kTqVeIpIDIpILI 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。 ESIEp) 1(/0kTqVELeIESI)01ln(IpIqkTocV)ln()ln(00IESqkTIIqkTVEpocIpI0 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

3、Isc表示。SE为光电灵敏系数。ESIIEpsc图3-1 光照PN节工作原原理图图3-2 等效电路图 图3-3为光照PN节连接负载后的伏安特性曲线。其中，第一象象限为二极管无光照时正向导通工作时的伏安特性曲线。第三象限为二极管在光照条件下反向偏置工作时的伏安特性曲线，第四象限为二极管在光照条件下利用光生伏特效应工作时的伏安特性曲线。 图3-3 光照PN节连接负载后的伏安特性曲线3.2 3.2 硅光电池硅光电池 光电池的主要功能是在不加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PN结材料的不同分成四种。硅光电池按结构示意图如图3-

4、4，符号如图3-5，电极结构如图3-6。 工作原理如图3-7。硅光电池的电流方程： 图3-4 光电池结构示意图图3-5 光电池符号图3-6 光电池电极结构图3-7 硅光电池工作原原理图) 1/(0kTqVeIpIDIpILI3.2.2.3.2.2.硅光电池的特性参数硅光电池的特性参数 1.光照特性 光照特性主要有伏安特性、照度-电流电压特性和照度-负载特性。 硅光电池的伏安特性，表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。) 1() 1(/0/0kTqVEkTqVpDpLeIESeIIIIIDkTqVLIeII) 1(/0图3-8 硅光电池伏安特性曲线 图3-8为硅光电池伏安特性曲线。由公式可得，

5、硅光电池的电流的电流方程式。令E=0可得没有光照情况下硅光电池的电流。当IL0时，RL=(开路)时，光电池的开路电压，以Voc表示。当Ip远大于Io时可近似计算)1ln(0IIqkTVpoc)/ln()/(0IIqkTVpocESIIEpsc 式中，SE表示光电池的光电灵敏度，E 表示入射光照度。可知光电池短路电流与入射光照度成正比，如图3-9。开路时与入射光照度的对数成正比。图3-9 硅光电池的Uoc、Isc与照度的关系图3-10 硅光电池光照-负载特性 2.光谱特性 硅光电池的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。

6、在线性测量中，不仅要求光电池有高的灵敏度和稳定性，同时还要求与人眼视见函数有相似的光谱响应特性。图3-11是2CR型硅光电池的光谱曲线。图3-12为集中光电池的光谱响应曲线，类似于视觉函数。3.频率特性 下图是硅光电池的频率特性曲线。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，实际使用时视具体要求而定。 图3-11 硅光电池光谱响应曲线图3-12 硅光电池的光谱响应曲线图3-13 硅光电池的频率响应曲线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Voc与短路电流Isc随温度变化的情况。光电池的温度曲线如图3-14所示。

7、 它的开路电压Voc随着温度的升高而减小，其值约为23mVoC；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。 图3-14 硅光光电池的温度曲线3.3 硅光电二极管和硅光电三极管 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。 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。3.3.1.3.3.1.硅光电二极管结构及工作原理硅光电二极管结构及工作原理 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：衬底材料的掺杂浓度低于光电

8、池；硅光电二极管电阻率远高于光电池光电池在零偏置下工作，而硅光电二极管在反向偏置下工作；硅光电二极管的光电流小得多，通常在微安级。 光电二极管同样是利用光生伏特效应，利用反向偏置电压促进少数载流子的漂移，相当于两个电源串接。 3.3.2.3.3.2.硅光电三极管硅光电三极管 硅光电三极管具有电流放大作用，它的集电极电流受基极电路的电流控制，也受光的控制。所以硅光电三极管的外型有光窗，管脚有三根引线的也有二根引线的，管型分为PNP型和NPN型两种，NPN型称3DU型硅光电三极管，PNP型称为3CU型硅光电三极管。 以3DU型为例说明硅光电三极管的结构和工作原理，见图3-15中工作时需要保证集电极

9、反偏置，发射极正偏置。其内电场方向有集电极到基极在光激发下，光生少数载流子在电场作用下漂移向集电极。和三极管类似，射极电流是基极电流（+1）倍。 3CU型硅光电三极管它的基底材料是p型硅，工作时集电极加负电压，发射极加正电压。 为改善频率响应，减少体积，提高增益，光电晶体管已经集成化。具体如图3-16和3-17。图3-15 3DU硅光三极管原理结构图、符号图3-16 光电二极管晶体管图3-17 达林顿光电三极管3.3.3.3.3.3.硅光电三极管与硅光电二极管特性比较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，图3-18

10、是硅光电二极管和硅光电三极管的光照特性曲线。 可见，硅光电二极管的光照特性的线性较好。 而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而造成的。图3-18 硅光电管的伏安特性曲线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（图3-19）和光电三极管（图3-20）输出的光电流与所加偏压的关系。由于光电三极管能放大电流，故其光电流属于毫安级，无偏置电压时电流属于微安级可忽略不计。由于硅光三极管的放大倍数不稳定，故线性不好。 图3-19 硅光二极管伏安特性与照度关

11、系图3-20 硅光三极管伏安特性与照度关系3温度特性 硅光电二极管和硅光电三极管的光电流和暗电流均随温度而变化，但硅光电三极管因有电流放大作用，所以它的光电流和暗电流受温度影响比硅光电二极管大得多，见图3-21和图3-22。由于暗电流的增加，使输出信噪比变差，必要时要采取恒温或补偿措施。图3-21 硅光二极管温度特性图3-22 硅光三极管温度特性4.频率响应特性 硅光电二极管的频率特性主要决定于光生载流子的渡越时间。在实际使用时，应根据频率响应要求选择最佳的负载电阻。 图3-23为用脉冲光源测出的2CU型硅光电二极管的响应时间与负载RL的关系曲线，从图中可以看出当负载超过104以后，响应时间增

12、加得更快 。 硅光三极管的频率响应曲线见图3-24。U ec=5V，T=25。可见，其受集电极电流和负载的影响。图3-23 硅光二极管响应时间负载曲线图3-24 硅光三极管频率响应特征3.4 3.4 结型光电器件的放大电路结型光电器件的放大电路 结型光电器件一般用三极管或集成运算放大器对输出信号进行放大和转换。3.4.1.3.4.1.结型光电器件与放大三极管的连接结型光电器件与放大三极管的连接 由于硅三极管和锗三极管导通时射极-基极电压大小不同，所以才有以上三种不同的变换电路，见图3-25。 图中(a)所示电路是用锗三极管放大光电流； 图(b)、(c)所示电路是用硅三极管放大光电流。 要注意的

13、是，上面所示的三种电路都是以晶体三极管基极-射极间的正向电阻作为硅光电池的负载，因此硅光电池几乎是工作在短路状态，从而获得线性工作特性。 图3-25 缓变光信号的基本变换电路3.4.2.3.4.2.结型光电器件与运算放大器的连接结型光电器件与运算放大器的连接 集成运算放大器因结构简单、使用方便而广泛应用于光电变换器件之中。根据放大电路的四种基本形式，一般光电二极管与运算放大电路的连接方式有下图所示三种方式，见图3-26。三种电路各有优缺点，但都适用于光功率很小的场合。 (1)电流放大型 图(a)是电流放大型IC变换电路，硅光电二极管和运算放大器的两个输入端同极性相连，运算放大器两输入端间的输入

14、阻抗Zin是硅光电二极管的负载电阻； (2)电压放大型 图(b)是电压放大型IC变换电路，硅光电二极管与负载电阻RL并联且硅光电二极管的正端接在运算放大器的正端； (3)阻抗变换型， 图(c)是反向偏置的硅光电二极管具有恒流源性质而和电池串联在一体。 (a)(b)(c)图3-26 光电二极管与集成运放连接3.5 3.5 特殊结型光电器件特殊结型光电器件3.5.1.3.5.1.象限探测器象限探测器 象限探测器实质是一个面积很大的结型光电器件，利用光刻技术，将一个圆形或方形的光敏面窗口分隔成几个有一定规律的的区域(但背面仍为整片)，每一个区域相当于一个光电二极管。在理想情况下，每个光电二极管应有完

15、全相同的性能参数。但实际上它们的转换效率往往不一致，使用时必须精心挑选，见图3-27。 典型的象限探测器有四象限光电二极管和四象限硅光电池等，也有二象限的硅光电池和光电二极管等，一般用于准直、定位以及跟踪等。 象限探测器有以下几个缺点： 表面分割，而产生死区，光斑越小死区的影响越明显； 若光斑全部落入一个象限时，输出的电信号将无法区别光斑的准确位置； 测量精度易受光强变化的影响，分辨率不高。 图3-27 各种象限探测器示意图3.5.2. PIN3.5.2. PIN型光电二极管型光电二极管 1.普通PIN型光电二极管 一般PIN型光电二极管又称快速光电二极管，它的结构分三层，即在P型半导体和N型

16、半导体之间夹着较厚的本征半导体i层，如图3-28。 PIN光电二极管因有较厚的I层，因此具有以下四点优点: a.使PN结的结间距离拉大，结电容变小，频率响应好； b.由于内建电场基本上全集中于I层中，使耗尽层厚度增加，增大了对光的吸收和光电变换区域，量子效率提高了。 c.增加了对长波的吸收，提高了长波灵敏度，其响应波长范围可以从0.41.1m。 d.可承受较高的反向偏压，使线性输出范围变宽。 图3-28 PIN光电二极光结构示意图2.2.特殊结构的特殊结构的PINPIN型光电二极管型光电二极管-光电位置传感器光电位置传感器(PSD)(PSD) 光电位置传感器是一种对入射到光敏面上的光点位置敏感

17、的PIN型光电二极管，面积较大，其输出信号与光点在光敏面上的位置有关。一般称为PSD。 a.PSD的工作原理和位置表达式 PSD包含有三层，上面为p层，下面为n层，中间为i 层，它们全被制作在同一硅片上，见图3-29。p层既是光敏层，还是一个均匀的电阻层。由于光点与 两电极距离不同，故电极1和电极2输出电流不同。得如下关系：LIIIIxLxLIILxLIIAAA1212020122图3-29 PSD断面结构结构示意图b光电位置传感器光电位置传感器(PSD)(PSD)的分类；的分类； 一般PSD分为两类：一维PSD和二维PSD。一维PSD主要用来测量光点在一维方向的位置，二维PSD用来测定光点在

18、平面上的坐标(x,y)， （1）一维PS 多为细长矩形，见图3-30。 （2）二维PSD 二维PSD的感光面是方形的,按其电极位置可分为三种形式，见图3-31、3-32和3-33。图3-30 一维PSD图3-31 改进表面分离型图3-32 两面分离型图3-33 表面分离型cPSD转换放大电路 图3-35 二维PSD转换电路原理图图3-34 一维PSD转换电路原理图d 光电位置传感器的特征和用途 光电位置传感器有以下特点：对光斑的形状无严格要求，只与光的能量重心有关；光敏面无死区，可连续测量光斑位置，分辨率高，一维PSD可达0.2m；可同时检测位置和光强；PSD器件输出总电流与入射光强有关，所以

19、从总光电流可求得相应的入射光强。 光电位置传感器被广泛地应用于激光束的监控(对准、位移和振动)、平面度检测、一维长度检测、二维位置检测系统等。e.使用PSD时的注意事项： (1)注意与光源的光谱匹配 (2)注意所加电压不宜太大也不能太小，以免影响PSD的响应频率。 (3)注意使用PSD时的环境温度 (4)注意位置测量误差范围3.5.3.3.5.3.雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)(APD) 雪崩光电二极管是借助强电场产生载流子倍增效应(即雪崩倍增效应)的一种高速光电二极管。 雪崩倍增效应：当在光电二极管上加一相当高的反向偏压（100-200V）时，在结区产生一个很强的电场。结区产生的光生

20、载流子受强电场的加速将获得很大的能量，在与原子碰撞时可使原子电离，新产生的电子-空穴对在向电极运动过程中又获得足够能量，再次与原子碰撞，又产生新的电子-空穴对。这一过程不断重复，使PN结内电流急剧增加。 为了实现均匀倍增，衬底材料的掺杂浓度要均匀，缺陷要少；同时在结构上采用保护环。保护环的作用是增加高阻区宽度，减小表面漏电流，避免边缘过早击穿。这种APD有时也称为保护环雪崩光电二极管，记作GAPD。 3.5.4.3.5.4.紫外光电二极管紫外光电二极管 紫外光是频率很高的电磁波。研究和分析认为，制造时采用浅PN结和肖特基结的结构，可以增强对蓝、紫波长光的吸收和响应率。 1.蓝、紫增强型硅光电二

21、极管 已经研制的蓝、紫光增强型硅光电二极管，具有PN结浅、电子扩散长度大和表面复合速率小等三方面的优点。 2.肖特基结光电二极管 肖特基势垒是由金属与半导体接触形成的。所以可以把肖特基势垒光电二极管看作是一个结深为零，表面覆盖着薄而透明金属膜的PN结。结深为零，因此能吸收入射光中相当一部份蓝、紫光和几乎所有的紫外线，吸收后所激发的光生载流子在复合之前就会被强电场扫出，这就提高了光生载流子的产生效率和收集效率，改善了器件的短波响应率。 一般利用金或铝分别与Si、Ge、GaAs、GaAsP、GaP等半导体材料接触，制得各种肖特基结光电二极管。3.5.5.3.5.5.半导体色敏器件半导体色敏器件半导体色敏器件是根据人眼视觉的三色原理，利用不同结深的光电二极管对各种波长的光谱响应率不同的现象制成的。1半导体色敏器件的工作原理下图半导体色敏器件的结构示意图（图3-36）和等效电路（图3-37）。从图可见，它由在同一块硅片上制造两个深浅不同的PN结构成，其中PD2为深结，它对长波长的光响应率高；PD1为浅结，它对波长短的光响应率高。又称为双结光电二极管。 其结构相当于两个光电二级管反响串联。 图3-38双结光电二极管的光谱响应特性。 图3-42集成全色敏器件，可以识别混色光。图