改 6半导体结型光电器件

1、第第0606章章 半导体结型光电器件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利用半导体光伏效应制作的器件称为光伏探光伏探测器测器，也称，也称结型结型光电器件。光电器件。 PNPN结受到光照时，可在结受到光照时，可在PNPN结的两端产生光生结的两端产生光生电势差，这种现象则称为电势差，这种现象则称为光伏效应光伏效应。 光伏效应：光伏效应：结型光电器件：结型光电器件：简称简称PV（Photovoltaic）探测器）探测器结型光电器件结型光电器件简称简称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产

2、生光电变换部位不同 光敏电阻：任何部位光敏电阻：任何部位 结型器件：结区及其附近结型器件：结区及其附近 外加电压不同外加电压不同 光敏电阻：加偏压，无极性要求光敏电阻：加偏压，无极性要求 结型器件：加偏压则有极性要求；也可不加结型器件：加偏压则有极性要求；也可不加 响应速度不同响应速度不同 光敏电阻：慢（取决于载流子产生与复合速度）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）结型器件：快（取决于载流子漂移运动） 内增益不同内增益不同 光敏电阻：大光敏电阻：大 结型器件：光电三极管、雪崩二极管内增益大结型器件：光电三极管、雪崩二极管内增益大第第0606章章 半

3、导体结型光电器件半导体结型光电器件6.1 6.1 结型光电器件的原理结型光电器件的原理6.2 6.2 常用结型光电器件常用结型光电器件6.3 6.3 结型光电器件组合器件结型光电器件组合器件6.4 6.4 结型光电器件的偏置电路结型光电器件的偏置电路6.16.1结型光电器件的原理结型光电器件的原理光照下的光照下的PN结电流方程及伏安特性结电流方程及伏安特性电流方程电流方程 /0p1eUkTIIeI伏安特性伏安特性 伏安特性伏安特性第一象限：普通二极管，光电流被扩第一象限：普通二极管，光电流被扩散电流淹没散电流淹没 ，不能用作光电探测器，不能用作光电探测器/0p1eUkTIIeI伏安特性伏安特性

4、第三象限：第三象限：光电导模式光电导模式 反偏反偏 光电二极管光电二极管 工作区域工作区域 光电导模式可以减光电导模式可以减小载流子的渡越时小载流子的渡越时间和二极管的极间间和二极管的极间电容，有利于提高电容，有利于提高器件的器件的响应灵敏度响应灵敏度和和响应频率响应频率。 /0p1eUkTpIIeII 第四象限：第四象限：光伏模式光伏模式 零偏零偏 光电池光电池 工作区域工作区域伏安特性伏安特性/0p1eUkTIIeI光伏模式暗光伏模式暗电流为零电流为零 伏安特性伏安特性光电二极管光电二极管 光电池光电池 普通二极管普通二极管 等效电路等效电路 /0p1eUkTIIeI电流源电流源普通二极管

5、普通二极管 开路电压开路电压Uoc和短路电流和短路电流Iscp/01IeIIkTqUI=0（负载电阻RL），光伏探测器两端的电压称为开路电压 ocp0ln/1kTUIIq（）U=0（负载电阻RL=0），流过光伏探测器称为短路电流 scpIIS E 第第0606章章 半导体结型光电器件半导体结型光电器件6.1 6.1 结型光电器件的原理结型光电器件的原理6.2 6.2 常用结型光电器件常用结型光电器件6.3 6.3 结型光电器件组合器件结型光电器件组合器件6.4 6.4 结型光电器件的偏置电路结型光电器件的偏置电路6.2 6.2 常用结型光电器件常用结型光电器件6.2.1 6.2.1 硅光电池硅

6、光电池 6.2.2 6.2.2 硅光电二极管硅光电二极管6.2.3 6.2.3 硅光电三极管硅光电三极管6.2.4 PIN6.2.4 PIN光电二极管光电二极管6.2.5 6.2.5 雪崩光电二极管雪崩光电二极管用途分类：用途分类：主要功能是作为光电探测主要功能是作为光电探测用，光照特性的用，光照特性的线性度好线性度好太阳能光电池太阳能光电池测量光电池测量光电池主要用作电源，转换效率主要用作电源，转换效率高、成本低高、成本低(Solar Cells) 6.2.1 6.2.1 硅光电池硅光电池 材料分类：材料分类：硒、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、锗、硅、硒、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、锗、硅、砷化镓

7、等砷化镓等结构：结构：电极：多做成梳齿电极：多做成梳齿壮，目的壮，目的 减小串联减小串联电阻和便于透光电阻和便于透光SiO2层：增透，层：增透，防潮防潮 2DR：型硅作基底，型薄膜为受光面：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：型硅作基底，型薄膜为受光面 等效电路等效电路硅光电池电流方程硅光电池电流方程/0p1eUkTIIeI伏安特性伏安特性表示不同照度下，输出电流和电压随表示不同照度下，输出电流和电压随负载电负载电阻阻变化的曲线变化的曲线无外加偏压无外加偏压（自偏压自偏压）照度照度电流电压特性电流电压特性照度照度负载特性负载特性负载小，线性范围大负载小，线性范围大线

8、性变坏线性变坏光谱特性光谱特性长波限：取决于材料的长波限：取决于材料的禁带宽度禁带宽度Eg短波响应度下降原因：短波响应度下降原因：1.等能量曲线，短波光等能量曲线，短波光子数少子数少2.在表面附近全被吸收，在表面附近全被吸收，复合率高复合率高频率特性频率特性光伏探测器频率特性一般由光伏探测器频率特性一般由电路时间常数电路时间常数决定决定光电导探测器频率特性一般由光电导探测器频率特性一般由载流子寿命载流子寿命决定决定.LjR C要获得快速响应要获得快速响应,要使要使小小:使用小的负载使用小的负载; 选用小面积光电池选用小面积光电池光电倍增管频率特性一般由光电倍增管频率特性一般由电路时间常数电路时

9、间常数决定决定若光电池接收正弦型光照若光电池接收正弦型光照时常用频率特性曲线表示时常用频率特性曲线表示 综上，负载的选择：综上，负载的选择：RL小：线性好小：线性好RL小：频响提高小：频响提高RL小：输出电压低小：输出电压低（运放输出）（运放输出）温度特性温度特性光电池的温度特性是指光照下光电池开路电压光电池的温度特性是指光照下光电池开路电压Voc与短路电流与短路电流Isc随温度的变化情况随温度的变化情况 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：入光面高掺杂且薄，基底轻掺杂：透光透光结区宽，以保证吸收更多的入射光结区宽，以保证吸收更多的入射光结区多在基底

10、结区多在基底,光生载流子大多产生于结区光生载流子大多产生于结区,省去扩散时间省去扩散时间6.2.2 6.2.2 硅光电二极管硅光电二极管结构：结构：（Photodiode，简称，简称PD） 2CU2DU重掺杂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比较：光电二极管与光电池科科1616表面漏电流表面漏电流SiO2中的杂质正离子使中的

11、杂质正离子使P区形成反型层，反型层是区形成反型层，反型层是漏电流形成的通道漏电流形成的通道2DU：环极的电位高于前极，：环极的电位高于前极，大部分漏电流从环极流向后大部分漏电流从环极流向后极，不再流过负载极，不再流过负载RL2DU：无表面漏电无表面漏电2CU：输出电路输出电路6.2.3 6.2.3 硅光电三极管硅光电三极管又称为光电晶体管（又称为光电晶体管（Phototransistor，简称，简称PT） 光电三极管在电子线路中的符号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普通晶体三极管的电流放大电流放大作

12、用，因而它内增益作用，因而它内增益大，输出光电流大大，输出光电流大 电极：有三根引线的，电极：有三根引线的，也有二根引线的也有二根引线的 光电三极管的结构和普光电三极管的结构和普通晶体管类似，但它的通晶体管类似，但它的外壳留有外壳留有光窗光窗 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。 bPEIISE11ebEIISE光电二极管与光电三极管比较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“非线性” ,频率特性较差光照特性光照特性伏安特性伏安特性在相同照度下，硅光电二极管的光电流在在相同照度

13、下，硅光电二极管的光电流在A A级级而硅光电三极管的在而硅光电三极管的在mAmA量级。量级。在零偏置下，硅光电二极管仍有光电流输出，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。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。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虽然光电二极管也有此现象，但硅光电三极管严

14、重得多（照度特性）多（照度特性）温度特性温度特性硅光电三极管的硅光电三极管的光电流光电流和和暗电流暗电流受温度影响比硅受温度影响比硅光电二极管大得多光电二极管大得多频率特性频率特性硅光电二极管硅光电二极管LjRC决定频率响应的主要因素是电路时间常数决定频率响应的主要因素是电路时间常数 1122221() 1() PLPLLLjIRIRVR C对于调制频率为对于调制频率为的入射光的入射光 LjRC减小减小RL虽能提高频率虽能提高频率特性，但使输出电压下特性，但使输出电压下降（运放）降（运放）从电路上看，从电路上看，RL越大输出电压越大，但越大输出电压越大，但RL太大会使输太大会使输出电压呈非线性

15、出电压呈非线性频率特性频率特性硅光电三极管硅光电三极管由于非线性光照特性，加之三极管的电流放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大作用，硅光电三极管作为光电开关适合于各种光电控制。光电控制。 决定其响应时间的因素决定其响应时间的因素（a）发射结时间常数）发射结时间常数 （b）集电结时间常数）集电结时间常数RL的选择与光电二极管相同采用高增益、的选择与光电二极管相同采用高增益、低输入阻抗的运放，改善动态性能低输入阻抗的运放，改善动态性能6.2.4 PIN光电二极管光电二极管结构：结构：在掺杂浓度很高的在掺杂浓度很高的P型半导体和型半导体和N型半导体之间

16、夹着一层较型半导体之间夹着一层较厚的高阻本征半导体厚的高阻本征半导体I 结电容变得更小，频率响应高，带宽可达结电容变得更小，频率响应高，带宽可达10GHz；线性输出范围宽，线性输出范围宽，i层较厚，可承受较高偏压层较厚，可承受较高偏压光电二极管的强光饱和原因光电二极管的强光饱和原因光电流过大，导致负载分光电流过大，导致负载分压过大，光电管偏压减小，内建电场减小，电流下降压过大，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

17、子大多出现耗尽层厚度增加，增大了光电转换区域（载流子大多出现在耗尽区，能在寿命内漂移到在耗尽区，能在寿命内漂移到PN区，为光电压作贡献）区，为光电压作贡献）提高了对长波的吸收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浅结对短波长吸收多，深结对长波长吸收多特点：特点：应用：应用： 光通信等快速光检测领域光通信等快速光检测领域 高反压高反压(100200 V) 强电场强电场 载流子加速载流子加速 碰撞碰撞 新载流子新载流子雪崩倍增雪崩倍增 光电流的放大光电流的放大 1.结构原理：结构原理：6.2.5 雪崩光电二极管雪崩光电二极管响应时间响应时间:0.5ns光电增益光电增益M:1021

18、03 截止频率截止频率:f=100GHz噪声等效功率噪声等效功率:10-15w应用领域应用领域:光纤通讯、弱信号检测、光纤通讯、弱信号检测、激光测距等领域。激光测距等领域。2.光电增益光电增益M ：p0B11pnpIIMqNIUUUB为击穿电压为击穿电压 n：13。取决于半导体材。取决于半导体材料掺杂，辐射波长。料掺杂，辐射波长。U增加到接近增加到接近UB 得到很得到很大的倍增大的倍增 U很低很低 没有倍增现象没有倍增现象 U超过超过UB 噪声电流很大噪声电流很大 APD合适工作点：合适工作点： U接近接近UB，但不超过，但不超过UB与温度的关系与温度的关系稳定稳定APD工作点：工作点： 1.

19、 稳压稳压 2. 恒温恒温稳定稳定APD工作点：工作点： 1. 稳压稳压 2. 恒温恒温APD工作电路举例：工作电路举例：W1W2为粗细调电位的变阻器为粗细调电位的变阻器C为稳压电容为稳压电容R为限流电阻为限流电阻第第0606章章 半导体结型光电器件半导体结型光电器件6.1 6.1 结型光电器件的原理结型光电器件的原理6.2 6.2 常用结型光电器件常用结型光电器件6.3 6.3 结型光电器件组合器件结型光电器件组合器件6.4 6.4 结型光电器件的偏置电路结型光电器件的偏置电路 6.3结型光电器件组合器件结型光电器件组合器件也称为集成结型光电器件6.3.16.3.1半导体色敏感器件半导体色敏

20、感器件 6.3.26.3.2象限式光电器件象限式光电器件6.3.26.3.2光电位置探测器光电位置探测器6.3.46.3.4光电耦合器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。6.3.16.3.1半导体色敏感器件半导体色敏感器件 1.1.结构原理结构原理 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/Isc

21、122Tsc2ssc20c1T1sc11lglglgRRVIIVRIVIR2.2.检测电路检测电路 6.3.26.3.2象限式光电器件象限式光电器件准直、定位、准直、定位、跟踪、频谱分析跟踪、频谱分析各种象限式光电器件示意图 工作原理工作原理VxVyxVxVyy象限探测器的明显缺点象限探测器的明显缺点: 由于需要分割由于需要分割,从而产生死区从而产生死区若被测光斑全部落入某个象限时若被测光斑全部落入某个象限时,输出信输出信号无法表示光斑位置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测量精度与光强变化及漂移密切相关科科1717特点：特点：光敏面上光敏面上无象限分隔线无象限分隔线，对光

22、斑位置，对光斑位置可进行可进行 连续测量连续测量，位置分辨率，位置分辨率高高 6.3.36.3.3光电位置探测器光电位置探测器一维一维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 P层的电阻率分布均匀、负载及电极接触电阻为零层的电阻率分布均匀、负载及电极接触电阻为零 LIIIIxILxLIILxLI1212020122，6.3.46.3.4光电耦合器（对管）光电耦合器（对管）光电耦合器光电耦合器是发光器件与接收器件组合的一种元件是发光器件与接收器件组合的一种元件按用途分类：按用途分类：光电隔离器、光传感器光电隔离器、光传感器发光器件：发光器件： 常采用发光二极管

23、常采用发光二极管接收器件：接收器件： 常用光电二极管、光电三极管、光集成电路等常用光电二极管、光电三极管、光集成电路等 光传感器光传感器: :是一种固体传感器是一种固体传感器, ,主要用以检测物体的主要用以检测物体的长度或检测物体有无长度或检测物体有无的状态的状态. .光电隔离器：光电隔离器：在电路之间传送在电路之间传送信息信息, ,以便实现电以便实现电路间的路间的电气隔离电气隔离和和消除噪声消除噪声影响影响第第0606章章 半导体结型光电器件半导体结型光电器件6.1 6.1 结型光电器件的原理结型光电器件的原理6.2 6.2 常用结型光电器件常用结型光电器件6.3 6.3 结型光电器件组合器

24、件结型光电器件组合器件6.4 6.4 结型光电器件的偏置电路结型光电器件的偏置电路6.4 6.4 光伏探测器的偏置电路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为使器件正常工作，提供合适的电流或者电压TRb+UCCcR偏置电路偏置电路: :例如：例如：意义：意义：1. 1. 提高探测灵敏度提高探测灵敏度2. 2. 提高频率响应提高频率响应3. 3. 降低噪声降低噪声4. 4. 线性工作线性工作偏置电压偏置电压偏置电阻偏置电阻反向偏置电路反向偏置电路 自偏置电路自偏置电路 6.4.1自偏置电路自偏置电路2 2短路或线性电流放大区短路或线性电流放大区3 3空载电压输出区空载电压输

25、出区1 1功率放大区功率放大区1 1：光电池：光电池2 2、3 3：光电检测、控制：光电检测、控制1 1功率放大区功率放大区0.7/LoptocscRVI2 2短路或线性电流放大区短路或线性电流放大区电流电流放大放大型型放大器的输入电阻为：放大器的输入电阻为： r1fiRAri =010 线性放大区：线性放大区：线性好、输出光电流大，暗电流近线性好、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。似为零、信噪比好，适合弱光信号检测。时间特性好时间特性好电压并联负反馈，电压并联负反馈，输入输出电阻低输入输出电阻低3 3空载电压输出区空载电压输出区RL1M 光电池处于接近开路状态光电池处于接近开路状态V+约等于约等于Voc 光照，光照，“+”端电压从端电压从0跳跃到跳跃到0.450.6V空载电压输出区：空载电压输出区：具有很高的光电转换灵敏