半导体光电检测器件

1、第三节第三节 半导体光电检测器件半导体光电检测器件光电导型光电器件：光敏电阻光电导型光电器件：光敏电阻光生伏型光电器件：光电池光生伏型光电器件：光电池 光电二极管光电二极管 光电三极管光电三极管一、一、光敏电阻光敏电阻（一）光敏电阻的结构及工作原理（一）光敏电阻的结构及工作原理 光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理：工作原理： 基于光电导效应，其阻值随光照增强而基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。减小。 当光照射到光电导体上时，若光电当光照射到光电导体上时，若光电导体为导体为本征半导体材料本征半导体材料，为实现能，为实现能级的跃迁，入射光的能量必

2、须大于级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度光导体材料的禁带宽度E Eg g，即，即 h hE Eg (eV) g (eV) 式中式中和和入射光的频率和波长。入射光的频率和波长。从而使光电导体电导率增加从而使光电导体电导率增加半导体吸收光子而产生的光电效应，半导体吸收光子而产生的光电效应，只限只限于光照的表面薄层，于光照的表面薄层，虽然产生的载流子虽然产生的载流子也有少数扩散到内部，但扩散深度有限也有少数扩散到内部，但扩散深度有限因此光电导体一般都做成薄层因此光电导体一般都做成薄层电极一般采用疏状图案电极一般采用疏状图案。 由于在间距很近的电极之间有由于在间距很近的电极之间有可能采

3、用大的灵敏面积，可能采用大的灵敏面积，所以提高所以提高了光敏电阻的灵敏度。了光敏电阻的灵敏度。A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料光导电材料绝缘衬低绝缘衬低引线引线电极电极引线引线光电导体光电导体 1-1-光导层光导层; 4-; 4-电极电极; 7-; 7-电阻引线。电阻引线。 2-2-玻璃窗口玻璃窗口; 5-; 5-陶瓷基座陶瓷基座; ; 3-3-金属外壳金属外壳; 6-; 6-黑色绝缘玻璃黑色绝缘玻璃; ;RG1234567( (a a) )结构结构 ( (b b) )电极电极 ( (c c) )符号符号CdSCdS光敏电阻的结构和符号光敏电阻的结构和符

4、号 光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体此要将导光电导体。如果把光敏电阻连接到外电路中，。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如下变电路中电流的大小，其连线电路如下图所示。图所示。 优点：光敏电阻具有优点：光敏电阻具有很高的灵敏度很高的灵敏度，很，很好的好的光谱特性光谱特性，光谱响应可从紫外区到，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。泛

5、。 （二）光敏电阻的主要（二）光敏电阻的主要参数和基本特性参数和基本特性（1 1）暗电阻、亮电）暗电阻、亮电阻、光电流阻、光电流 暗电流暗电流Id ：光敏电光敏电阻在室温条件下，阻在室温条件下，全暗（无光照射）全暗（无光照射）后后经过一定时间测量经过一定时间测量的电阻值，的电阻值，称为暗电称为暗电阻。阻。此时流过的电流为此时流过的电流为IdRGRLE 连线电路连线电路图图 亮电流亮电流IL ：光敏电阻在某一光照下的：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流。流过的电流。 光电流光电流I光光：亮电流与暗电流之差。：亮电流与暗电流之差。 光敏

6、电阻的暗电阻越大，而亮电阻越光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。灵敏度越高。实用的光敏电阻的暗电阻往往超过实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M, ,甚甚至高达至高达100M，而亮电阻则在几，而亮电阻则在几k以下，以下，暗电阻与亮电阻之比在暗电阻与亮电阻之比在10102 210106 6之间，可见之间，可见光敏电阻的灵敏度很高光敏电阻的灵敏度很高. . （2）光照特性）光照特性下图表示下图表示CdS光敏电阻的光敏电阻的光照特性：在光照特性：在一定外加电压下，光敏电

7、阻的光电流一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。光照特性曲线和光通量之间的关系。光照特性曲线: :在弱光呈线性在弱光呈线性，在强光时呈非线性。在强光时呈非线性。不足之处不足之处：不宜作定量检测元件不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中用作：一般在自动控制系统中用作：光电开关光电开关。012345I/mA L/lx10002000（3）增益）增益G G=U/L2（4）灵敏度）灵敏度(a) 光电导灵敏度光电导灵敏度 Sg=g/E=gA/ 由欧姆定律，得由欧姆定律，得 I=SgEU(b) 电阻灵敏度电阻灵敏度 SR=(Rd- -R亮亮)/RdR/Rd(c) 比灵敏度比灵敏度 S比比=

8、 SI/U =I光光/（ U）（5）光谱特性）光谱特性 光谱特性与光敏电阻的材料有关。光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，从图中可知，硫化铅硫化铅光敏电阻在较宽光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰峰值在红外区域值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。值在可见光区域。因此，在选用光敏因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。的效果。 （6 6） 伏安特性伏安特性 在一定照度下，加在光敏电阻两在一定照度下，加在光敏电阻

9、两端的电压与电流之间的关系称为伏安端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。特性。 801002040604080120160200240 /m312相相对对灵灵敏敏度度1硫化镉硫化镉2硒化镉硒化镉3硫化铅硫化铅图中曲线图中曲线1 1、2 2分别表示照度为分别表示照度为零零及照度及照度为为某值某值时的伏安特性。由曲线可知，时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下在给定偏压下, ,光照度较大，光电流也光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越压越大，光电流越大，而且大，而且无饱和现无饱和现象。象。但是电压不能但是电压不能无限地增大，因为无限地增

10、大，因为任何光敏电阻都受任何光敏电阻都受额定功率、最高工额定功率、最高工作电压和额定电流作电压和额定电流50100150200 U/V02040 I/ A的限制。超过最高工作电压和最大额定的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏电流，可能导致光敏电阻永久性损坏（7）频率特性）频率特性 当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的是光敏电阻的延时特性延时特性。由于不同材料的。由于不同材料的光敏光敏

11、电阻延时特性不同，所以它们的频率电阻延时特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。特性也不同，如图。 硫化铅的使用频硫化铅的使用频率比硫化镉高得率比硫化镉高得多，但多，但多数光敏多数光敏电阻的延时都比电阻的延时都比较大，较大，所以，它所以，它不能用在要求快不能用在要求快速响应的场合。速响应的场合。20406080100I / %f / Hz010102103104硫化铅硫化铅硫化镉硫化镉（8）稳定性）稳定性 曲线曲线1、2分别表示两种型号分别表示两种型号CdS光敏电阻光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于的稳定性。初制成的光敏电阻，由于体内体内机构工作不稳定，以及电阻体与其介质的机构工作不稳

12、定，以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。经一至二周的老化，性能可达稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上有些样品阻值上升，有些样品阻值下降，升，有些样品阻值下降，但最后到一个稳但最后到一个稳定值后达就不再定值后达就不再变了。这就是光变了。这就是光敏电阻的主要优敏电阻的主要优点。点。 光敏电阻的光敏电阻的使用寿使用寿命命在密封良好、使在密封良好、使用合理的情况下，几乎是用合

13、理的情况下，几乎是无限长无限长的。的。 I / %4080120160210400 800 1200（9）温度特性）温度特性 灵敏度、暗电阻等受温度的影响较大。随灵敏度、暗电阻等受温度的影响较大。随着着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的光谱特性曲线的峰值向波长短峰值向波长短的方向的方向移动移动。硫化镉的光电流硫化镉的光电流I I和温度和温度T T的关系如图所示。的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用可利用制冷器使光敏电阻的

14、温度降低制冷器使光敏电阻的温度降低。 I / A100150200-50-1030 5010-30 T/ C8020406010001.02.03.04.0/mI/mA+20 C- -20 C（1010）噪声）噪声当工作频率当工作频率f1kHz时，主要为时，主要为1/f 噪声。噪声。当当1kHzf =1MHz时，主要为热噪声。时，主要为热噪声。二、光电池二、光电池 光电池是一种利用光生伏特效应制成的不光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压就能将光能转化成电能的光电器需加偏压就能将光能转化成电能的光电器件。简单的说，其本质就是一个件。简单的说，其本质就是一个PNPN结。结。 PNhPNLR

15、GE表示电子表示电子表示空穴表示空穴LIPN结的光生伏特效应结的光生伏特效应 PN结受到光照时：光线足以结受到光照时：光线足以透过透过P P型半导型半导体体入射到入射到PN结，结，对于对于能量大于材料禁带宽度能量大于材料禁带宽度的光子的光子，由于本征吸收，就，由于本征吸收，就可激发出电子空可激发出电子空穴对穴对。内建电场把内建电场把N中的空穴拉向中的空穴拉向P区区，把把P中的电子拉向中的电子拉向N区。区。大量的积累产生一个与大量的积累产生一个与内建电场相反的光生电场，即形成一个光生内建电场相反的光生电场，即形成一个光生电势差。电势差。 注意：注意：(1)PN结产生光生伏特的条结产生光生伏特的条

16、件件与与照射光的强度无关照射光的强度无关； 光生伏特大小与照射光的强度成正比光生伏特大小与照射光的强度成正比 开路光电压、短路光电流与入射光功率之间开路光电压、短路光电流与入射光功率之间的关系的关系 ：若若入射光作用下产生光生电压为入射光作用下产生光生电压为U、光生电流为光生电流为Ip，入射光功率为，入射光功率为P。在。在PN结两结两端通过负载端通过负载R RL L构成回路及等效电路为构成回路及等效电路为gEh 由节点定律，得由节点定律，得 光生伏特器件光生伏特器件（1）在零偏压；在零偏压； （2） 反向偏压下工作反向偏压下工作 （更常见）。（更常见）。DPLIII 1)(dLRIVkTqSP

17、DPLeIIIII （二）特性参数（二）特性参数 1 1输出特性输出特性 （1 1）伏安特性）伏安特性 由（由（2 24545）式，）式，当当I=0=0时，得开路电压时，得开路电压) 1ln(SPOCIIqKTV V=0 时，时，得短路电流得短路电流 ISC=IL=SL (2) 输出特性输出特性 最大输出功率最大输出功率 负载功率：负载功率：PL=VI=I2L RL 当当RL=0, V=0 , PL=0 当当RL趋于无穷大时，趋于无穷大时， I=0 , PL=0 有最大的有最大的Pmax , 得负载电阻得负载电阻RLROPt（一）结构原理（一）结构原理 1、金属、金属-半导体接触型（硒光电池）

18、半导体接触型（硒光电池） 2、PN结型结型 结型光电池，是在结型光电池，是在N型（或型（或P型）半导体表面上型）半导体表面上扩散一层扩散一层P型（或型（或N型）杂质，形成型）杂质，形成PN结。结。NP)(电极)(电极入射光线（二）分类（二）分类（1）按基底材料分类）按基底材料分类 2DR（P型型Si为基底）为基底） 2CR（N型型Si为基底）为基底）（2 2） 按结构分类按结构分类 阵列式：分立的受光面阵列式：分立的受光面 象限式：参数相同的独立光电池象限式：参数相同的独立光电池 硅蓝光电池：硅蓝光电池：PNPN结距受光面很近结距受光面很近 阵列式阵列式 象限式象限式（3 3）按用途分类）按用

19、途分类 太阳能光电池：用作电源（效率高，太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低）成本低） 测量用光电池：探测器件（线性、灵测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等）敏度高等）（4 4）按材料分类）按材料分类 硅光电池：光谱响应宽，频率特性好硅光电池：光谱响应宽，频率特性好 硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内 薄膜光电池：薄膜光电池：CdS 增强抗辐射能力增强抗辐射能力 紫光电池：紫光电池：PN结结 0.20.3 m， 短波峰值：短波峰值：600nm（三）特性参数（三）特性参数1、光照特性、光照特性L为光亮度为光亮度 (书书P22)socISLqkTUln02000

20、40006000800010000123454 . 03 . 02 . 01 . 0scIocU)/(2cmmAIsc)(VUoc)(LxESLIILSC2、输出电流与负载大小的关系、输出电流与负载大小的关系3、伏安特性、伏安特性 光电流与电压的关系光电流与电压的关系（四）应用（四）应用1、光电池用作太阳能电池光电池用作太阳能电池 把光能直接转化成电能，需要最大把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转化效率。即把受光面的输出功率和转化效率。即把受光面做得较大，或做得较大，或把多个光电池作串、把多个光电池作串、并联组成电池组，并联组成电池组，与镍镉蓄电池配与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站

21、等无输电线合，可作为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给。路地区的电源供给。2、光电池用作检测元件光电池用作检测元件 利用其光敏面大，频率响应高，光利用其光敏面大，频率响应高，光电流与照度线性变化，可制成：电流与照度线性变化，可制成： （1）光开关）光开关 （2）线性测量）线性测量( (如光电读数、光栅测量、如光电读数、光栅测量、激光准直）等激光准直）等三、光敏二极管三、光敏二极管1. 与普通二极管相比与普通二极管相比共同点：共同点：一个一个PN结，单向导电性结，单向导电性不同点：不同点：（1）受光面大，）受光面大，PN结面积更大，结面积更大，PN结深结深度较浅度较浅（2）表面有）表面有防反

22、射防反射的的SiO2保护层保护层（3）外加）外加负偏压负偏压 2. 与光电池相比与光电池相比共同点：共同点：均为一个均为一个PN结，利用光生伏特结，利用光生伏特效应，效应， SiO2保护膜保护膜。不同点不同点：（1）结面积）结面积比光电池的小比光电池的小，频率特性好，频率特性好（2）光生电势与光电池相同，）光生电势与光电池相同，但电流比但电流比光电池小光电池小（3）可在零偏压下工作，）可在零偏压下工作，更常在更常在反偏压反偏压下工作下工作3.3.性能参数性能参数（1 1）伏安特性）伏安特性（2）光照特性）光照特性 光电流与照度的关系光电流与照度的关系 15V15V反向偏压时的光照特性曲线反向偏

23、压时的光照特性曲线025050075010001250102030405060E)( AI（3）光谱特性）光谱特性 影响因素：影响因素： 材料：禁带宽度材料：禁带宽度 设计工艺：设计工艺：PN结深度及表面处理结深度及表面处理（4）暗电流与噪声）暗电流与噪声 在直流偏压下，暗电流是噪声的在直流偏压下，暗电流是噪声的主要来源主要来源gE（5）频率特性）频率特性 是半导体光电器件中最好的一种是半导体光电器件中最好的一种，与下列因素有关：与下列因素有关： 结电容（小于结电容（小于20F) 和杂散电容和杂散电容 光生载流子在薄层中的扩散时间及光生载流子在薄层中的扩散时间及PN结中的漂移时间结中的漂移时间

24、 要要提高频率响应提高频率响应必须做到以下几点：必须做到以下几点： 合理的结面积（小的结面积可使合理的结面积（小的结面积可使Cj减小，减小，但相同光照下，光电流也较小）；但相同光照下，光电流也较小）； 尽可能大的耗尽层厚度；尽可能大的耗尽层厚度； 适当加大使用电压；适当加大使用电压； 减小结构所造成的分布电容。减小结构所造成的分布电容。4、电路、电路 光敏二极管的输出电路及等效电路：光敏二极管的输出电路及等效电路： 由等效图可知：由等效图可知： SiLLLRSRiU光敏二极管等效电路光敏二极管等效电路5、光敏二极管的分类、光敏二极管的分类 按材料分类：按材料分类： 硅光敏二极管硅光敏二极管 锗光敏二极管锗光敏二极管 化合物光敏二极管化合物光敏二极管 按结的特性：按结的特性： PN结（扩散层、耗尽层）结（扩散层、耗尽层） PIN结结 异质结异质结 肖特基结肖特基结6、几种常见的光敏、几种常见的光敏二极管二极管（1）肖特基结光敏二极管）肖特基结光敏二极管（金属与半导（金属与半导体接触）体接触） 光敏面小，势垒电容小，响应快，但光敏面小，势垒电容小，响应快，但工艺困难。工艺困难。（2）扩散层）扩散层PN结光