第6章半导体结型器件

1、第六章 半导体结型光电器件光电子技术教研室 光生伏特效应是指：当两种半导体材料光生伏特效应是指：当两种半导体材料或金属或金属/ /半导体相接触形成势垒，当外界光照半导体相接触形成势垒，当外界光照射时，激发光生载流子，注入到势垒附近形射时，激发光生载流子，注入到势垒附近形成光生电压的现象。成光生电压的现象。 利用光生伏特效应制成的光电探测器叫利用光生伏特效应制成的光电探测器叫做势垒型光电探测器。势垒型光电探测器是做势垒型光电探测器。势垒型光电探测器是对光照敏感的对光照敏感的“结结”构成的，故也称结型光构成的，故也称结型光电探测器。电探测器。 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，

2、可分为PNPN结结型、型、PINPIN结型、异质结型和肖特基势垒型等。结型、异质结型和肖特基势垒型等。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、PINPIN管、管、雪崩光电二极管、光电三极管和光电场效应雪崩光电二极管、光电三极管和光电场效应管等。管等。结型光电探测器与光电导探测器相比较，主要结型光电探测器与光电导探测器相比较，主要区别在于：区别在于：1 1、产生光电变换的部位不同。、产生光电变换的部位不同。2 2、光电导型探测器没有极性，工作时必须有、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，外加电压，而结型探测器有确定的正负极，不需要

3、外加电压也可把光信号变为电信号。不需要外加电压也可把光信号变为电信号。3 3、均质型探测器的载流子驰豫时间比较长，、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。探测器响应速度快、频率响应特性好。4 4、雪崩式光电二极管和光电三极管还有很、雪崩式光电二极管和光电三极管还有很大的内增益作用，不仅灵敏度高，还可大的内增益作用，不仅灵敏度高，还可以通过较大的电流。以通过较大的电流。6-1 6-1 结型光电器件原理结型光电器件原理1 1、PNPN结光生伏特效应结光生伏特效应 离离PNPN结较近的由光产生的少数载

4、流子，结较近的由光产生的少数载流子，N N区中的空穴，区中的空穴，P P区中的电子，受到内建电场的区中的电子，受到内建电场的分离，电子移向分离，电子移向N N区，空穴移向区，空穴移向P P区，区，PNPN结区结区的光生电子的光生电子- -空穴对被空穴对被PNPN结势垒区较强的内建结势垒区较强的内建电场分离，空穴被移向电场分离，空穴被移向P P区，电子被移向区，电子被移向N N区。区。 结果在结果在N N区将积累电子，区将积累电子，P P区将积累区将积累空穴，产生了一个与内建电场方向相反空穴，产生了一个与内建电场方向相反的光生电场，于是在的光生电场，于是在P P区和区和N N区之间造成区之间造成

5、光生电势差；如果光照保持不变，积累光生电势差；如果光照保持不变，积累过程达到动态平衡状态，从而给出一个过程达到动态平衡状态，从而给出一个与光照度相应的稳定的电势差，称为光与光照度相应的稳定的电势差，称为光生电动势，光强越强，光生电动势也就生电动势，光强越强，光生电动势也就越大。越大。 2 2、工作模式、工作模式 结型光电器件在有光照条件下，从理论结型光电器件在有光照条件下，从理论上说，可使用于上说，可使用于正偏置、零偏置和反偏置正偏置、零偏置和反偏置。但理论和实践证明，当使用于正偏置时，呈但理论和实践证明，当使用于正偏置时，呈现单向导电性现单向导电性( (和普通二极管一样和普通二极管一样) )

6、，没有光，没有光电效应产生，只有在反偏置或零偏置时，才电效应产生，只有在反偏置或零偏置时，才产生明显的光电效应。产生明显的光电效应。 如果工作在零偏置的开路状态，如果工作在零偏置的开路状态，pnpn结型光电器件产生光生伏持效应，这种结型光电器件产生光生伏持效应，这种工作原理称为工作原理称为光伏工作模式光伏工作模式。 如果工作在反偏置状态，无光照时如果工作在反偏置状态，无光照时电阻很大，电流很小；有光照时，电阻电阻很大，电流很小；有光照时，电阻变小，就变大，而且流过它的光电流随变小，就变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。照度变化而变化。 从外表上看，与光敏电阻一样，同样也具有光电从外表上看

7、，与光敏电阻一样，同样也具有光电导工作模式，但它们的工作机理不同，所以在特性导工作模式，但它们的工作机理不同，所以在特性上有较大差别。因此，结型光电器件用作探测器时，上有较大差别。因此，结型光电器件用作探测器时，可选用两种工作模式中的一种，即工作在反偏置的可选用两种工作模式中的一种，即工作在反偏置的光电导下作模式或零偏置的光作模式。光电导下作模式或零偏置的光作模式。3 3、光照下、光照下pnpn结电流结电流 有光照时，有光照时，pnpn结外电路接上负载电阻结外电路接上负载电阻RLRL，此时在此时在pnpn结内出现两种方向相反的电流：结内出现两种方向相反的电流： 一种是光激发产生的电子空穴对，在

8、内一种是光激发产生的电子空穴对，在内建电场作用下，形成的光生电流建电场作用下，形成的光生电流IpIp，它与光照，它与光照有关，其方向与有关，其方向与pnpn结反向饱和电流结反向饱和电流I I0 0相同；相同； 另一种是光生电流另一种是光生电流Ip Ip 流过负载电阻流过负载电阻RLRL产生产生电压降，相当于在电压降，相当于在pnpn结施加正向偏置电压，从结施加正向偏置电压，从而产生正向电流入，总电流是两者之差。而产生正向电流入，总电流是两者之差。6-2 光电池 光电池是直接把光变成电的光电器件，由于光电池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，故称它是利用各种势垒

9、的光生伏特效应制成的，故称为光生伏特电池，简称光电池。光电池是一种不为光生伏特电池，简称光电池。光电池是一种不需加偏压的能把光能直接转换成电能的需加偏压的能把光能直接转换成电能的pnpn结光电结光电器件器件. .按用途分：按用途分：太阳能光电池、测量光电池太阳能光电池、测量光电池按材料分：按材料分：硅光电池、锗光电池、硒光电池、硫化硅光电池、锗光电池、硒光电池、硫化镉光电池、砷化镓光电池镉光电池、砷化镓光电池其中最受重视的是其中最受重视的是硅光电池、硒光电池硅光电池、硒光电池。太阳能光电池和测量光电池。太阳能光电池和测量光电池。 太阳能光电池主要用作电源，对它的要求是转太阳能光电池主要用作电源

10、，对它的要求是转换效率高、成本低，由于它具有结构简单、体积小、换效率高、成本低，由于它具有结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、在空间能直接利用太重量轻、可靠性高、寿命长、在空间能直接利用太阳能转换成电能的特点，因而不仅成为航天工业上阳能转换成电能的特点，因而不仅成为航天工业上的重要电源，还被广泛地应用于供电因难的场所和的重要电源，还被广泛地应用于供电因难的场所和人们的日常生活中。人们的日常生活中。 测量光电池的主要功能是作为光电探测用，即测量光电池的主要功能是作为光电探测用，即在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号，对它在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号，对它的要求是线性范围宽、灵

11、敏度高、光谱响应合适、的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好、寿命长，被广泛地应用在光度、色度、稳定性好、寿命长，被广泛地应用在光度、色度、光学精密计量和测试中。光学精密计量和测试中。 太阳能光电池主要用作电源，对它的要太阳能光电池主要用作电源，对它的要求是求是转换效率高、成本低转换效率高、成本低。 硅材料研究得最充分，硅光电池具有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、寿命长、光一系列的优点，如性能稳定、寿命长、光谱响应范围宽，频率特性好，能耐高温。谱响应范围宽，频率特性好，能耐高温。 硒光电池其光谱响应曲线与人眼的光视硒光电池其光谱响应曲线与人眼的光视效率曲

12、线相似，且价格比硅光池便宜。很效率曲线相似，且价格比硅光池便宜。很适合作光度测量的探测器，但由于稳定性适合作光度测量的探测器，但由于稳定性很差。目前已被硅光电池所代替，砷化钵很差。目前已被硅光电池所代替，砷化钵光电池光电池 砷化镓光电池具有量子效率高、噪声砷化镓光电池具有量子效率高、噪声小、光谱响应在紫外区和可见光区等优小、光谱响应在紫外区和可见光区等优点，适用于光度仪器。点，适用于光度仪器。 锗光电池由于长波响应宽，适合作近锗光电池由于长波响应宽，适合作近红外探测器。红外探测器。 硅光电池属硅光电池属PNPN结型，按基底材料可分为结型，按基底材料可分为2DR2DR型和型和2CR2CR型型。

13、2DR2DR型是以型是以P P型硅为基底，在基底上扩散型硅为基底，在基底上扩散磷磷便形成便形成N N型薄层受光面，构成型薄层受光面，构成PNPN结（结（2CR2CR型是型是以以N N型硅为基底，在基底上扩散型硅为基底，在基底上扩散硼硼便形成便形成P P型型薄层受光面，构成薄层受光面，构成PNPN结），再经各种工艺处结），再经各种工艺处理，引出电极，受光表面上涂理，引出电极，受光表面上涂保护膜保护膜，减小减小反射损失，增加对入射光的吸收，同时又可反射损失，增加对入射光的吸收，同时又可以防潮以防潮，防腐蚀如镀，防腐蚀如镀SiOSiO2 2，MgFMgF2 2。这样便形。这样便形成上电极，一般多做成

14、成上电极，一般多做成栅指状栅指状，其，其目的目的是便是便于透光和减小串联电阻。于透光和减小串联电阻。 + 正极 光电池 N P 电极 栅状 上电极 前极 SiO2保护膜 N-Si P-Si P N 下电极 Al 后极 2DR 2CR 下电极 P-Si N-Si 上电极 保护膜 符 号 联 结 电 路 等 效 电 路 I RL P N Ip Ij I u 用 一 个 电 流 源 与 二 极 管 并 联 硅光电二极管硅光电二极管 硅光电二极管和光电池一样，都是基于硅光电二极管和光电池一样，都是基于pnpn结的光电结的光电效应而工作的，它主要用于可见光及红外光谱区。效应而工作的，它主要用于可见光及红

15、外光谱区。 硅光电二极管通常在反偏置条件下工作，即光硅光电二极管通常在反偏置条件下工作，即光电导工作模式。这样可以减小光生载流子渡越时间电导工作模式。这样可以减小光生载流子渡越时间及结电容，可获得较宽的线性输出和较高的响应频及结电容，可获得较宽的线性输出和较高的响应频率，适用于测量甚高坡调制的光信号。率，适用于测量甚高坡调制的光信号。 硅光电二极管也可用在零偏置状态，即光伏工硅光电二极管也可用在零偏置状态，即光伏工作模式，这种工作模式突出优点是暗电流等于零。作模式，这种工作模式突出优点是暗电流等于零。后继线路采用电流电压变换电路，线性区范围扩大，后继线路采用电流电压变换电路，线性区范围扩大，得

16、到广泛应用。得到广泛应用。硅光电二极管在结构上和原理上与硅光电池也相似。硅光电二极管在结构上和原理上与硅光电池也相似。但是它与光电池比较，略有不同：但是它与光电池比较，略有不同：就制作衬底材料的掺杂浓度而言，光电池较高。就制作衬底材料的掺杂浓度而言，光电池较高。光电他的电阻率低。光电他的电阻率低。光电池在零偏置下工作，而硅光电二极管通常在反光电池在零偏置下工作，而硅光电二极管通常在反向偏置下工作向偏置下工作一般说来光电池的光敏面面积都比硅光电二极管的一般说来光电池的光敏面面积都比硅光电二极管的光敏面大得多。光敏面大得多。 硅光电二极管常是在反偏的光电导工作模式。硅光电二极管常是在反偏的光电导工

17、作模式。 硅光电二极管在硅光电二极管在无光照条件无光照条件下：若给下：若给p pn n结加一个适当的反向电压，则反向电压加强结加一个适当的反向电压，则反向电压加强了内建电场。使了内建电场。使p pn n结空间电荷区拉宽。势结空间电荷区拉宽。势垒增大，流过垒增大，流过p pn n结的电流结的电流( (称反向饱和电流称反向饱和电流或暗电流或暗电流) )很小，它很小，它( (反向电流反向电流) )是由少数载流是由少数载流子的漂移运动形成的。子的漂移运动形成的。 当硅光电二极管被当硅光电二极管被光照光照时，满足条件时，满足条件hvEghvEg时，则在结区产生的光生载流子将被时，则在结区产生的光生载流子

18、将被内建电场拉开，光生电子被拉向内建电场拉开，光生电子被拉向n n区，光生区，光生空穴被拉向空穴被拉向p p区，于是在外加电场的作用下区，于是在外加电场的作用下形成了以少数载流子漂移运动为主的光电流。形成了以少数载流子漂移运动为主的光电流。显然，光电流比无光照时的反向饱和电流大显然，光电流比无光照时的反向饱和电流大得多，如果光照越强，表示在同样条件下产得多，如果光照越强，表示在同样条件下产生的光生载流子越多，光电流就越大，反之，生的光生载流子越多，光电流就越大，反之，则光电流越小。则光电流越小。1 1PNPN结型硅光电二极管的结构结型硅光电二极管的结构 根据衬底材料不同分为根据衬底材料不同分为

19、2DU2DU和和2CU2CU型两种。型两种。 2DU2DU型硅光电二极管是以轻掺杂、高阻值的型硅光电二极管是以轻掺杂、高阻值的p p型硅材料做基底，在型硅材料做基底，在p p型基底上扩五价元素磷，型基底上扩五价元素磷，形成至掺杂形成至掺杂n n型层。型层。2DU2DU光电二极管的结构及符号光电二极管的结构及符号 环极：环极：SiOSiO2 2层中不可避免地沾污一些少量层中不可避免地沾污一些少量杂质正离子，这些正离子对其下面的半导体杂质正离子，这些正离子对其下面的半导体将产生静电感应，在将产生静电感应，在SiOSiO2 2膜下面将感应出一膜下面将感应出一些负电荷，在些负电荷，在P P型型SiSi

20、衬底表面产生一个电子衬底表面产生一个电子层，它与原来半导体衬底导电类型相反，因层，它与原来半导体衬底导电类型相反，因此叫做反型层。此叫做反型层。 为了降低这部分噪声，就不能让为了降低这部分噪声，就不能让SiOSiO2 2中少量正中少量正离子静电感应所产生的表面漏电流经过外电离子静电感应所产生的表面漏电流经过外电路的负载。目前，一般采用在路的负载。目前，一般采用在P-SiP-Si扩磷形成扩磷形成N+N+层时，同时扩层环形层时，同时扩层环形N+N+层，把原来的层，把原来的N+N+层层环绕起来，单独引出一个电极，称为环极。环绕起来，单独引出一个电极，称为环极。 2CU 2CU型光电二极管是利用型光电

21、二极管是利用N N型硅材料作衬型硅材料作衬底，在表面扩底，在表面扩B B元素形成重掺杂元素形成重掺杂P+P+型，型，P+P+型层型层与与N N型型SiSi相接触形成相接触形成PNPN结，引出电极，涂上结，引出电极，涂上SiO2SiO2保护膜，加上反向偏压，在光照作用下保护膜，加上反向偏压，在光照作用下便有光电流流过负载。便有光电流流过负载。 由于由于N-SiN-Si中为衬底，电子是中为衬底，电子是N N型型SiSi中的中的多数载流子，表面有大浓度的电子。多数载流子，表面有大浓度的电子。SiO2SiO2中中少数正离子的静电感应不会在少数正离子的静电感应不会在N-SiN-Si表面产生表面产生电子层

22、。因此，也没有少数漏电流的问题，电子层。因此，也没有少数漏电流的问题，故故2CU2CU光电二极管只有两个引出线。光电二极管只有两个引出线。2CU2CU型光电二极管和电路型光电二极管和电路PINPIN光电二极管光电二极管 PINPIN光电二极管固有较厚的光电二极管固有较厚的i i层，因此层，因此pnpn结的内结的内电场就基本上全集中于电场就基本上全集中于i i层中。使层中。使pnpn结的结间距离结的结间距离拉大，结电容变小。由于工作在反偏，随着反伯电拉大，结电容变小。由于工作在反偏，随着反伯电压的增大，结电容变得更小，从而提高了压的增大，结电容变得更小，从而提高了PINPIN光电光电二极管的频率

23、响应。二极管的频率响应。 由于由于i i层较厚，又工作在反偏，使结区耗尽层厚层较厚，又工作在反偏，使结区耗尽层厚度增加，提高了对光的吸收和光电变换区域，使量度增加，提高了对光的吸收和光电变换区域，使量子效率提高。子效率提高。第八章第八章 电荷耦合成像器件电荷耦合成像器件 固体成象器件就不需要在真空玻璃壳固体成象器件就不需要在真空玻璃壳内用靶来完成光学图象的转换及电子束按内用靶来完成光学图象的转换及电子束按顺序进行扫描就能获得视频信号，即器件顺序进行扫描就能获得视频信号，即器件本身就能完成光学图象转换、信息存贮和本身就能完成光学图象转换、信息存贮和按顺序输出（称自扫描）视频信号的全过按顺序输出（

24、称自扫描）视频信号的全过程。程。 1970 1970年由贝尔实验室的贝埃尔（年由贝尔实验室的贝埃尔（BoyleBoyle）和史密）和史密斯（斯（SmithSmith）提出来的一种）提出来的一种MOSMOS结构的新型器件电结构的新型器件电荷耦合器件（荷耦合器件（CCDCCD：charge couple Devicecharge couple Device）。）。 CCDCCD有两种基本类型：一种是电荷包存贮在半导有两种基本类型：一种是电荷包存贮在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为称为表面沟道电荷耦合器件表面沟道电荷耦合器件( (简称简

25、称SCCD)SCCD)；另一种是；另一种是电荷包存贮在离半导体表面一定深度的体内，并在电荷包存贮在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向传输，这类称为半导体内沿一定方向传输，这类称为体内沟道或埋体内沟道或埋沟道电荷耦合器件沟道电荷耦合器件( (简称简称BCCD)BCCD)。 一、结构一、结构电荷耦合器件简称电荷耦合器件简称CCDCCD，从结构上讲，它是由许，从结构上讲，它是由许多小多小MOSMOS电容组成。电容组成。MOSMOS电容即金属（电容即金属（MetalMetal）- -氧化物氧化物(Oxidation)-(Oxidation)-半导体半导体(Seminconductor)

26、(Seminconductor)构成的电容器，常构成的电容器，常称为称为MOSMOS电容，或电容，或MOSMOS结构。结构。（a a）MOSMOS电容器；（电容器；（b b）一般电容器）一般电容器 二、电荷耦合原理二、电荷耦合原理CCDCCD工作在深耗尽区，可以用电注入或光注入工作在深耗尽区，可以用电注入或光注入的方法向势阱注入电荷，以获得自由电子或的方法向势阱注入电荷，以获得自由电子或自由空穴，此势阱中所包含的自由电荷通常自由空穴，此势阱中所包含的自由电荷通常称为电荷包。在提取信号时，需要将电荷包称为电荷包。在提取信号时，需要将电荷包有规则地传送出去，这一过程叫做有规则地传送出去，这一过程叫

27、做CCDCCD的电的电荷转移，它是靠各个荷转移，它是靠各个MOSMOS的栅极在时钟电压的栅极在时钟电压作用下，以电荷耦合方式实现的。作用下，以电荷耦合方式实现的。外加在栅极上的电压愈高，表面势越高势阱越深，若外加电压一定，势阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下降。n 从上面分析可知，从上面分析可知，CCDCCD中电荷的存储和传输中电荷的存储和传输是通过各电极上加不同的电压实现的。电极是通过各电极上加不同的电压实现的。电极的结构如按所加脉冲电压相数来分，则可分的结构如按所加脉冲电压相数来分，则可分为二相、三相、四相电极结构形式。为二相、三相、四相电极结构形式。电荷耦合成像器件电荷耦合成像器件 n 电荷耦合器件的一个重要应用是作为摄象器件，电荷耦合器件的一个重要应用是作为摄象器件，电荷耦合摄象器件可分为一维电荷耦合摄象器件可分为一维( (线阵线阵) )的和二维的和二维( (面阵面阵) )两种，它们的功能都能把二维光学图象信两种，它们的功能都能把二维光学图象信号转变成一维视频信号输出。它们的原理是：号转变成一维视频信号输出。它们的原理是：n 首先用光学成像系统首先用光学成像系统( (光学镜头光学镜头) )将被摄的景将被摄的景物图象成象在物图