半导体光电检测器件及应用

1、v光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光谱响光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光谱响应在可见到近红外区中，光电检测中应用多。应在可见到近红外区中，光电检测中应用多。v为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，即即PNPN结面积比普通二极管大得多，以扩散层作为它的结面积比普通二极管大得多，以扩散层作为它的受光面。受光面。v为了提高光电转换能力，为了提高光电转换能力，PNPN结的深度较普通二极管浅。结的深度较普通二极管浅。3.2.2 光敏二极管与光电三极管光敏二极管与光电三极管1、光敏二极管、光敏二极管（1）光敏二极管的类型）光敏二极管的

2、类型硅硅锗锗-族化合物族化合物及其他化合物及其他化合物材料材料PN结结PIN结结异质结异质结肖特基势垒肖特基势垒点接触点接触结构特性结构特性紫外光紫外光可见光可见光红外光红外光对光的对光的响应响应01.60.10.50.30.40.81.2波长波长/m相对响应相对响应锗、硅光敏二极管的光谱响应锗、硅光敏二极管的光谱响应GeSi型态型态特性特性用途用途肖特基型光肖特基型光电二极管电二极管高感度紫外线高感度紫外线分光光度计，分光光度计，比色计比色计PNPN光电二极光电二极管管( (扩散型扩散型) )低暗电流，入射光量与输出电低暗电流，入射光量与输出电流的直线性良好，感度范围流的直线性良好，感度范围

3、400-1000nm400-1000nm光电开关，照光电开关，照相机外露传感相机外露传感器组件器组件PINPIN型光电型光电二极管二极管低暗电流，入射光量与输出电低暗电流，入射光量与输出电流的直线性良好，感度范围流的直线性良好，感度范围400-1000nm400-1000nm遥控，传真机，遥控，传真机，光通信光通信 ( (短距短距离离) )崩溃型光电崩溃型光电二极管二极管(APD)(APD)反应速度快，高频率的反应速度快，高频率的S/NS/N良良好，有放大功能好，有放大功能高感度范围高感度范围400-1000nm400-1000nm光通信光通信( (短，中短，中距离距离) )（2）光敏二极管的

4、工作原理）光敏二极管的工作原理电极电极NP+hvSiO2RLPNVA电极电极PN+SiO2N+N+hv电极(a)(b)PN结光电二极管典型结构及等效电路结光电二极管典型结构及等效电路环极前极保护环前极后极PN+NN+环极RL受光窗口受光窗口环极环极前极前极后极后极管座管座RL后极后极前极前极环极环极VA光窗光窗光敏面光敏面010010090o-90o60o30o0o-30o-60o5050相对灵敏度相对灵敏度/(%)硅光敏二极管封装外形与配光曲线硅光敏二极管封装外形与配光曲线环极光敏二极管结构示意图及等效电路环极光敏二极管结构示意图及等效电路外加反向偏压外加反向偏压v光敏二极管一般在负偏压情况

5、下光敏二极管一般在负偏压情况下使用使用v外反偏压的施加，增加了耗尽层外反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，电子的宽度和结电场，电子空穴在空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵敏度。极管的灵敏度。v增加了耗尽层的宽度，结电容减增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的响应频率。小，提高器件的响应频率。v但是，为了提高灵敏度及响应频但是，为了提高灵敏度及响应频率，却不能无限地加大反向偏压，率，却不能无限地加大反向偏压，因为它还受到因为它还受到PNPN结反向击穿电压结反向击穿电压等因素的限制。等因素的限制。PN内电场RV外电场（3）伏安特性）伏安特性OUIE0E

6、2E1E2E1E0（4）光谱特性）光谱特性0.651.050.850.20.41.00.60.82DUL2DU相对响应m/（5）温度特性）温度特性温度暗电流Cto/典型值最大值010-210-1110255075100v选择一定厚度的选择一定厚度的I I层，具有高速响应特性。层，具有高速响应特性。vI I层所起的作用层所起的作用: :v(1)(1)为了取得较大的为了取得较大的PNPN结击穿电压，必须选择高电阻率的结击穿电压，必须选择高电阻率的基体材料，这样势必增加了串联电阻，使时间常数增大，基体材料，这样势必增加了串联电阻，使时间常数增大，影响管子的频率响应。影响管子的频率响应。v(2)(2)

7、而而I I层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可选择低电阻率的基体材料。这样不但提高了击穿从而可选择低电阻率的基体材料。这样不但提高了击穿电压，还减少了串联电阻和时间常数。电压，还减少了串联电阻和时间常数。v(3)(3)反偏下，耗尽层较无反偏下，耗尽层较无I I层时要大得多，从而使结电容层时要大得多，从而使结电容下降，提高了频率响应下降，提高了频率响应。2、扩散型、扩散型P-I-N硅光敏二极管硅光敏二极管PINPIN管的最大特点是：频带宽，可达管的最大特点是：频带宽，可达10GHz。 另一特点是：线性输出范围宽。另一特点是：线性输出范围宽

8、。 缺点缺点: 由于由于I层的存在，管子的输出电流小，层的存在，管子的输出电流小， 一般多为零点几微安至数微安。一般多为零点几微安至数微安。3、雪崩光敏二极管、雪崩光敏二极管v 当光敏二极管的当光敏二极管的PNPN结上加相当大的反向偏压时，在结结上加相当大的反向偏压时，在结区产生一个很高的电场，使进入场区的光生载流子获得区产生一个很高的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，通过碰撞使晶格原子电离，而产生新的电足够的能量，通过碰撞使晶格原子电离，而产生新的电子子空穴对。空穴对。v新的电子新的电子空穴对在强电场的作用下分别向相反方向运空穴对在强电场的作用下分别向相反方向运动在运动过程中，又有

9、可能与原子碰撞再一次产生电动在运动过程中，又有可能与原子碰撞再一次产生电子子空穴对。空穴对。v只要电场足够强，此过程就将继续下去，达到载流子的只要电场足够强，此过程就将继续下去，达到载流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二极管的反向工作偏压略低雪崩倍增。通常，雪崩光敏二极管的反向工作偏压略低于击穿电压。于击穿电压。v由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩管具有高由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩管具有高的增益带宽乘积和极快的时间响应特性。的增益带宽乘积和极快的时间响应特性。v通过一定的工艺可以使它在通过一定的工艺可以使它在1.061.06微米波长处的量子效率微米波长处的量子效率达到达到303

10、0，非常适于可见光及近红外区域的应用。，非常适于可见光及近红外区域的应用。v雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响应快，带宽可达响应快，带宽可达100GHz。是目前响应最快的一。是目前响应最快的一种光敏二极管。种光敏二极管。v不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐射信号的探测方向被广泛地应用。辐射信号的探测方向被广泛地应用。v在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必敏区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的

11、材料，必须保持更高的工艺和保证结面的平整。须保持更高的工艺和保证结面的平整。v其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。大。v在偏置电压较低时的在偏置电压较低时的A点以左，不点以左，不发生雪崩过程；随着偏压的逐渐升发生雪崩过程；随着偏压的逐渐升高，倍增电流逐渐增加高，倍增电流逐渐增加v从从B点到点到c点增加很快，属于雪崩倍点增加很快，属于雪崩倍增区；偏压再继续增大，将发生雪增区；偏压再继续增大，将发生雪崩击穿；同时噪声也显著增加，如崩击穿；同时噪声也显著增加，如图中图中c点以右的区域。因此，最佳点以右的区域。因此，最佳的偏压工作区是的偏压工作区是c点以

12、左，否则进点以左，否则进入雪崩击穿区烧坏管子。入雪崩击穿区烧坏管子。由于击穿电压会随温度漂移，必须由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化相应调整工作电根据环境温度变化相应调整工作电压压。雪崩光电二极管的倍增电流、噪声与偏压的关系曲线雪崩光电二极管的倍增电流、噪声与偏压的关系曲线4、光敏二极管阵列、光敏二极管阵列 v将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起，用将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起，用来同时探测被测物体各部位提供的不同光信息，来同时探测被测物体各部位提供的不同光信息，并将这些信息转换为电信号的器件并将这些信息转换为电信号的器件。5、光敏三极管（光电三极管、光敏三极管（光电三

13、极管）v光电三极管是由光电二极管和一个晶体三极管构成，光电三极管是由光电二极管和一个晶体三极管构成，相当于在晶体三极管的基极和集电极间并联一个光相当于在晶体三极管的基极和集电极间并联一个光电二极管。电二极管。v同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。窗口，以接收光线照射。v日前用得较多的是日前用得较多的是NPN和和PNP两种平面硅光电三极两种平面硅光电三极管。管。光敏三极管结构和工作原理光敏三极管结构和工作原理（a）cNPNIPIbIcU0ebRLcU0ebIPIPRLcRLbe(1+)IPIP（b）cbe（c）（a）结构原

14、理（）结构原理（b）工作原理（）工作原理（c）电气图形符号）电气图形符号(1)光电三极管工作原理光电三极管工作原理vNPN光电三极管（光电三极管（3DU型），使用时光电三极型），使用时光电三极管的发射极接电源负极，集电极接电源正极。管的发射极接电源负极，集电极接电源正极。v 光电三极管不受光时，相当于普通三极管基极光电三极管不受光时，相当于普通三极管基极开路的状态。集电结开路的状态。集电结(基基集结集结)处于反向偏置，处于反向偏置，基极电流等于基极电流等于0，因而集电极电流很小，为光，因而集电极电流很小，为光电三极管的暗电流。电三极管的暗电流。v当光子入射到集电结时，就会被吸收而产生电当光子入

15、射到集电结时，就会被吸收而产生电子子空穴对，处于反向偏置的集电结内建电场空穴对，处于反向偏置的集电结内建电场使电子漂移到集电极，空穴漂移到基极，形成使电子漂移到集电极，空穴漂移到基极，形成光生电压，基极电位升高。光生电压，基极电位升高。v如同普通三极管的发射结如同普通三极管的发射结( (基基发结发结) )加上了正加上了正向偏置，当基极没有引线时，集电极电流就等向偏置，当基极没有引线时，集电极电流就等于发射极电流。于发射极电流。v这样晶体三极管起到电流放大的作用。这样晶体三极管起到电流放大的作用。v由于光敏三极管基极电流是由光电流供给，因此由于光敏三极管基极电流是由光电流供给，因此一般基极不需外

16、接点，所以通常只有集电极和发一般基极不需外接点，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。射极两个引脚线。v光电三极管与光电二极管相比，具有较高的输出光电三极管与光电二极管相比，具有较高的输出光电流，但线性差光电流，但线性差v线性差主要是由电流放大倍数线性差主要是由电流放大倍数 的非线性所致的非线性所致v在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。但可以作开关元件使用。集成光电器件集成光电器件（a）（b）（c）（a）光电二极管与三极管的集成器件，（）光电二极管与三极管的集成器件，（b）光电三）光电三极管与三极管的集成器件，（极管与三极管

17、的集成器件，（c）达林顿光电三极管）达林顿光电三极管 为了提高光电三极管的频率响应、增益和减小体积，为了提高光电三极管的频率响应、增益和减小体积，通常将光电二极管、光电三极管或三极管制作在一个硅片通常将光电二极管、光电三极管或三极管制作在一个硅片上构成集成光电器件。上构成集成光电器件。光电三极管伏安特性光电三极管伏安特性硅光电二极管硅光电二极管U/V0 lx100 lx200 lx300 lx400 lx500lx043213051015 2025I/mA（2）光敏三极管的伏安特性）光敏三极管的伏安特性 硅光电三极管的光电流在毫安量级，硅光电硅光电三极管的光电流在毫安量级，硅光电二极管的光电流

18、在微安量级。二极管的光电流在微安量级。 在零偏压时硅光电三极管没有光电流输出，在零偏压时硅光电三极管没有光电流输出，但硅光电二极管有光电流输出。但硅光电二极管有光电流输出。 工作电压较低时输出电流有非线性，硅光电工作电压较低时输出电流有非线性，硅光电三极管的非线性更严重。（因为放大倍数与工作三极管的非线性更严重。（因为放大倍数与工作电压有关）电压有关） 曲线向上偏斜，间距增大。曲线向上偏斜，间距增大。光敏三极管的频率特性受光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。载电阻可以提高频率响应。 一般来说，光敏三极一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极

19、管的频率响应比光敏二极管差。管差。 对于锗管，入射光的对于锗管，入射光的调制频率要求在调制频率要求在5000Hz以以下，硅管的频率响应要比下，硅管的频率响应要比锗管好。锗管好。（3）光敏三极管的（调制）频率特性）光敏三极管的（调制）频率特性1000f/kHz1k1100输出电压相对值输出电压相对值1001208020406010010k100k光电三极管的频率响应光电三极管的频率响应光电三极管响应时间与集电极电流光电三极管响应时间与集电极电流Ic的关系的关系10Ic/mA1k上升时间上升时间tr/s107.552.55001000.110Ic/mA1k下降时间下降时间tf/s107.552.5

20、5001000.1（a）（b）（4 4）光敏三极管的温）光敏三极管的温度特性度特性 温度特性反映了光敏三温度特性反映了光敏三极管的暗电流及光电流与极管的暗电流及光电流与温度的关系。温度的关系。 温度变化对光电流和暗温度变化对光电流和暗电流都有影响，对暗电流电流都有影响，对暗电流的影响更大。的影响更大。 对弱光信号检测时，应对弱光信号检测时，应采取温度补偿措施，否则采取温度补偿措施，否则将会导致输出误差。将会导致输出误差。 光电三极管的光电流和光电三极管的光电流和暗电流受温度影响比光电暗电流受温度影响比光电二极管大得多二极管大得多光电二、三极管的温度特性曲线光电二、三极管的温度特性曲线40t/oC2CU32020Id/A02C