半导体光电器件

半导体光电器件第1页，共64页，2023年，2月20日，星期三3.1光电导型光电探测器件一、概述二、光敏电阻的结构三、光敏电阻的工作原理四、光敏电阻的特性五、光敏电阻的特点六、注意事项第2页，共64页，2023年，2月20日，星期三一、概述光电导型光电探测器件是利用光电导效应制成的均质型光电探测器件。典型的光电导器件为光敏电阻。常用的光敏电阻有CdS硫化镉、CdSe硒化镉、以及TeCdHg碲镉汞等。其中CdS是工业应用最多的，而PbS硫化铅主要用于军事装备。Hg1-xCdxTe碲镉汞系列光敏电阻是目前所有探测器中性能最优良最有前途的探测器。第3页，共64页，2023年，2月20日，星期三光电导效应：半导体受到光照射后，其内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加,在外电场的作用下，半导体的电流增大，电导增大而电阻减小的现象。第4页，共64页，2023年，2月20日，星期三一、概述在光电导体中，由于配制Cd组分(x量)的不同，可得到不同的禁带宽度Eg，从而制造出波长响应范围不同的Hg1-xCdxTe碲镉汞探测器。常用的有1-3μm、3-5μm、8-14μm三种波长范围的探测器，所以对大气窗口波段的探测非常重要。性质：光敏电阻在光照下会改变自身的电阻率;没有极性，只要把它当作阻值随光照强度而变化的可变电阻来对待即可;在电子电路、仪器仪表、光电控制、计量分析以及光电制导等领域得到了广泛的应用。太阳能庭院灯，草坪灯，验钞机，石英钟，音乐杯，礼品盒，迷你小夜灯，光声控开关，路灯自动开关以及各种光控玩具，光控灯饰，灯具第5页，共64页，2023年，2月20日，星期三二、光敏电阻的结构光敏电阻电路符号第6页，共64页，2023年，2月20日，星期三第7页，共64页，2023年，2月20日，星期三三、光敏电阻的工作原理无光照射时：导带基本为空，电阻率很高。有光照时：本征半导体：a杂质半导体:b本征半导体杂质半导体第8页，共64页，2023年，2月20日，星期三四、光敏电阻的特性1、光电导灵敏度R2、光谱响应特性3、光照特性4、伏安特性5、响应特性（频率特性）6、前历效应7、温度特性8、暗电阻和亮电阻9、噪声第9页，共64页，2023年，2月20日，星期三按灵敏度定义（响应的变化量与输入的变化量之比），可得

其中：

g：光电导，单位为西门子S（Ω-1）。

E：光照度，单位为勒克斯（lx）。

R：单位为西门子/勒克斯（S/lx）

A:光敏面积

:光通量1、光电导灵敏度R第10页，共64页，2023年，2月20日，星期三2、光谱响应特性

光谱响应特性是指光敏电阻的输出光电流I与入射光波长之间的关系。性质：不同的制作材料对同一入射波长的光吸收是不同的；即使是同一材料，对不同波长的光吸收也是不同的；可见，输出光电流值与光波长密切相关。第11页，共64页，2023年，2月20日，星期三各种光敏电阻的光谱特性可查阅有关的手册和产品说明书。不同材料的光谱相应特性第12页，共64页，2023年，2月20日，星期三第13页，共64页，2023年，2月20日，星期三第14页，共64页，2023年，2月20日，星期三第15页，共64页，2023年，2月20日，星期三3、光照特性定义：光敏电阻的光照特性：指的是光电流与光通量或照度之间的关系。光电流I与外加直流电压V和入射光通量或照度E之间的关系可用下面关系式表示或k为光敏电阻材料决定的常数V为外加直流电源电压为系数，其值一般在0.5-1。光敏电阻的光照特性第16页，共64页，2023年，2月20日，星期三4、伏安特性伏安特性：在一定光照下，光敏电阻的光电流与所加电压的曲线关系暗电导Gd，即无光照射时，该曲线的斜率。其倒数为暗电阻Rd。无光照时的情况光敏电阻的伏安特性曲线第17页，共64页，2023年，2月20日，星期三5、响应特性（频率特性）光敏电阻受光照后或被遮光后，回路电流并不立即增大或减小，而是有一定响应时间。原因：光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的，非平衡载流子的产生与复合都有一个时间过程，这个时间过程在一定程度上影响了光敏电阻对变化光照的响应。照度愈强，响应时间愈短；暗处放置的时间愈长，响应时间也相应延长。改善措施实际应用中，尽量提高使用照明度，降低所加电压、施加适当偏置光照、使光敏电阻不是从完全暗状态开始受光照.第18页，共64页，2023年，2月20日，星期三5、响应特性（频率特性）光照度越大，其响应特性越好，惰性越小第19页，共64页，2023年，2月20日，星期三第20页，共64页，2023年，2月20日，星期三6、前历效应前历效应：是指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。分类：暗态前历亮态前历暗态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态前历越长，光电流上升越慢，其效应曲线如下图所示。一般，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越严重。第21页，共64页，2023年，2月20日，星期三第22页，共64页，2023年，2月20日，星期三亮态前历效应光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。一般，亮电阻由高照度状态变为低照度状态达到稳定值时所需的时间要比由低照度状态变为高照度状态时短。第23页，共64页，2023年，2月20日，星期三7、温度特性灵敏度、光照特性、响应率、光谱响应率、峰值波长、长波限都将发生变化，而且这种变化缺乏一定的规律。随着温度的升高光电导值下降，随着温度的下降光电导值增大，而与照度无关。光敏电阻的温度特性第24页，共64页，2023年，2月20日，星期三8、暗电阻和亮电阻暗电阻：无光照射时，光敏电阻值的大小。其值一般为几十千欧到几兆欧。亮电阻：有光照射时的电阻值，其值与光照大小有关。第25页，共64页，2023年，2月20日，星期三9、噪声光敏电阻的固有噪声主要有三种：热噪声（1000Hz左右）、产生-复合噪声（100Hz以上）、及噪声（100Hz以下）噪声随调制频率的分布关系第26页，共64页，2023年，2月20日，星期三五、光敏电阻的特点1、体积小，偏置电压低，光谱响应范围宽；2、测光范围宽，灵敏度高，无极性之分。3、时间常数一般为10-2～10-7秒，特制的可达10-10秒；响应时间长，频率特性差。4、强光线性差，受温度影响大。5、实际应用中，在紫外和可见光区，光敏电阻的优点不突出，主要用在自动相机和控光系统中。在红外区它的响应相对比较快、响应率较高，机械性能好，因而得到广泛应用。第27页，共64页，2023年，2月20日，星期三六、使用中应注意：1）当用于模拟量测量时，因光照指数γ与光照强弱有关，只有在弱光照下光电流与入射光通量成线性关系。

2）用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线进行修正，保证其与人眼的光谱光视效率曲线符合。

3）光敏电阻的光谱特性与温度有关，温度低时，灵敏范围和峰值波长都向长波方向移动，可采取冷却灵敏面的办法来提高光敏电阻在长波区的灵敏度。第28页，共64页，2023年，2月20日，星期三六、使用中应注意：4）光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系数有正有负，一般说，光敏电阻不适于在高温下使用，温度高时输出将明显减小，甚至无输出。

5）光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有少数品种能超过1000Hz。

6）设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的额定功耗，负载电阻值不能很小。

7）进行动态设计时，应意识到光敏电阻的前历效应。第29页，共64页，2023年，2月20日，星期三第三章半导体光电器件3.2势垒型光电探测器件第30页，共64页，2023年，2月20日，星期三3.2势垒型光电(光伏)探测器件3.2.1概述3.2.2光电池3.2.3光电二极管3.2.4光伏探测器的使用要点第31页，共64页，2023年，2月20日，星期三3.2.1概述利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏器件，也称结型光电器件(光敏电阻为匀质型)。常见的光伏器件：光电池、光电二极管、光电晶体管、光电场效应管、PIN管、雪崩光电二极管和光电导探测器不同，光伏探测器的工作特性要复杂一些。通常有光电池和光电二极管之分，也就是说，光伏探测器有着不同的工作模式。第32页，共64页，2023年，2月20日，星期三3.2.2光电池一、概述二、符号、连接电路、等效电路三、光电池的特性参数第33页，共64页，2023年，2月20日，星期三一、概述光电池的基本结构就是一个PN结（零偏状态）。按材料分，有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料的光电池等。按结构分，有同质结和异质结光电池等。光电池中最典型的是同质结硅光电池。国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成2CR系列和2DR系列两种。第34页，共64页，2023年，2月20日，星期三2CR系列硅光电池是以N型硅为衬底，P型硅为受光面的光电池。受光面上的电极称为前极或上电极，为了减少遮光，前极多作成梳状。衬底方面的电极称为后极或下电极。为了减少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2，Si3N4，SiO2－MgF2等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀的保护作用。N（P）P（Si）P（B）N（Si）上电极（前极）下电极（后极）（a）2DR（b）2CR第35页，共64页，2023年，2月20日，星期三目前最受重视的是硅光电池与硒光电池。硅光电池：硅光电池具有性能稳定，寿命长，光谱响应范围宽，频率特性好和能耐高温等优点。因此硅光电池在光度学、辐射测量、光学精密计量和测试及激光参数测量等方面得到了广泛应用。硒光电池：光谱响应曲线和人眼的光谱光视效率曲线的形状很相似，其光谱响应峰值波长与人眼的光谱光视效率的峰值相重合，且硒光电池价廉，因而在一些与人眼视觉有关系的光学器件中，在测量与控制应用中，多用硒光电池。但应指出，硒光电池稳定性很差。第36页，共64页，2023年，2月20日，星期三硅光电池:它是在N型硅片上扩散硼形成P型层，并用电极引线把P型和N型层引出，形成正负电极。SiO2为防止表面反射光，提高转换效率。-+RLPN防反射膜(SiO2)pn+-SiO2PN结硅光电池结构示意第37页，共64页，2023年，2月20日，星期三第38页，共64页，2023年，2月20日，星期三二、符号、连接电路、等效电路光电池等效为一个普通晶体二极管和一个恒流源（光电流源）的并联。I光电流Ij普通二极管的结电流IURLURLIpIj符号连接电路等效电路第39页，共64页，2023年，2月20日，星期三三、光电池的特性参数伏安特性光照特性（光电特性）光谱特性频率特性温度特性第40页，共64页，2023年，2月20日，星期三伏安特性输出电流和电压和负载电阻的变化曲线。二极管的伏安特性由等效电路图可知暗电流：当光通量为零时，是光电池加反向偏压后出现的暗电流第41页，共64页，2023年，2月20日，星期三a、当光电池短路时，即U=0，则此时I称为短路电流，用表示。值得注意的是短路电流等于光电流，且与入射光照呈线性关系。b、当光电池开路时，即I=0,时，则此时U称为开路电压，用表示。UIpIjRLI第42页，共64页，2023年，2月20日，星期三光照特性硅光电池光照特性硅光电池光照特性与负载电阻的关系定义：硅光电池光照特性是指光生电动势（开路电压）、光电流、与照度之间的关系。性质：1、光生电动势（开路电压）、与照度呈非线性关系2、光电流与照度之间呈线性的关系3、光照特性与负载大小关系：E相同，负载增大，光电流变小，光照特性的线性区也变小。第43页，共64页，2023年，2月20日，星期三光谱特性光谱特性主要取决于所用材料与制作工艺（如结的深浅），也与使用温度有关。１、硒光电池与人眼特性很接近２、硅蓝光电池的结深比较浅，ＰＮ结距受光面很近，减少了短波长的光在透过受光表面时的吸收损耗，提高了短波长到达ＰＮ结的几率。第44页，共64页，2023年，2月20日，星期三频率特性当光照射光电池时，由于载流子在PN结区内扩散、漂移、产生复合需要时间过程。与材料、结构、光敏面积大小有关。光电池的响应时间由PN结的电容和RL决定，在要求更高的频率特性探测电路中，选用小面积的光电池较有利，同时选择合适的负载电阻。第45页，共64页，2023年，2月20日，星期三温度特性１、温度特性Uoc

和Isc随温度的变化情况。２、一般Uoc（负温度系数）下降约2~3mv/。C

３、Isc

（正温度系数）上升约78uA/。C４、值得注意的是，光电池受强光照射时，必须考虑光电池的工作温度。Se>50。C，Si>200。C时，器件损坏。第46页，共64页，2023年，2月20日，星期三3.2.3光电二极管一、概述二、分类三、工作模式四、表示符号及电路接法五、工作特性第47页，共64页，2023年，2月20日，星期三一、概述光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。光电转换机理也是光生伏特效应。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好；且ＰＮ结的工作状态不同，光电池工作于零偏状态，光电二极管工作于反偏状态光生电势与光电池相同，但输出电流比普遍光电池小，一般为数微安到数十微安。光电二极管目前多用硅或锗制成，但锗器件暗电流温度系数远大于硅器件。工艺也不如硅器件成熟，虽然他的响应波长大于硅器件，但实际应用仍不如硅器件。所以主要介绍硅光电二极管。第48页，共64页，2023年，2月20日，星期三二、分类１、按材料分，光电二极管有硅、砷化稼、锑化锢、铈化铅光电二极管等许多种。２、按结构分，也有同质结与异质结之分。其中最典型的还是同质结硅光电二极管。３、国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2CU系列光电二极管只有两个引出线；2DU系列以P-Si为衬底，而2DU系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，还设了一个环极。2DU管加环极的目的是为了减少暗电流和噪声。第49页，共64页，2023年，2月20日，星期三当管子加反偏压时，从前极流出的暗电子流，除了有PN结的反向漏电子流外，还有通过表面感应电子层产生的漏电子流，从而使从前极流出的暗电子流增大。为了减小暗电流，设置一个N+-Si的环把受光面（N-Si）包围起来，并从N+-Si环上引出一条引线（环极），使它接到比前极电位更高的电位上，为表面漏电子流提供一条不经过负载即可达到电源的通路。减小流过负载的暗电流、减小噪声2DU管子第50页，共64页，2023年，2月20日，星期三因为是以N-Si为衬底，虽然受光面的SiO2防反射膜中也含有少量的正离子，而它的静电感应不会使N-Si表面产生一个和P-Si导电类型相同的导电层，从而也就不可能出现表面漏电流，所以不需要加环极。2CU管子第51页，共64页，2023年，2月20日，星期三三、工作模式硅光电二极管是反偏的光电导工作模式。无光照射时，给ＰＮ结加适当的反向电压，反压加强了内建电场，势垒增大，流过ＰＮ结的电流（称反向饱和电流）很小，它（反向电流）是由少数载流子的漂移运动形成的，称之为光电二极管的暗电流。有光照射时，当满足条件时，则在ＰＮ结产生光生载流子被内建电场拉开，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，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，光电流比无光照射时的反向饱和电流大得多。光照越强，光生载流子越多，光电流越大；反之则越小。第52页，共64页，2023年，2月20日，星期三四、表示符号及电路接法2CU电路接法

2DU电路接法表示符号1、硅光电二极管在电路图中的表示符号２、2CU电路接法３、2DU电路接法第53页，共64页，2023年，2月20日，星期三五、工作特性光照特性伏安特性光谱特性频率特性噪声用法第54页，共64页，2023年，2月20日，星期三光照特性负载电阻RＬ较小，且外加反向偏压也较小时，光电流与入射光功率呈现较好的线性关系。光生电流随外加反偏压的增大趋向饱和，此时，光电流大小仅取决与光照强度。光照特性线性好，适用于检测5101520050100150200250照度/lxIp/μA硅光电二极管反向偏压（15V）时的光照特性第55页，共64页，2023年，2月20日，星期三伏安特性伏安特性指反向偏压与光电流之间的关系当不加反向偏压时，与光电池的作用相同。反向偏压较低时，光电流随光电压变化非常敏感，这是由于反向偏压增强了内建电场，对结区光生载流子的收集率影响很大；Ｅ＝0E1E2反向电压反向电流E2＞E1I(μA)U(V)硅光电二极管的伏安特性第56页，共64页，2023年，2月20日，星期三反向偏压进一步加大时，光生载流子的收集已达极限，光电流就趋于饱和，此时光电流与外加反向偏压几乎无关，仅取决于入射光功率。a)不加外电源

b)加反向外电源

c)2DU环极接法第57页，共64页，2023年，2月20日，星期三光谱特性光电二极管的光谱响应特性主要取决于禁带宽度、结构、工艺都相关。040008000120001600020406080I（%）100SiGe光电二极管的光谱响应第58页，共64页，2023年，