第六章光电子技术总结

第六章：光伏探测器光伏探测器：利用半导体p-n结光伏效应制作的探测器;探测器类型：根据内建电场形成的结势垒的不同，有p-n结势垒，PIN结势垒,

金属－半导体的肖特基势垒等。主要内容:光电池、光电二极管、PIN光电二极管、雪崩二极管、光电三极管等第1页，共46页。6.1光伏探测器的工作原理

---+++p

n

无光照

光照

(-)

+

___++

+

___++

+

(-)(+)

光照

内建电场p-n结光生载流子形成光生电动势在外回路形成电流1、光生电动势的产生过程第2页，共46页。2、光照后产生的电流：两部分电流：①光电流Ip

②光生电压产生的正向电流I＋

（6.1）

(没有内增益)

结区的总电流I为：V为光生电动势，Iso反向饱和电流

第3页，共46页。3、光照后的伏安特性曲线

第一象限：加正向偏压，p-n结暗电流ID>>光生电流，光探测器不工作在这个区域。第三象限：p-n结加反向偏压，此时p-n结暗电流ID＝Iso<<Ip,I≈Ip+Iso=Ip,光探测器多工作在这个区域。总结：光伏探测器工作于反偏电压状态第4页，共46页。4、光伏探测器的两个重要参数：

(1)开路电压;(2)短路电流;

（1）光伏探测器p-n结开路电压Voc(光电池的重要参数)

开路时，即I=0时，由公式(6.1)得到电压为：(6.2)

（2）短路电流（光电二极管的参数）短路时，V=0,I+=0I短

（6.3）

第5页，共46页。§6.2.,光伏探测器的噪声噪声主要有：（1）散粒噪声（2）热噪声

总噪声为：

反偏工作时，Rd非常大，因热噪声可忽略不计。

总噪声为：I

主要由暗电流和光电流组成，因此,（6.4）

第6页，共46页。（1）无光照时：①在零偏置时：流过p-n结的电流包含热激发产生的正向和反向的暗电流，它们对总电流的贡献为零，而对噪声的贡献是叠加的，因此总噪声为：②当器件处于负偏压工作时：由于ID＋→0，上式写成：★总结：无光照时，负偏压可以抑制噪声第7页，共46页。（2）有光照时：①偏压为0时，流过p-n结的电流有三部分，总噪声为：②当器件处于负偏压工作时，由于由于ID＋→0，因此总噪声为：总结：为降低暗电流噪声，探测器需工作在负偏压第8页，共46页。§6.3光伏探测器的性能参数（1）响应率：由6.2式，可得电压响应率为：

在弱光照射下，即Ip<<Iso时，上式可以写为：（6.5）

反向饱和电流为：npo和pno为少数载流子浓度；Dn和Dp分别为电子和空穴的扩散系数，Ln、Lp分别为电子和空穴的扩散长度，Ad为探测器的光敏面积。(6.2)

第9页，共46页。(2)探测率：Rv与器件工作温度、光敏面的面积、少数载流子的浓度和扩散有关；而与与外偏压无关。只考虑散粒噪声且在弱光条件下：零偏压时弱光条件下有：

第10页，共46页。因此探测率为

：b）反偏压工作时弱光条件下有：

●反偏压工作时的探测率为零偏压工作时的倍，因此光伏探测器一般工作于反偏压。

●探测率与负载电阻有关，要适当选取负载电阻。第11页，共46页。(3)光谱特性硅和锗材料：近红外和可见光波段锗光电二极管：响应峰值波长1.4um—1.5um，长波限为1.8um，短波限为0.41um，硅光电二极管：峰值波长0.8—0.9umHgCdTe、PbSnTe等光伏探测：通过控制温度及组分可以到1—3um和8—14um。第12页，共46页。●(4)温度特性光伏探测器的噪声特性和光电流都与温度有关系

第13页，共46页。§6.4光伏探测器实例---光电池及光伏探测器光电池：能源和探测器件；光伏探测器：光电信号变换；在微弱快速信号探测方面有重要的应用一、光电池光电池：不需加偏压就能把光能转换成电能；按用途分类为：太阳能电池(转换效率高，结构简单、体积小、重量轻、可靠性强、成本低)；测量光电池(线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好）：在光度学、色度学、光学精密计量和测试中有广泛的应用。第14页，共46页。硅光电池：工艺最成熟，应用最广泛，具有高效率、宽的光谱响应、良好的频率响应特性、高稳定性及耐高能辐射等优点。单晶硅：变换效率最高，已达２０％以上，但价格也最贵；非晶态硅：变换效率最低，但价格最便宜，最有希望用于一般发电。光电池材料：硅、硒、锗、砷化镓等四大类；硒光电池：光谱响应与人的视觉函数很相似，由于稳定性很差，目前已经被硅光电池取代；砷化镓光电池：量子效率高，噪声小，光谱响应在紫外和可见区域，适用于光度测量；锗光电池：长波响应宽，适合作近红外探测器；第15页，共46页。(1)硅光电池结构▲国产为2DR和2CR型两种系列2DR结构特点：P型硅为基片，扩散磷形成n型薄膜，构成p-n结。有较强的抗辐射能力，适合空间使用2CR结构特点：n型硅为基片，扩散硼形成p型薄膜，构成p-n结。一般在地面上作光电探测器使用。栅状电极：可以有效增大光敏面积和减少电极与光敏面的接触电阻.第16页，共46页。光电池工作于有负载的情况,其工作原理：负载电压为：

第17页，共46页。工作特点：光电池工作特性与负载关系很大。I与P线性关系要求不高，只要求IV最大。因此不同的入射光功率要求不同的电阻值。

第18页，共46页。最佳负载电阻的确定方法VocV/mVI/mAIsc50403020100RM第19页，共46页。（2）光谱特性：光电池的光谱响应取决于材料的性能。Se:峰值响应波长0.57um，可见光波段的敏感元件Si:光谱相应在0.4－1.1um，峰值响应波长0.85um第20页，共46页。(3)频率特性：光电池的响应频率一般不太高，硅光电池最高截止频率仅为几十千赫。原因：光敏面大→极间电容大→电路时间常数

RLC较大(4)温度特性：强光照射或聚焦光束照射情况下，更要考虑光电池工作的温度第21页，共46页。二、硅光电二极管

硅光电二极管制作工艺成熟，暗电流和温度系数远小于锗，目前使用的多是硅光电二极管。图b：是采用单晶硅及磷扩散工艺，称n＋p结构，型号为2DU。图a：是用n型单晶硅及硼扩散工艺制成，称p＋n结构，型号为2CU。第22页，共46页。特点：环形p-n结，为了消除表面漏电流，工作于较小的负偏压；通常用平面镜和聚焦透镜作为入射窗口；聚焦透镜：提高灵敏度，由于了聚焦位置与入射光方向有关，因此能减小杂散背景光的干扰。伏安特性：工作于反向偏压下，无光照射时的暗电流ID=Iso；光照时Ip，Iso同一方向光电二极管工作于线性区域

第23页，共46页。曲线分析：反偏压增加，耗尽层加宽，结电场增强，对结区光的吸收及光生载流子的收集效率影响很大，当反偏压进一步增加时，光生载流子的收集已达极限，光电流饱和。性能参数：响应率在：0.4－0.6uA/uW的量级。光谱响应：可见光+近红外在0.8－1um波段响应率最高，采用视觉补偿滤波器后，峰值响应波长可转移到560nm左右，但响应率下降。噪声：主要是散粒噪声和热噪声，弱光时，散粒噪声小于热噪声，强光时，散粒噪声大于热噪声。频率响应：光电二极管的频率响应远比硅光电池高，达到MHz量级。第24页，共46页。典型光电二极管--滨松(HAMAMATSU)公司产品:

Si—PhotodiodeS1087/S1133Series第25页，共46页。第26页，共46页。三、ＰＩＮ光电二极管(1)本征层厚度近似等于反偏压下耗尽层的厚度，厚度为500um左右(2)本征层相对于n区和p区是高阻区，高电阻使暗电流明显减小。反向偏电主要集中于这个区域，形成高电场区，由于p区很薄，光电变换主要集中在本征层，强电场使光生载流子渡越时间变短，改善了频率响应(3)本征层的引入使得耗尽层加宽，减少了结电容，使电容时间常数变小，响应时间更快；第27页，共46页。引入本征层对提高器件灵敏度和频率响应起非常重要的作用。第28页，共46页。现有产品的PIN光电二极管性能参数滨松SiPINPhotodiode第29页，共46页。大光敏面的PIN光电二极管噪声：硅PIN中，热噪声占优势。锗PIN中，暗电流散粒噪声相比较大

第30页，共46页。四、雪崩光电二极管（APD）

雪崩二极管是具有内增益的光伏探测器，利用光生载流子在高电场区内的雪崩效应获得光电流增益，具有高灵敏度，响应快等优点。工作原理-雪崩效应p-n结光生载流子产生获得高能量，与晶格原子碰撞，晶格原子电离产生电子-空穴对

获得高能量，再次与晶格原子碰撞产生新的电子-空穴对。上述过程不断重复，使p-n结内电流急剧倍增放大，这就是雪崩效应。强电场作用下

加强反偏电压和光照

强电场作用下第31页，共46页。2、雪崩光电二极管结构

n+

n+

p

SiO2

电极

特点：（1）基片杂质浓度高（电阻率低），容易产生碰撞电离；（2）基片厚度比较薄，保证有高的电场强度，以便于电子获得足够的能量产生雪崩效应；（3）结边缘做成环状，其作用是减小表面漏电，避免边缘出现局部击穿。材料：通常采用硅或锗材料，也可用III-V族化合物半导体制作。

第32页，共46页。3、雪崩二极管的特征参数(1)倍增系数MIR：为无雪崩倍增时的p-n结的反向电流；IM：有雪崩增益时的反向电流；M与p-n结上所加的反向偏压、p-n结材料和结构有关，可用经验公式表示：VBR：p-n结击穿电压，与器件工作温度有关，温度升高时增大；n：与p-n结的材料和结构有关的常数，对于硅器件，

n=1.5-4，锗，n=2.5-8。第33页，共46页。雪崩倍增系数M、暗电流ID与所加偏压之间的关系：18014010060201816141210ID

M0154156158160162164VA(V)

▽反偏电压低时，无雪崩效应，M=1，VA增加，倍增系数增大。▽反偏电压接近击穿电压时（最佳工作偏压：一般为几十伏到几百伏之间），倍增系数增加很快，暗电流增加也很快，这时雪崩增益系数为102-103。第34页，共46页。(2)雪崩光电二极管的噪声同倍增管相似，除普通光电二极管的散粒噪声之外还包含倍增过程引入的噪声，雪崩过程的散粒噪声为：对于硅，k=2.3-2.5；对于锗，k=3）。上式可以写成：其中（过量噪声因子）

r：电子与空穴电离之比。对于硅材料，r=50左右，锗材料，r=1左右。硅光电二极管噪声小于锗二极管

第35页，共46页。(3)现有产品的雪崩光电二极管性能参数第36页，共46页。第37页，共46页。第38页，共46页。(1)体积小，有较高的灵敏度，结构紧凑，工作电压低，使用方便;(2)性能与入射光功率有关：通常当入射光功率在

1nW到几uW时，倍增电流与入射光具有较好的线性关系，适合弱光探测。

(3)同PIN光电二极管相比，具有更高的灵敏度，由于有内增益，可大大降低对前置放大器的要求。

(4)由于偏压较高，载流子在结区的渡越时间短，结电容很小，所以雪崩光电二极管的响应速度很快雪崩光电二极管的特点第39页，共46页。五、光电三极管特点：是有电流内增益的光伏探测器;(1)、光电三极管基本结构工作电压：发射结正向电压，集电结反向电压材料：硅npn型居多，锗pnp型居多功能：1、光电转换，在集-基结内进行，与一般二极管相同；2、光电放大：共发射极放大。e：发射结b：基极c：集电极电位最高电位较高电位最低第40页，共46页。（2）光电三极管工作原理光照时：基区产生电子-空穴对，光生电子在电场作用下漂移到集电极，形成光电流，空穴则留在基区，使基极电位升高，发射极便有大量电子经基极流向集电极，对于共发射极的三极管，形成的集电极电流Ic为：因此，光电三极管主要有两方面的作用：把光信号转换成电信号，光电流放大。（β为共发射极电流放大倍数）第41页，共46页。（3）光电三极管特性A、伏安特性特点：光功率等间距增大情况下，输出电流并不等间距增大；原因：电流放大倍数随信号光电流的增大而增大所引起的。第42页，共46页。B频率响应

光电三极管的频率响应与结的结构及外电路有关。三极管的响应时间比光电二极管的响应时间长得多。主要影响因素：1、结势垒电容Cbe,Cbc的充放电时间；2、光生载流子渡越基区所需时间；3、电流流经收集区的时间。改进方法：减小结电容Cbe,Cbc，合理选择负载电阻RL，减小基区的厚度，减少复合，使电子快速渡越基区。C光谱特性

硅光电三极管光谱响应峰值在：0.8－0.9umD应用领域

不适于高速、宽带的光控测系统只应用于要求响应率不高的一般光电探测任务。第43页，共46页。六、碲镉汞、碲锡铅光伏探测器(光电二极管)

上面介绍的光伏探测器主要工作于可见和近红外，利用II-VI族化合物可以得到对中红外波段特别是8-14um