33(zm)_光伏探测器.ppt

1 3 3光伏探测器 PV PhotoVoltaic 2 3 3 1光伏器件原理3 3 2光伏器件性能3 3 3光电池3 3 4光电二极管3 3 5光电三极管3 3 6其它光伏器件 3 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 这类器件品种很多 其中包括各种光电池 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 光可控硅 阵列式光电器件 象限式光电器件 位置敏感探测器 PSD 光电耦合器件等 光伏器件 4 3 3 1光伏器件原理 5 一 热平衡下的p n结 pn结中电子向P区 空穴向n区扩散 使p区带负电 n区带正电 形成由不能移动离子组成的空间电荷区 耗尽区 同时出现由耗尽层引起的内建电场 并阻止电子和空穴继续扩散 达到平衡 在热平衡下 由于pn结中漂移电流等于扩散电流 净电流为零 但是如果有外加电压时结内平衡被破坏 这时流过pn结的电流方程为 ID 流过PN结的电流I0 PN结的反向饱和电流 暗电流 V 加在PN结上的正向电压 6 二 光照下的p n结 1 p n结光电效应 当光照射p n结时 只要入射光子能量大于材料禁带宽度 就会在结区产生电子 空穴对 这些非平衡载流子在内建电场的作用下 空穴顺着电场运动 电子逆电场运动 在开路状态 最后在n区边界积累光生电子 p区积累光生空穴 产生了一个与内建电场方向相反的光生电场 即p区和n区之间产生了光生电压Voc 7 有光照射时 若p n结电路接负载电阻RL 如图 在p n结内出现两种相反的电流 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Ip 它与光照有关 其方向与p n结反向饱和电流I0相同 光生电流流过负载产生电压降 相当于在p n结施加正向偏置电压 从而产生电流ID 2 三种工作模式 1 零偏置的光伏工作模式 8 SE为光照灵敏度 流过负载的总电流是两者之差 9 Figure Currentvs voltagecharacteristic 10 1 负载电阻RL断开时IL 0 pn结两端的电压为开路电压V0c 通常Ip I0 讨论 11 2 负载电阻短路时RL 0 短路电流 12 2 反向偏置的光电导工作模式 0 无光照时电阻很大 电流很小 有光照时 电阻变小 电流变大 而且流过它的光电流随照度变化而变化 类似光电导器件 13 3 正向偏置的工作模式 RL Ip ID 正偏工作原理 N P IL 很大 呈单向导电性 和普通二极管一样 光电效应无法体现 14 第一象限 正向偏置工作模式 光电流不起作用 这一区域工作没有意义 第三象限 反向偏置光电导工作模式 第四象限 零偏压光伏工作模式 无光照时 伏安特性曲线与一般二极管的伏安特性曲线相同 受光照后 产生光电流 方向与I0相同 因此曲线将沿电流轴向下平移 平移的幅度与光照度的变化成正比 当pn结加反偏压时 暗电流随之增大 而光电流Ip几乎与反压的高低无关 15 光导模式工作时 pn结加上一个反向电压 外加电压所建电场和pn结内建电场方向相同 使得光照产生的电子 空穴对在强电场作用下更容易产生漂移运动 提高了器件的频率特性 此外反偏压可增加长波灵敏度及扩展线性区上限 但是反偏产生的暗电流引起较大的散粒噪声 低频时还有电流噪声 因而限制了探测能力的下限 此外暗电流受温度影响大 光伏模式时 因是无偏压工作 暗电流产生的散粒噪声小 无低频噪声 无光照时仅有热噪声 故信噪比较高 在低频工作时具有优势 但截止频率较低 长波灵敏度略小一些 3 光伏和光导工作模式比较 16 三 微变等效电路 17 3 3 2光伏器件性能参量 18 参见课本p191 195 一 响应率二 噪声三 光谱特性四 频率特性五 背景限 19 光伏探测器 结型器件 与光电导器件的区别在于 产生光电变换的部位不同 光电导探测器是均质型 而光伏探测器是结型 结型器件有确定的正负极 可不加偏压输出电信号 而光电导器件没有极性 工作时必须外加偏压 光敏电阻依赖于非平衡载流子的产生与复合运动 响应速度慢 频率响应差 而结型器件主要依靠结区非平衡载流子中部分载流子的漂移运动 响应速度快 频率特性好 部分结型器件有内增益 因此灵敏度高 20 3 3 3光电池Solarcell 21 光电池的历史 1839年 安托石 贝克雷尔制造出了最早的光电池 贝克雷尔电池是一个圆柱体 内装硝酸铅溶液 溶液中进入一个铅阳极和一个氧化铜阴极 这种电池一经阳光照射 就会供给电流 1875年 德国技师维尔纳 西门子是制成第一个硒光电池 并提议用于光量测定 西门子的光电池是根据1873年英国人史密斯发现的 内光电效应 提出的 L H 亚当斯于1876年指出 硒在光的作用下 不仅出现电阻的变化 而且在一定条件下还出现电动势 从而发现了 阻挡层效应 阻挡层效应则成了光电池的基本原理 自1950年起 光电池被广泛地用于自动控制技术 信息电子学和测量技术 22 一 光电池的基本结构和工作原理 光电池的基本结构就是一个PN结 它是根据光生伏特效应制成的一种不需加偏置电压就能把光能直接转换成电能的PN结光电器件 也称为赋能元件 同时也可作为光信号的探测元件 23 电路符号 24 薄膜硅基太阳能电池 制作工艺参见NSTDA的技术文档 非晶硅 a Si 太阳电池是在玻璃 glass 衬底上沉积透明导电膜 TCO 然后依次用等离子体反应沉积p型 i型 n型三层a Si 接着再蒸镀金属电极铝 Al 光从玻璃面入射 电池电流从透明导电膜和铝引出 其结构可表示为glass TCO pin Al 非晶硅太阳电池的厚度不到1 m 不足晶体硅太阳电池厚度的1 100 这就大大降低了制造成本 25 光电池分类 材料 硅光电池 硫化镉光电池 硒光电池 砷化镓光电池 光电池 结构 同质结 硅光电池 异质结 功能 太阳能光电池 测量光电池 2DR型 2CR型 衬底材料 锗光电池 26 硅光电池 应用最广泛 具有高效率 宽光谱响应 高稳定性和耐高能辐射等优点 硒光电池 应用也较多 其光谱响应曲线与人眼的光谱光视效率曲线很接近 常用于和人的视觉有关的光学仪器 砷化镓光电池 量子效率高 噪声小 光谱响应在紫外区和可见光区 适用于光度仪器 锗光电池 长波响应宽 适合作近红外探测器 27 太阳能光电池主要用作向负载提供电源 对它的要求主要是光电转换效率高 成本低 由于它具有结构简单 体积小 重量轻 高可靠性 寿命长 可在空间直接将太阳能转换成电能的特点 因此成为航天工业中的重要电源 而且还被广泛地应用于供电困难的场所和一些日用便携电器中 测量光电池的主要功能是作为光电探测 即在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号 此时对它的要求是线性范围宽 灵敏度高 光谱响应合适 稳定性高 寿命长等 它常被应用在光度 色度 光学精密计量和测试设备中 28 DR型硅光电池是以p型硅作为基底 然后在基底上扩散P而形成n型作为受光面 CR型硅光电池是以n型硅作为基底 然后在基底上扩散B而形成p型作为受光面 29 二 硅光电池的特性参数 1 光照特性 E0 E1 E2 30 2 等效电路 通常Rs很小 31 当I 0时 得到开路电压 当V 0时 得到短路电流 短路电流与光照成正比 E Voc Isc 32 3 光谱特性 图为光电池的光谱响应曲线 它表明了用单位辐射通量的不同波长的光分别照射时 光电池短路电流大小的相对比较 硅光电池的光谱响应范围为0 4 1 1 m 峰值波长为0 8 0 9 m 硒光电池的光谱响应范围为0 34 0 75 m 峰值波长为0 54 m左右 33 3 温度特性 开路电压具有负温度系数 随温度的升高而减小 其值约为2 3mV 短路电流具有正温度系数 随温度的升高而增大 其值约为10 5 10 3mA 数量级 34 4 频率特性 35 几种国产硅光电池的时间特性 要得到短的时间响应 选用小的负载电阻 选用小面积的电池 36 5 输出功率 显然 负载RL所获得的功率PL与负载电阻的阻值有关 当RL 0 电路为短路 时 U 0 输出功率PL 0 当RL 电路为开路 时 IL 0 输出功率PL 0 RL 0时 输出功率PL 0 显然 存在着最佳负载电阻Ropt 在最佳负载电阻情况下负载可以获得最大的输出功率Pmax 负载所获得的功率为PL I2LRL 37 通过对上式求关于RL的1阶倒数 当RL Ropt时 求得最佳负载电阻Ropt的阻值 在实际工程计算中 常通过分析图所示的输出特性曲线得到经验公式 即 当负载电阻为最佳负载电阻时 输出电压U Um Um 0 6 0 7 Uoc而此时的输出电流近似等于光电流 即 其中 Si为硅光电池的电流灵敏度 38 硅光电池的最佳负载电阻Ropt为 从上式可以看出硅光电池的最佳负载电阻Ropt与入射辐射通量有关 它随入射辐射通量的增加而减小 负载电阻所获得的最大功率为Pm ImUm 0 6 0 7 UocIp 39 6 光电转换效率 光电池的输出功率与入射辐射通量之比定义为光电池的光电转换效率 记为 m 当负载电阻为最佳负载电阻Ropt时 光电池输出最大功率Pm与入射辐射通量之比定义为光电池的最大光电转换效率 记为 m 式中 是与材料有关的光谱光电转换效率 表明光电池的最大光电转换效率与入射光的波长及材料的性质有关 40 光伏发电 三 光电池的应用 根据 2008 2010年中国太阳能光伏发电产业分析及投资咨询报告 太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦 假如把地球表面0 1 的太阳能转为电能 转变率5 每年发电量可达5 6 1012千瓦小时 相当于世界上能耗的40倍 美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家 1997年又提出 百万屋顶 计划 日本1992年启动了新阳光计划 到2003年日本光伏组件生产占世界的50 世界前10大厂商有4家在日本 德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价 大大推动了光伏市场和产业发展 使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家 瑞士 法国 意大利 西班牙 芬兰等国 也纷纷制定光伏发展计划 并投巨资进行技术开发和加速工业化进程 太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位 不但要替代部分常规能源 而且将成为世界能源供应的主体 预计到2030年 太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比将达到10 以上 到2040年 太阳能光伏发电将占总电力的20 以上 到21世纪末 太阳能发电将占到60 以上 41 资料来源 42 资料来源 43 2008年2月24日 这辆由6平方米太阳板和5组电瓶等材料造成太阳能汽车 是江苏省靖江市市民陈顺贵在其亲友帮助下投资13万元 花13个月用手工打造成的 据试验 该车正常时速30至80公里 光照2天可行驶120 150公里 停在家门前还可当太阳能发电车发电供正常家用 资料来源 44 瑞士冒险家路易斯 帕尔默最近驾驶一辆太阳能汽车 不用一滴油而完成绕地球行驶3 2万英里 5 2万公里 的壮举 2008年12月4日 帕尔默驾驶着他的太阳能汽车 德国Q cells 进入联合国气候会议现场 他的使命是用这种不需要燃烧容易造成空气污染的化石燃料却依然能长途旅行 证明人与汽车的爱情故事可以继续上演 帕尔默是一名老师 他请了假 花了17个月用瑞士科学家帮助研制的全太阳能汽车走遍38个国家 这辆双座汽车的电池充满电 可以以55英里的最高时速 时速90公里 跑完185英里 300公里 的路程 资料来源 45 http www suntech 湾仔 WanChai 政府大楼 日本北海道 日本金泽 Kanazawa 公交总站 旧金山国际机场 西班牙大慕希尔区 GreaterMurcia 市政项目 2008壳牌环保马拉松节能车大赛 46 国内外比较大的太阳能厂商 主要太阳能厂商 德国的Q CELLs 日本的夏普 京瓷 三洋电机无锡尚德美国的第一太阳能公司 FirstSolar 台湾的茂迪 2007年太阳能电池产量排名 1 Q Cells 2 夏普 3 中国的尚德太阳能 47 截止到08年3月12日 国内已经有十一家太阳能光伏上市公司 按市值大小排列如下 中国太阳能光伏上市公司统计及其排名状况 48 3 3 4光电 光敏 二极管 49 光电二极管和光电池一样 其基本结构也是一个PN结 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 光生电势与光电池相同 但输出电流普遍比光电池小 一般为数微安到数十微安 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 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 50 一 硅光电二极管 硅光电二极管是最简单 最具有代表性的光生伏特器件 其中 PN结硅光电二极管为最基本的光生伏特器件 51 1 光电二极管的基本结构 图示为2DU型光电二极管的原理结构图 1 硅光电二极管的结构和工作原理 52 2CU系列光电二极管只有两个引出线 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 国产光电二极管按衬底材料的导电类型不同可分为两种结构形式 以P型硅为衬底的2DU型 以N型硅为衬底的2CU型 53 2DU设环极的目的 减少暗电流和噪声 详细分析见课本p199 201 54 2 光电二极管的电流方程 在无光照作用的情况下 暗室中 PN结硅光电二极管的正 反向特性与普通PN结二极管的特性一样 其电流方程为 有光照作用的情况下 55 2 硅光电二极管的主要特性 由电流方程可以得到光电二极管在不同偏置电压下的输出特性曲线 a 光电二极管的工作区域应在图的第3象限与第4象限 采用重新定义电流与电压正方向的方法 以PN结内建电场的方向为正向 把特性曲线旋转成如图 b 所示 因为开路电压相比外加反压小很多 所以可略去不计 常用曲线为 c 1 伏安特性 a b c 56 低偏压时 光电流变化非常敏感 这是由于反偏压增加使耗尽层加宽 结电场增强 所以对结区的光的吸收率及光生载流子的收集效率加大 高偏压时 收集已达极限 光电流趋于饱和 曲线近似平直 且低照度部分比较均匀 可用作线性测量 57 电流灵敏度与入射辐射波长 有关 通常给出的为其峰值响应波长的电流灵敏度 2 电流灵敏度 在给定波长入射光下 定义光电二极管的电流灵敏度为入射到光敏面上辐射量的变化与电流变化之比 58 3 光谱响应 定义 以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光电二极管时 其电流灵敏度与波长的关系 典型硅光电二极管光谱响应长波限为1 1 m左右 短波限接近0 4 m 峰值响应波长为0 9 m左右 与硅光电池相同 59 4 响应时间和频率特性 前面提到 主要由3个因素决定 1 在PN结区外产生的光生载流子扩散到PN结区内所需要的时间 称为扩散时间记为 p ns量级 2 在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间 称为漂移时间记为 dr 10 11量级 3 由PN结电容Cj和管芯电阻Ri及负载电阻RL构成的RC延迟时间 RC 负载电阻RL不大时为ns数量级 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 扩展pn结区 增高反向偏置电压是提高频率响应的措施 如 PINAPD 60 5 反向工作电压 在无光照情况下 光电二极管中反向电流不超过一定值时 一般 0 2 0 3 A 所能承受的最高反向电压 一般不大于10V 高者可达50V 61 6 暗电流 在无光照情况下 在最高工作电压下 在pn结测得的反向漏电流 暗电流决定了低照度的测量界限 并随温度与反偏压的大小而变化且变化幅度大 一般随温度升高而增加 当偏压增大时 暗电流增大 当反偏压增大到一定值时 暗电流激增 发生了反向击穿 即为非破坏性的雪崩击穿 与之对应的是齐纳击穿 暗电流小的管子 其工作性能相对稳定 62 二 PIN型光电二极管 PIN管 PIN管是光电二极管中的一种 它的结构特点是 在P型半导体和N型半导体之间夹着一层 相对 很厚的本征半导体 I intrinsic 层或轻掺杂层 高阻 承担大部分压降 63 特点二 反压高 线性输出范围宽 因为I层很厚 在反偏压下运用可承受较高的反向电压 所以线性输出范围宽 由耗尽层宽度与外加电压的关系可知 增加反向偏压会使耗尽层宽度增加 从而结电容要进一步减小 使频带宽度变宽 特点一 时间响应特性好 频带宽 PN结的内电场基本上全集中于I层中 从而使PN结的间距加宽 结电容变小 频带将变宽 可达10GHz 10 10s 不足之处 I层电阻很大 管子的输出电流小 一般多为零点几微安至数微安 64 对I层厚度W的考虑 提高W 量子效率提高 响应度加大 提高W 漂移时间变长 时间响应变差 存在最佳W 对Si和Ge W 20 50 m tr 200ps对InGaAs W 3 5 m tr 10ps 10GHz 65 几种PIN型光电二极管特性参数 66 三 雪崩光电二极管 APD avalanchephotodetector PIN光电二极管 提高了时间响应 未能提高器件的光电灵敏度 无内部增益 雪崩光电二极管 利用雪崩管在高的反向偏压下发生雪崩倍增效应而制成的光电探测器 提高光电二极管的灵敏度 具有内部增益102 104 这种管子响应速度特别快 带宽可达100GHz 足目前响应速度最快的一种光电二极管 67 1 工作原理 雪崩光电二极管为具有内增益的一种光生伏特器件 它利用光生载流子在强电场内的定向运动 产生的雪崩效应获得光电流的增益 一般光电二极管的反偏压在几十伏以下 而APD的反偏压一般在几百伏量级 接近于反向击穿电压 当APD在高反偏压下工作 势垒区中的电场很强 电子和空穴在势垒区中作漂移运动时得到很大的动能 它们与势垒区中的晶格原子碰撞产生电离 激发产生的二次电子与空穴在电场下得到加速又碰撞产生新的电子 空穴对 如此继续 形成雪崩倍增效应 碰撞电离和雪崩倍增 68 电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数 这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加 其电流倍增系数M定义为 式中 I为倍增输出的电流 I0为倍增前输出的电流 M随反向偏压U的变化可用经验公式近似表示 UBR雪崩击穿电压 灵敏度 69 A 在偏压较低时 光电流很小 B 产生雪崩倍增 光电流输出最大 C 偏压接近雪崩击穿电压 暗电流迅速增加 增加的速度比光电流快 所以降低了灵敏度 最佳工作点 B点附近 70 2 结构 图 a 在P型硅基片上扩散杂质浓度大的N 层 制成P型N结构 图 b 在N型硅基片上扩散杂质浓度大的P 层 制成N型P结构 图 c 所示为PIN型雪崩光电二极管 由于PIN型光电二极管在较高的反向偏置电压的作用下耗尽区扩展到整个PN结结区 形成自身保护 具有很强的抗击穿功能 因此 PIN型雪崩光电二极管不必设置保护环 71 3 噪声 由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的 碰撞后的运动方向更是随机的 所以它的噪声比一般光电二极管要大些 特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时 噪声可增大到放大器的噪声水平 以至无法使用 雪崩光电二极管的噪声可近似由下式计算 式中指数n与雪崩光电二极管的材料有关 对于锗管 n 3 对于硅管为2 3 n 2 5 72 4 几种典型的APD 1 拉通型RAPD结构 课本p204 Guardrings toavoidbreakdownattheedges Heatsinking toavoidthermalfluctuations 高阻P型硅 73 74 层主要作为耗尽层吸收大部分的光子并产生电子 空穴对 倍增层上施加高压以产生碰撞电离和雪崩效应 75 与PIN类似之处 与PIN不同之处 p 层和n 层都很薄 增加P层来维持均匀的高压以产生雪崩效应 层作为吸收层 是本征层或p型轻掺杂 76 拉通 结构的APD的最佳性能与器件的几何尺寸与P区的掺杂水平有关 P区掺杂浓度过高 全部反偏压降落在高场倍增区 在 区开始耗尽以前 高场强使载流子急剧倍增 但所产生的载流子无法在 区获得漂移速度或只有非常低的速度 因而探测器的响应速度很低 但如果P区掺杂浓度太低 则 区将很快耗尽 这会导致开始雪崩所需的电压太高 常见的一种APD采用了保护环 防止雪崩区边缘在接近雪崩场强的情况下过早的出现雪崩 藉此可以用来提高反向偏压 所以 APD的增益M和带宽之间需作折衷考虑 77 78 拉通型 是同质结的结构 即由同一种材料的不同区域中以不同掺杂类型或不同掺杂浓度制成的 在这种同质结中 暗电流来自三个独立的部分 1 在耗尽区中通过带间的中间能级 如陷阱 引起的产生与复合电流Igr 这在低的反向偏压下是暗电流Id的主要部分 2 在高反向偏压下 载流子贯穿PN结势垒所产生的隧道电流Itu则主宰着Id 3 在低温下越过PN结的旁路电流 表面漏电流 Ish则是主要的 当雪崩击穿电压VB Vx Vx为Itu与Igr随电压变化的曲线的交点 则意味着雪崩倍增的同时将有很大的沟道电流倍增 从而引起严重的散粒噪声甚至引起 沟道击穿 因此 为了得到低噪声的APD 必须对吸收区低掺杂 带隙大 以便满足VB Vx 79 为了减少高偏压下的隧道电流 并利用InGaAs能很好的与InP形成晶格匹配的异质结的特点 发展了一种将吸收区与倍增区分离的APD SAM APD 它的原理结构及其各区的场强分布如图所示 入射光子首先被InGaAs所吸收 因为该区的场强较小 只能将所产生的光生载流子扫进InP pn结的高场区 并在该区倍增 因为InP 增益区 相对于InGaAs的带隙大 因而可以有效地减少隧道电流 2 SAM APD 异质结 80 3 SAGM APD 异质结 separateabsorption grading andmultiplication SAM APD SAGM APD SAM APD结构的光探测器的响应速度受到在InGaAs InP异质结大的价带不连续处电荷堆积的限制 同时这种电荷堆积也减少了低偏压下的量子效率 当然 随着反偏压的增加 界面处能带的倾斜和不连续程度 E均减少 从而使内量子效率与响应速度均能提高 即使如此 在加雪崩电压后依然残留的 E仍限制着响应速度 因此 为减少在异质结界面处能带大的突变而带来电荷的积累 对SAM APD作了进一步改进 即在宽带隙N InP与窄带隙n InGaAs之间生长一层带隙过渡层N InGaAsP 这种用渐变带隙过渡层来分开吸收区与倍增区的APD称为SAGM APD 81 刻蚀台SAGM mesaetchedSAGM 制造商要成功推出40Gbps的器件 无论是采用SIPD结构还是别的结构 高效器件都需要采用刻蚀台 etchedmesa 设计而不是平板波导设计 现有的10Gbps器件中常用 因为要达到40Gbps的速度 有源区面积必须减小以降低器件容抗或对泵浦型或行波型光电二极管形成适当的波导 82 滤波通常以带隙大的A材料作为光接收面 能量大于A材料带隙的光通过A时首先将被吸收 如果A材料厚度大于光生载流子的扩散长度时 则不能到达结区 产生不了光电流 而能量小的长光波光子将通过A材料一直到达带隙小的B材料而被吸收 并产生光电流 从而 异质结的宽带材料起着滤波的作用 即把短波成份滤掉 2 拓展光谱响应范围光纤通信的波长为1 3 1 6 m波段 而硅的最佳响应波长为0 8 1 0 m 所以 异质结光电二极管将响应波段向长波长区域扩展 是光纤通信的理想探测器 同时还可以改变组分来调节光谱响应范围 3 量子效率高 背景噪声低 暗电流小 寄生电容小 响应速率高 适宜高比特光纤通信 异质结光电器件 83 4 其它APD 84 Resonate cavityAPDWaveguideAPD 高的带宽增益积 暗电流低 寄生参量小 响应速率高 85 2 4 5光电三极管 光电晶体管 86 光电三极管有两种基本结构 NPN结构与PNP结构 用N型硅材料为衬底制作的NPN结构 称为3DU型 用P型硅材料为衬底制作的称为PNP结构 称为3CU型 备注 与光电池 二极管类似 DU型均为n为受光面 CU型均为p为受光面 87 一 工作原理 光电三极管的工作原理分为两个过程 一是光电转换 二是光电流放大 集电极输出的电流为 光电三极管的电流灵敏度是光电二极管的 倍 相当于将光电二极管与三极管接成如图 c 所示的电路形式 光电二极管的电流Ip被三极管放大 倍 为提高光电三极管的增益 减小体积 常将光电二极管或光电三极管及三极管制作到一个硅片上构成集成光电器件 88 如图所示为三种形式的集成光电器件 图 a 所示为光电二极管与三极管集成而构成的集成光电器件 它比图 c 所示的光电三极管具有更大的动态范围 因为光电二极管的反向偏置电压不受三极管集电结电压的控制 图 b 所示为光电二极管与两个三极管构成的集成光电器件 图 c 所示的为光电三极管与三极管集成构成的达林顿集成光电器件 它具有更高的电流增益 灵敏度更高 89 二 光电三极管特性 1 伏安特性 光电三极管在偏置电压为零时 无论光照度有多强 集电极电流都为零 偏置电压要保证光电三极管的发射结处于正向偏置 而集电结处于反向偏置 随着偏置电压的增高伏安特性曲线趋于平坦 光电三极管的伏安特性曲线向上偏斜 间距增大 这是因为光电三极管除具有光电灵敏度外 还具有电流增益 并且 值随光电流的增大而增大 90 2 时间响应 频率特性 光电三极管的时间响应常与PN结的结构及偏置电路等参数有关 为分析光电三极管的时间响应 首先画出光电三极管输出电路的微变等效电路 电流源Ip基 射结电阻rbe电容Cbe基 集结电容Cbc电流源Ic基射结电阻Rce电容Cce输出负载电阻RL 91 选择适当的负载电阻 使其满足RL Rce 这时可以导出光电三极管电路的输出电压为 要提高频率响应 须减少两个时间常数 但RL太小会影响输出 92 光电三极管的时间响应由以下四部分组成 光生载流子对发射结电容Cbe和集电结电容Cbc的充放电时间 光生载流子渡越基区所需要的时间 光生载流子被收集到集电极的时间 输出电路的等效负载电阻RL与等效电容Cce所构成的RC时间 总时间为上述四项和 比光电二极管的时间响应长 通常 硅光电二极管的时间常数一般在0 1 s以内 PIN和雪崩光电二极管为ns数量级 硅光电三极管长达5 10 s 93 3 温度特性 硅光电二极管和硅光电三极管的暗电流Id和光电流IL均随温度而变化 由于硅光电三极管具有电流放大功能 所以硅光电三极管的暗电流Id和亮电流IL受温度的影响要比硅光电二极管大得多 94 4 光谱响应 光电二极管与硅光电三极管具有相同的光谱响应 图所示为典型的硅光电三极管3DU3的光谱响应特性曲线 它的响应范围为0 4 1 0 m 峰值波长为0 85 m 对于光电二极管 减薄PN结的厚度可以使短波段波长的光谱响应得到提高 因为PN结的厚度减薄后 短波段的光谱容易被减薄的PN结吸收 扩散长度减小 因此 可以制造出具有不同光谱响应的光伏器件 例如蓝敏器件和色敏器件等 蓝敏器件是在牺牲长波段光谱响应为代价获得的 减薄PN结厚度 减少了长波段光子的吸收 95 光电二极管产品 QSB34 Fairchildphotodiode技术参数参见技术文档 http www wavelab 96 光电三极管产品 QSB363 Phototransistor技术参数参见技术文档 基极可 97 光电三极管 无基极引线的光电三极管 它是依靠光的 注入 把集电结光电二极管的光电流加以放大 从而在集电极回路中得到一个被放大的光生电流 注入的光强不同 得到的光生电流也不同 无基极引线光电三极管实际使用时有电流控制和电压控制两种电路 有基极引线的光电三极管 具有基极引线的光电三极管 可以在基极上提供一定偏流 以减少器件的发射极电阻 改善弱光条件下的频率特性 同时使光电三极管的交流放大倍数 进入线性区 有利于调制光的探测 适用于高速开关电路和调制光的探测 98 2 4 6其它光伏器件 99 肖特基光电二极管是利用肖特基势垒收集光生载流子的光电探测器 所谓肖特基势垒就是指金属和半导体相互接触而在其界面处产生的势垒 其特性基本类似于PN结光电二极管 基本原理 以N型半导体为例 N型半导体和金属相互接触并达到热平衡状态时 在其界面的半导体一侧出现一层正电荷 而在金属一侧出现一层负电荷 这两层极性相反的空间电荷构成载流子的阻挡层和耗尽层 于是 金属 半导体结区形成肖特基势垒 其电场方向由N型半导体指向金属 在施加反向偏压时 耗尽层变厚 肖特基势垒及其电场也增加 特点一 由于肖特基势垒在半导体附近表面处 光直接在势垒区产生载流子 减少了扩散时间和扩散过程中的复合损失 因此具有响应时间短 量子效率高的特点 可探测5 10ns的脉冲信号 特点二 光谱响应范围宽 0 2 1 1 m 0 4 0 6 m的响应优于一般硅光电二极管 特点三 可直接采用硅集成电路工艺 是红外焦平面器件优选光敏器件 光敏面可以做的很大 均匀性好 动态范围大 很适合作四象限探测器 肖特基光电二极管的主要应用场合是超高速 肖特基光电二极管的半导体材料有Si和GaAs GaAs肖特基光电二极管是超高速光电探测器的主要产品 从减少暗电流观点来看 尽管肖特基不如PIN有效 但还是可以制作出小于10nA暗电流的肖特基光电二极管 而且它的电容比相同面积的PIN光电二极管小的多 一 肖特基光电二极管 SchottkyBarrierPhotodiode 100 二 色敏光生伏特器件 色敏光生伏特器件是根据人眼视觉的三原色原理 利用不同结深PN结光电二极管对不同波长光谱灵敏度的差别 实现对彩色光源或物体进行颜色的测量 色敏光生伏特器件具有结构简单 体积小 重量轻 变换电路容易掌握 成本低等特点 被广泛应用于颜色测量与颜色识别等领域 例如彩色印刷生产线中色标位置的判别 颜料 染料的颜色测量与判别 彩色电视机荧光屏彩色的测量与调整 医学上对皮肤 内脏 牙齿等颜色的测定等等 是一种非常有发展前途的新型半导体光电器件 101 1 双色硅色敏器件的工作原理 双色硅色敏光传感器的结构和等效电路如图所示 它是在同一硅片上制作两个深浅不同PN结的光电二极管PD1和PD2组成的 又称为双结光电二极管 浅PN结的PD1的光谱响应峰值在蓝光范围 深结PD2的光谱响应峰值在红光范围 102 双结光电二极管只能测量单色光的波长 或者通过测量光谱辐射功率与黑体辐射相接近的光源色温来确定颜色 用双结光电二极管测量颜色时 通常测量两个光电二极管的短路电流比 ISC2 ISC1 与入射波长的关系 如图所示 从关系曲线中不难看出 每一种波长的光都对应于一个短路电流比值 根据短路电流比值判别入射光波长 达到识别颜色的目的 缺点 只能测单色光 不能用于测量多种波长组成的混合色光 即使已知混合色光的光谱特性 也很难对光的颜色进行精确测量 103 国际照明委员会 CIE 根据三原色原理建立了标准色度系统 制定了等能光谱色的RGB三刺激值 如图 a 所示的 CIEl931 RGB系统标准色度观察者三刺激值曲线 从曲线中看到 光谱有一部分为负值 计算很不方便 又难以理解 因此1931年CIE又建立一个新的国际通用色度系统 称为 CIEl931 XYZ系统 2 三色硅色敏器件的工作原理 104 对任何一种颜色 都可由颜色的三刺激值X Y Z表示 计算公式为 其中 为进入人眼的光谱辐射通量 称为色刺激函数 K为调整系数 105 根据色度学理论 日本的深津猛夫等人研制出可以识别混合色光的3色色敏光电器件 左图为非晶硅集成色敏器件的结构示意图 它是在一块非晶硅基片上制作3个检测元件 并分别配上R G B滤色片 得到如右图所示的近似于1931CE RGB系统光谱3刺激值曲线 通过R G B输出电流的比较 即可识别物体的颜色 106 http www bright 107 三 光伏器件组合器件 光伏器件组合件是在一块硅片上制造出按一定方式排列的具有相同光电特性的光伏器件阵列 它广泛应用于光电跟踪 光电准值 图像识别和光电编码等应用中 用光电组合器件代替由分立光伏器件组成的变换装置 不仅具有光敏点密集量大 结构紧凑 光电特性一致性好 调节方便等优点 而且它独特的结构设计可以完成分立元件无法完成的检测工作 108 1 象限阵列光伏器件组合件 象限探测器可以用来确定光点在二维平面上的位置坐标 一般用于准直 定位 跟踪等 典型的象限探测器有四象限光电二极管 硅光电池 光电倍增管 也有二象限的硅光