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 6 1光伏探测器的工作原理 1 光生电动势的产生过程 2 光照后产生的电流 两部分电流 光电流Ip 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 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 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 0 I短 6 3 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 1 无光照时 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 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 2 有光照时 偏压为0时 流过p n结的电流有三部分 总噪声为 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 光电池工作于有负载的情况 其工作原理 负载电压为 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 最佳负载电阻的确定方法 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 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 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 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 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 典型光电二极管 滨松 HAMAMATSU 公司产品 Si PhotodiodeS1087 S1133Series 三 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 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 现有产品的PIN光电二极管性能参数滨松SiPINPhotodiode 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 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 2 雪崩光电二极管结构 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 3 雪崩二极管的特征参数 1 倍增系数M IR 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 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 雪崩倍增系数M 暗电流ID与所加偏压之间的关系 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 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 3 现有产品的雪崩光电二极管性能参数 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 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 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 为共发射极电流放大倍数 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 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 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波段灵敏的光伏探测器 例如Hg1 xCdxTe Pb1 xSnxTe光伏探测器 1 HgCdTe光伏探测器 特性 1 工作于室温 300K 时 光谱响应在1 3um 量子效率0 4 0 6 响应率103V W 2 工作于77k 光谱响应8 14um 峰值响应波长10 6um 是目前探测CO2激光灵敏度最高 响应最快的较理想的光子探测器 量子效率0 3 0 4 响应频率700MH 频率响应 主要取决于电路时间常数RLCd 偏压 可以零偏压 避免偏置电源引入的热噪声 反偏工作可增加量子效应和响应频率 2 PbSnTe光伏探测器工作温度 15k 77k 300k光谱响应范围 8 14um 频率响应 电路