结型光电探测器.ppt

第2章结型光电探测器2 1光生伏特效应 势垒型光电探测器是对光照敏感的 结 构成的 故也称结型光电探测器 光生伏特效应 两种半导体材料或金属 半导体相接触形成势垒 当外界光照射时 激发光生载流子 注入到势垒附近形成光生电压的现象 光生伏特效应属于内光电效应 利用光生伏特效应制成的光电探测器叫做势垒型光电探测器 根据所用结的种类的不同 可分为PN结型 PIN结型 异质结型和肖特基结型等 最常用的器件有光电池 光电二极管 PIN管 雪崩光电二极管 光电三极管和光电场效应管等 势垒型光电探测器与光电导探测器相比较 主要区别 1 产生光电变换的部位不同 2 光电导型探测器没有极性 工作时必须有外加电压 而结型探测器有确定的正负极 不需要外加电压也可把光信号变为电信号 3 光电导探测器为均质型探测器 均质型探测器的载流子驰豫时间比较长 响应速度慢 频率响应特性差 而结型探测器响应速度快 频率响应特性好 另外 雪崩式光电二极管和光电三极管还有很大的内增益作用 不仅灵敏度高 还可以通过较大的电流 势垒型光电探测器的应用非常广泛 广泛应用于光度测量 光开关报警系统 光电检测 图象获取 光通讯 自动控制等方面 2 1 1PN结 当P型与N型半导体相接触 电子和空穴相互扩散在接触区附近形成空间电荷区和耗尽层 结区两边形成内建电场 接触电势差UD取决于P型和N型半导体的费米能级EFp EFn之差 加正向电压的结构与能带加反向电压的结构与能带 PN结的单向导电性 设扩散电流I1 一般都规定PN结中的扩散电流方向为流过PN结电流的正方向 即由P区通过PN结指向N区 如图2 3 反向饱和漂移电流I0 与扩散电流方向相反 也称反向电流 I1 I0eeU kT其中 k为波尔兹曼常数 T为热力学温度 PN结加上外加电压 流过PN结的电流为 Ij I1 I0 I0 eeU kT 1 U为正 即P区电压高于N区 即常说的正向电压 此时电流由P区流到N区 电流为正值 如图2 3 U为负 即N区电压高于P区 即通常所说的负向电压 电流由N区流到P区 电流为负值 如图2 4 PN结的电流电压特性如图2 5中的无光照的I U曲线 不同光照下的伏安特性曲线 一般硅光电池工作在第四象限 若硅光电池工作在反偏置状态 则伏安特性将延伸到第三象限 普通二极管工作在第一象限 光电二极管工作在第三象限 否则没有光电效应 2 1 2PN结光生伏特效应 外接电路开路时 光生载流子积累在PN结两侧 光生电压最大 即光生电势Uoc 等于费米能级分开的距离 称Uoc为开路电压 外接电路短路时 流过电路的电流为短路时的光生电流 称Isc为短路电流 短路电流在PN结中N P 电流方向 在外回路中由P N PN结在有光照的电流电压曲线 与普通的二极管的电流电压特性相区别 相当于在回路中加了一个反向电势 所以产生了光生伏特效应的光电二极管的电流电压特性发生了移动 当I 0时 U Uoc 即光生电势 当U 0时 I Isc 即光生电流 比较图2 5的曲线 和 随着光照的增强 曲线向下移动 光生电势和电流增加 2 2光电池 光电池是直接把光变成电的光电器件 由于它是利用各种势垒的光生伏特效应制成的 故称为光生伏特电池 简称光电池 按用途分 太阳能光电池 测量光电池 按材料分 硅光电池 锗光电池 硒光电池 硫化镉光电池 砷化镓光电池 其中最受重视的是硅光电池 硒光电池 硅材料研究得最充分 硅光电池具有一系列的优点 如性能稳定 寿命长 光谱响应范围宽 频率特性好 能耐高温 硒光电池的光谱响应曲线与人眼的光视效率曲线相似 应用 应用于光能转换 光度学 辐射测量 光学计量和测试 激光参数测量等方面 2 2 1光电池的结构 结构有两种 一种是金属 半导体接触型 硒光电池即属此类 另一种是PN结型 硅光电池属PN结型 硅光电池的结构形式有多种 按基底材料可分为2DR型和2CR型 PN结光电池的结构图 受光表面上涂保护膜 减小反射损失 增加对入射光的吸收 同时又可以防潮 防腐蚀如镀SiO2 MgF2 上电极一般多做成栅指状 其目的是便于透光和减小串联电阻 除典型结构型式的硅光电池以外 按不同用途 还有些特殊的结构型式 光电池的符号 连接电路 测量用的光电池 太阳能光电池 2 2 2光电池的电流与电压 PN结中有三种电流 扩散电流I1 漂移电流I0 光生电流Ip 光照引起电压和势垒的变化 开路电压Uoc 短路电流Isc 外电路的电流I 结电流 扩散电流 漂移电流 IP与单色辐射的光功率P可写成 Ip R PR 光谱灵敏度 光谱灵敏度与光的入射方式有关 是一个复杂的关系式 为了计算使用简单 光生电流IP与入射单色辐射的功率P可简写为如下的关系 2 2 3光电池的主要特性 1 光照特性是指光电池的光生电动势 光电流与照度的关系 硅光电池 硒化电池 当RL 0时 外电路短路 电流全部流过外电路Ip Isc 光电流随着光照而变化 故I与光照E成正比 一定负载下 随着E增加 I出现非线性 负载越大 线性范围愈小 非线性愈严重 因此 作为探测器用的光电池 为保证测量呈较好的线性 应选择较小的负载电阻 如5 的串联电阻 2 光谱特性光电池的光谱特性主要取决于所采用的材料与制作工艺 同时也与温度有关 1硒光电池的光谱特性1硅蓝光电池的光谱特性曲线2硅光电池的光谱特性2硅普通光电池的光谱特性曲线 3 伏安特性 PN结作光电池用时 在有光照条件下 光电流与电压的关系 实际上是指输出I Ip Ij与输出电压u之间的函数关系 连续改变负载电阻值 就得到一条输出电压与电流的关系曲线 这就是伏安特性曲线 交点 Uoc 0 代表开路情况 RL Uoc称为开路电压 交点 0 Isc 代表短路情况 Isc称为短路电流 4 转换效率 对于输出的功率P IU 对其求极值 可以获得光电池存在一个最大输出功率Pm 此时对应的最佳负载电阻RLm 对应的电流Imp和电压为Ump Pm Ump Imp通常定义光电池的转换效率 光电池输出的最大功率与入射光功率的比值 它表示了光电池把光转变为电信号的能力 当RL增大 输出电压增大 RL愈大 U愈接近Uoc 当RL 时 U Uoc 负载电阻RL越小 输出的电流愈大 当RL 0时 即短路时 I Isc 5 频率特性 光电池作为探测器使用时 由于载流子在PN结区内扩散 漂移 产生 复合都要有一个时间驰豫过程 所以当光照变化很快时 光电流就有滞后于光照变化的现象 光电池的频率响应除了载流子运动的内在因素外 还与材料 结构 光敏面的大小及使用条件有关 如图2 16 负载电阻越大 时间响应越差 光敏面积越大 频率特性变差 光照越弱 频率特性越差 因为在高频交变光照下 光电池的响应时间由PN结电容和负载电阻所决定 PN结阻挡层的面积越大 极间电容越大 因而频率特性变差 如要求有较好频率特性 需选用小面积的光电池 以使它的结电容减小或者减小负载电阻 6 温度特性 光电池许多参数都与温度有关 一般光电池的参数都是在30 条件下测得的 T升高 Uoc减小到3mV 具有负温度系数 T升高 Isc上升到10 5 10 3mA 具有正的温度系数 如图2 17 光电池受强光照射时 必须考虑光电池的工作温度 因为硒光电池的结温超过50 硅光电池超过200 时 它们的晶格就受到破坏 导致器件的破坏 7 太阳能光电源装置 由于太阳能量的重要性 光电池要将太阳能直接转变成电能供给负载 单片光电池的电压很低 输出电流很小 因此不能直接用作负载的电源 一般要把很多片光电池组装成光电池组作为电源使用 通常在用单片光电池组装成电池组时 可以采用增加串联片数的方法来提高输出电压 用增加并联片数的方法来增大输出电流 为了在无光照时仍能正常供电 往往把光电池组和蓄电池装在一起使用 通常 把这种组合装置称为太阳能电源 RL是负载电阻 D是防逆流二极管 因为辐照度减弱会造成光电池组输出电压降低 加了防逆流二极管可以阻止蓄电池对光电池放电 太阳能光电池材料有 单晶硅 多晶硅 非晶硅 CdS GaAlAs GaAs等太阳能光电池 现在单晶硅太阳能电池的效率达10 22 并聚光后 效率可达26 28 已获得了广泛的应用 2 3光电二极管 光电二极管是一种重要的光电探测器 广泛用于可见光和红外辐射的探测 本质是二极管 根据光生伏特效应工作 属于结型器件 主要区别 它与光电池的光电转换有许多相似之处 而与光电池的主要区别 1 结面积大小不同 光电二极管的结面积远比光电池小 2 PN结工作状态不同 光电池PN结工作在零偏置状态下 而光电二极管工作于反偏工作状态下 需外加电压 因此光电二极管的内建电场强 结区较宽 结电容很小 所以频率特性比较好 由于势垒宽 光电流比光电池小 一般在 A量级 根据所用的半导体材料有 锗 硅 III V族化合物及其它化合物半导体 按工作基础分 有耗尽型及雪崩型 按特性分 有PN结 PIN结 异质结 肖特基势垒及点结触型等 按对光的响应分 紫外 可见光 红外光电二极管 按制造工艺 平面型 生长型 合金型 台面型 按用途分 聚光透镜式 平板玻璃式 目前 光电二极管绝大部分用硅和锗材料 采用平面型结构来制成 由于硅管比锗管有较小的暗电流和较小的温度系数 而且硅工艺较成熟 结构工艺易于控制 因此 以硅为材料的光电二极管发展超过了同类锗管 国内定型生产的硅光电二极管主要有PN结型 PIN型及雪崩型 2 3 1PN结型光电二极管1 PN结光电二极管的结构 根据衬底材料不同分为2DU和2CU型两种 2DU光电二极管的结构及符号 由于SiO2层中不可避免地沾污一些少量杂质正离子 如Na K H 来源于所使用的化学试剂 玻璃器皿 高温器材及人体沾污等 其中最主要而对器件稳定性影响最大的是Na 这些正离子对其下面的半导体将产生静电感应 在SiO2膜下面将感应出一些负电荷 就如同电容器一般 在P型Si衬底表面产生一个电子层 它与原来半导体衬底导电类型相反 因此叫做反型层 这些电子与N 的电子相沟通 在外加反向偏压的作用下 由于势垒电场很强 电子形成电流 流到前极 成为表面漏电流 这些表面漏电流可达几个微安数量级 成为暗电流的大部分 使通过负载的电流的散粒噪声增大 会影响光电二极管的测量极限 为了降低这部分噪声 就不能让SiO2中少量正离子静电感应所产生的表面漏电流经过外电路的负载 目前 一般采用在P Si扩散磷形成N 层时 同时扩散环形N 层 把原来的N 层环绕起来 单独引出一个电极 称为环极 如图2 20 由于环极电位高于前极 大部分表面漏电流将通过环极直接流向后极 而不经过负载电阻了 这样就减少了流过前极的暗电流和噪声 若环极不接电时 除前级暗电流大 噪声大一些以外 对其它性能均无影响 2CU型光电二极管和电路 由于N Si中为衬底 电子是N型Si中的多数载流子 表面有大浓度的电子 SiO2中少数正离子的静电感应不会在N Si表面产生电子层 因此 也没有少数漏电流的问题 故2CU光电二极管只有两个引出线 2 光照特性 硅光电二极管的光照特性曲线 在加了反偏压情况下 一般情况下 只要U的值大于kT e 300K时为0 026eV 时 扩散电流被抑制 输出的电流 而反向饱和电流一般远小于光电流 将其忽略 可得 硅光电二极管光照特性曲线 其线性比较好 用于检测方面 3 光谱特性 主要决定于所采用的材料的禁带宽度 同时也与结构工艺也有密切的关系 Si 400 1150nm 峰值响应在800 900nm Ge 400 1800nm 峰值响应波长在1400 1500nm Si Ge光电二极管的光谱响应 4 伏安特性 在零偏压下 光电二极管仍有光电流 这是光生伏特效应所产生的短路电流 在低反向偏压下 光电流随电压的变化比较敏感 随电压增大 加大了耗尽层的宽度及电场强度 提高了光吸收效率及对载流子的收集 光电流增大 但反向偏压再进一步增大 光生载流子全部到达电极 光生电流趋向饱和 饱和光生电流与所加电压无关 它仅取决于光照度 5 温度特性2CU光电二极管在偏压50V和照度不变的情况下 光电流随温度的变化 T升高 光电流I增加 暗电流Id增加 当环境温度改变25 30 时 光电流的变化量为10 左右 而暗电流增加了约10倍 光电二极管受温度影响最大的是暗电流 6 入射特性 由于光电二极管入射窗口的不同封装而造成的灵敏度随入射角而变化 入射窗由玻璃或塑料制作 一般有聚光透镜和平面玻璃 聚光透镜入射窗的优点 能够把入射光会聚于面积很小的光敏面上 以提高灵敏度 由于聚光位置与入射光位置有关 减小了背景杂散光的干扰 仅当入射光与透镜光轴重合时 0 灵敏度最大 如果入射光偏离于光轴 灵敏度就要下降 这给使用带来了麻烦 在做检测控制时 发光源要放在合适的位置 否则就会使灵敏度下降 甚至检测不到 如图2 25 平板玻璃入射窗使用比较简单 但易受到杂散光的干扰 聚光作用差 光易受到反射 极值灵敏度下降 7 频率特性 主要由光生载流子的渡越时间和RLCj的乘积决定 对耗尽层型光电二极管的渡越时间主要由光生载流子在耗尽层中的漂移时间来决定 对于可见光 渡越时间为10 9s 由渡越时间决定的频率上限可以高达2000MHz 这时决定光电二极管的频率响应上限的因素是它的电容Cj和负载电阻RL所构成的时间常数RLCj 其中Ip为光电流 D为理想二极管 Cj为结电容 Rd为PN结电阻 由于是反向偏压 一般很大 约为108 Rs为体电阻 邻近结P区和n区的体电阻 Rs一般很小 为几十 RL为外加负载电阻 几千 由于Rd很大 Rs很小 D内阻无穷大 不消耗电流 可把图简化 则通过负载的电压 如 RLCj 2 f 则通过RL的电流值 Il Ip0 称为上限截止频率 或称带宽 P值对应的光电流 一般2DU型硅光电二极管的结电容3pF 响应时间0 1 s 带宽为2MHz 8 噪声与噪声等效功率 光电二极管等结型光电器件的噪声主要是电流散粒噪声和电阻的热噪声 犹如射出的散粒无规则地落在靶上所呈现的起伏 每一瞬间到达值有多少 每一点有多少 这些散粒是完全独立的 随机的 由粒子随机起伏所形成的噪声称为散粒噪声 如光辐射中光子到达的起伏 阴极发射的电子数 半导体中载流子数等 散粒噪声均方值 I 包括暗电流id 信号光电流is 和背景光电流ib e 电子电量 f 测试系统带宽 电阻的热噪声是由电阻中电子的热运动引起的 根源在于载流子的无规则热运动 因为任何导体或半导体的载流子在一定温度下都作无规则热运动 所以它存在于任何导体或半导体中 热噪声电流均方值 k为波尔兹曼常数 T为绝对温度 R为阻值 f测试系统的带宽 器件在实际使用中 后面总是接负载和放大器 式中R应为PN结的漏电阻和负载电阻的并联值 因为PN结的漏电阻远大于负载电阻 所以R值实际是PN结的负载电阻值 光电二极管回路输出总的信号噪声比SNR S为光电二极管的灵敏度 入射的光通量 在一般情况下 电流的散粒噪声都比电阻的热噪声大 如果只考虑电流的散粒噪声时 则 噪声等效功率 NEP 为 2 3 2PIN型光电二极管1 PIN硅光电二极管 PIN p i n 硅光电二极管是一种常用的耗尽层光电二极管 通过适当选择耗尽层的厚度 可获得较大的输出电流 较高的灵敏度和较好的频率响应特性 频率带宽可达10GHz 适用于快速探测的场合 图2 27PIN硅光电二极管结构与所加电压 PIN光电二极管结构示意图 a 和反偏能带图 b 1 输出的光生电流较大 灵敏度有所提高 时间响应特性主要取决于结电容 载流子渡越耗尽层所需要的时间 扩散运动的速度 PIN光电二极管 由于结电容小 2 时间响应快 频率特性好 扩散运动被抑制 时间特性好 频带宽度可达10GHz 载流子渡越耗尽层时间短 一般来说 扩散运动的速度比漂移运动的速度低得多 它将影响探测器的响应速度 例如 在PN结区强电场的作用下作漂移运动 载流子通过10 m的距离 其渡越时间小于0 1ns 但在PN结外作扩散运动时 同样经过10 m的距离 需要的时间则长达40ns 为了提高探测器的响应速度 故尽量希望光的吸收或光生载流子对的产生发生在PN结的耗尽层内 PIN管的光吸收主要在耗尽层区 所以频率特性好 3 硅材料制成的PIN管 长波段响应到1 1 m的短波段包括1 06 m的激光 可用于激光测距 激光制导等许多方面 2 长波长光电二极管 为探测1 3 m及更长波段的光通讯的激光 通常将1 2 1 7 m的光波探测器叫长波长探测器 目前主要用III V族化合物半导体材料来制作长波长光电探测器 如用InP InGaAs InP材料制成的响应在1 3 m的光电探测器 InP的禁带宽度为1 35eV InxGa1 xAs的禁带宽度0 7eV InP对波长大于0 9 m的光透明 光吸收作用主要在InGaAs层 形成PIN 光谱响应可达1 7 m 这样该器件的光谱响应范围为0 9 1 7 m 广泛应用于光通讯的光探测 长波长PIN管的优点是 1 工作电压比较低 一般为5V 2 探测灵敏度比较高 为0 8mA mW 使用InGaAs PIN管可用于1Gb s的光纤通信系统中 其接收灵敏度可达 90dBm 3 内量子效率较高 内量子效率90 以上 4 响应速度快 1Gb s以上 5 可靠性高 上万小时后没有发现明显退化现象 6 PIN管能低噪声工作 还有四元系InGaAsP AlGaAsP等材料分别与InP 0 9 1 7 m GaSb 0 75 1 9 m 晶格匹配形成长波长的光电探测器 其探测光谱范围更宽 用于光通讯中光的探测 2 3 3雪崩型光电二极管 APD 一般光电二极管的灵敏度都不够高 大约在每1000lx的照射下 只输出几 A光电流 雪崩光电二极管 APD 利用了高反压下二极管耗尽层产生载流子的雪崩倍增效应来获得很高的光电流增益 其增益可达102 104 电流达mA量级 因此其灵敏度高 且响应速度快 可达102GHz 适用于探测弱光信号和快速变化的信号 非常有发展前途 原理 雪崩反应噪声大是这种管子目前的一个主要缺点 在正常情况下 雪崩光电二极管的反向工作偏压 一般略低于反向击穿电压 光电倍增系数Mph 倍增光电流iph与不发生倍增效应时光电流ipho之比 UB 反向击穿电压 U 外加电压 n 调整参数 它取决于半导体材料 器件结构和入射辐射的波长 对Si n 1 5 4 对Ge n 2 5 3 光电倍增系数与电压电流的关系 APD的倍增系数受温度影响严重 温度升高时 APD击穿电压随着上升 工作电压不变 倍增系数将减小 为使APD保持在最佳增益值状态下工作 获得最大信噪比 需控制APD偏压 通常采用自动增益控制电路 渡越时间短 一般为10 10s数量级 结电容cj为几pF 所以管子响应时间一般很小 如国外APD5 3R硅雪崩光电二极管结电容3pF 响应时间小于0 5ns 频率响应可达105MHz 是目前响应速度最快的一种光电二极管 APD二极管结构示意图 雪崩型光电二极管需要加保护环 如图2 32 保护环作用有二 一是由于保护环为深扩散 在保护环处结区拉得较宽 且其在光照较弱 在反向电压作用下 相当于PN结加反向电压 呈现高阻抗 阻止表面感应电子层流到电极上 可以减小表面漏电 并耐一定的击穿电压 二是避免了由于结边缘材料的不均匀及缺陷 使结边缘过早击穿 所以也可称为保护环雪崩光电二极管 GAPD Si APD耗尽层达30 50 m 要产生雪崩效应 电压太高 偏压高达300V 为降低偏压 研制出RAPD 拉通型APD 它使雪崩效应仅发生在在很薄的区域内 P 和N 为高掺杂低阻区 I为本征区 PN结附近为倍增高场区 随偏压增高 耗尽区从P区扩大直至 拉通 整个I区 I区电场比PN 结区电场低 但也能保证载流子有很高的漂移速度 入射光子在I区吸收后形成电子空穴对 一次电子