光电检测技术与应用-4半导体光电检测器件应用.ppt

第4章半导体光电检测器件及应用,光电检测技术及应用,上节课内容回顾,1、光的基本性质2、辐射/光度量的最基本单位3、光电发射定律和光电子的发射过程4、光电效应5、光热效应,光电导效应光生伏特效应,光电导效应：物质吸收光子能量后产生本征吸收或杂质吸收，从而改变物质电导率的现象。光电导器件（光敏电阻）：利用光电导效应，制成电导率随入射光辐射量变化而变化的器件。光敏电阻特点：体积小、坚固耐用、价格低廉、光谱响应范围宽。,中国是光敏电阻生产大国,一、光敏电阻,1光敏电阻的结构及工作原理,把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压作用下，光照射改变电路的电流大小。,光敏电阻参数：黑暗环境电阻值很高，光照使电阻值下降。,本征半导体光敏电阻：可见光波段杂质半导体光敏电阻：红外、远红外波段,光敏电阻,书P23，中间一段。,1光敏电阻的结构及工作原理,光敏电阻结构设计的基本原则（书P23，中间文字）：尽可能缩短光敏电阻两极间的距离。梳形结构、蛇形结构,1光敏电阻的结构及工作原理,制造光敏电阻的材料：紫外光敏电阻器：硫化镉、硒化镉。红外光敏电阻器：硫化铅、碲化铅、硒化铅、锑化铟导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信。可见光光敏电阻器：硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌。自动开关门户，航标灯、路灯等照明系统自动亮灭自动给水和自动停水装置照相机自动曝光装置，烟雾报警器，光电跟踪系统,1光敏电阻的结构及工作原理,制作工艺：采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制做很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。,1光敏电阻的结构及工作原理,光敏电阻是纯电阻器件：没有极性，可加直流电压、交流电压。,2.1.光电特性,光敏电阻的光电流与光照度之间的关系。光电特性整体呈非线性，这是光敏电阻的缺点之一。,2光敏电阻特性参数,在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与流过光敏电阻的电流之间的关系。光敏电阻符合欧姆定律。伏安特性近似直线，而且没有饱和现象。受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线。,2.2.伏安特性,2光敏电阻特性参数,2.3.频率特性,频率特性曲线：相对灵敏度Kr与光强变化频率f之间的关系；,多数光敏电阻的时延都较大，因此不能用在要求快速响应的场合。,2光敏电阻特性参数,光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的关系。硫化镉的峰值在可见光区域硫化铊的峰值在红外区域选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑。,是指光电器件的输出与入射光波长（或频率）的关系。,2.4.光谱特性,2光敏电阻特性参数,2.5.温度特性,光敏电阻受温度影响较大：当温度升高时，它的暗电阻会下降。温度变化对光谱特性有很大影响：光谱温度特性曲线的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。为了提高精度、为了能接受远红外光而采取降温措施。,2光敏电阻特性参数,光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。,2.6.时间和频率响应：惯性大，频响低,光敏电阻的响应时间除了与元件的材料有关外，还与光照的强弱有关，光照越强，响应时间越短。,2光敏电阻特性参数,初制成的光敏电阻，由于内部组织的不稳定性等原因，光电特性不稳定。当受到光照和外接负载后。其灵敏度有明显下降。在人为地加温、光照和加负载情况下，经过一、二星期的老化，光电性能趋向稳定后就基本上不变了。,2.7.稳定性,2光敏电阻特性参数,利用光敏电阻控制的路灯自动控制电路。该电路由两部分组成，电阻R、电容C和二极管D组成半波整流电路。CdS光敏电阻和开关J组成光控继电器。路灯接在继电器常闭触点上，由光控继电器控制灯的点燃和熄灭。,采用光敏电阻控制的路灯自动控制电路,3光敏电阻的应用,晚上光线很暗，CdS光敏电阻阻值很大，流过J的电流很小，使继电器J不动作，路灯接通电源点亮。早上，天渐渐变亮，即照度逐渐增大，CdS光敏电阻受光照后，阻值变小，流过J的电流逐渐增大，当照度达到一定值时，流过继电器的电流足以使J动作，使其闭合，其常闭触点断开，路灯熄灭。,采用光敏电阻控制的路灯自动控制电路,3光敏电阻的应用,夜间汽车的自动开门：把光敏电阻装在大门上，汽车灯光能照到的地方，把带动大门的电动机接在干簧管的电路中，那么夜间汽车开到大门前，灯光照射光敏电阻时，干簧继电器接通电动机电路，电动机带动大门打开。干簧管是一种磁敏的特殊开关。,3光敏电阻的应用,窗帘自动拉开把光敏电阻作为晶体管的偏流电阻。这样当有光照时晶体管导通，驱动继电器接通电动机，将窗帘打开。,3光敏电阻的应用,二、光生伏特器件,光生伏特器件：是利用光生伏特效应制造的光电敏感器。,光生伏特器件与光电导器件的对比：光生伏特器件是少数载流子导电，暗电流小噪声低、响应速度快、受温度影响小。光电导器件是多数载流子导电，光谱响应范围宽、能够检查微弱辐射。,光生伏特效应的材料：硅、锗、砷化镓,书P28，下面一段文字,二、光生伏特器件,PN结的光生伏特效应：PN结内部存在一个电场，吸收光产生的电子空穴对被电场分离，两端形成电势差。,PN结光电器件和普通二极管PN结差别：在不加光照时，它们的特性很相似。在结构上有明显的区别：普通二极管PN结被遮蔽起来，不受光照射；结型光电器件必须受光照射。,二、光生伏特器件,1光电池,光电池：是将光能直接转换成电能的PN结光电器件。大面积的薄片PN结。不需要外加偏置电压（这一点要注意，后续讲的光电二极管多数情况是加反向电压工作）。,太阳能光电池：电源，转换效率高、成本低测量光电池：光电检测，传感性能指标,光电池,硒光电池（很少用）：稳定性差、转换效率低、寿命短、可见光硅光电池：应用最广、成本低、有发展前途、可见光+红外光、用于野外灯塔、无人气象站、微波站砷化镓光电池：紫外+可见光，耐受宇宙射线的辐射，用于宇宙飞船、卫星、太空探测器，转换效率最高锗光电池：近红外区,光电池,1光电池,1.1.光电池的基本结构和工作原理,结构：在N型硅片上扩散P型杂质，形成PN结；大面积的薄片,PN,结,N,P,E,a,),结构示意图,b,),图形符号,光照射P区表面时，P区内每吸收一个光子便产生一个电子-空穴对，P区表面吸收的光子最多，激发的电子-空穴最多，越向内部越少。电子-空穴浓度差形成从表面向体内扩散的自然趋势。PN结内电场使扩散的电子-空穴对分离，光生电子被推向N区，光生空穴被留在P区。N区带负电，P区带正电，形成光生电动势。,工作原理：,I,光,光电池的工作原理示意图,P,N,1光电池,(1)光照特性：开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线。,1.2.光电池的特性参数,L/klx,L/klx,5,4,3,2,1,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,2,4,6,8,10,开路电压,Uoc/V,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.3,0.1,0,1,2,3,4,5,Uoc/V,Isc/mA,Isc/mA,(a)硅光电池,(b)硒光电池,开路电压,短路电流,短路电流,当照度为2000lx时趋向饱和,1.2.光电池的特性参数,光电池在不同照度下，其内阻也不同。,硒光电池在不同负载电阻时的光照特性,负载电阻RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。,1.2.光电池的特性参数,(2)光谱特性光电池的光谱特性决定于材料。,1硒光电池2硅光电池,硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。,1.2.光电池的特性参数,(3)频率特性是指输出电流随调制光频率变化的关系。光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。,1硒光电池2硅光电池,硅光电池较高的频率响应硒光电池较差的频率响应光电池常用调制光输入,1.2.光电池的特性参数,（4）温度特性（通常的测试指标在室温下进行）是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。,温度影响光电池的温度漂移作为测量元件时，最好保持温度恒定，或采取补偿措施。,1.2.光电池的特性参数,两种典型应用,（1）光伏器件太阳能电池。探索新能源、美开普勒号（类地行星、生命迹象）目前太阳能电池成本不能与常规能源竞争成本会逐渐下降电源：硅光电池组+镍镉蓄电池（2）光电转换器件灵敏度高、响应时间短、特殊制造工艺用于光电检测和自动控制系统中,1.3.光电池的应用,三、光敏二极管和光敏三极管,2CU系列：N-Si衬底、两条引线2DU系列：P-Si衬底、三条引线,硅光电二极管,光电二极管,1.光敏二极管一个结面积小的PN结（光电池的结面积大）频率特性特好有硅、锗、砷化镓、锑化铟光电二极管等多种。在电路中处于反向工作状态,光电池与光电二极管：书P35，上面一段文字,P,N,光,光敏二极管符号,RL,光,P,N,光敏二极管接线,1.光敏二极管,没有光照射时（如同普通二极管反向）：反向电阻很大，反向电流很小，光敏二极管为截止状态；只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流，即暗电流；受光照射时：PN结吸收光子能量，产生电子-空穴对，使P区和N区的少数载流子浓度大大增加；在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，使通过PN结的反向电流大为增加，形成光电流。,1.1.光敏二极管的工作原理,光敏二极管的光照特性（光电流I与照度）呈线性关系，适合检测。,PIN管结光电二极管结构特点：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。,1.1.光敏二极管的工作原理,特点：频带宽，可达10GHz：PN结的内电场就基本上全集中于I层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小，频带变宽。承受高反向电压：I层很厚，在反偏压下可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。输出电流小：I层电阻很大，管子的输出电流小。,1.1.光敏二极管的工作原理,雪崩光电二极管(APD)是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应的二极管。,二极管反向击穿：可能造成PN结永久性损坏，不同型号二极管的反向击穿电压差别很大，从几十伏到几千伏，包括齐纳击穿、雪崩击穿。齐纳击穿指在高掺杂浓度的情况下，因势垒区宽度很小，反向电压较大时，破坏了势垒区内共价键结构，使价电子脱离共价键束缚，产生电子-空穴对，致使电流急剧增大。雪崩击穿指反向电压较大时，外加电场使电子漂移速度加快，从而与共价键中的价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生新的电子-空穴对。新产生的电子-空穴被电场加速后又撞出其它价电子，载流子雪崩式地增加，致使电流急剧增加。,特点：工作电压很高：约100200V，接近于反向击穿电压；雪崩效应：结区内电场极强，光生电子得到极大的加速，与晶格碰撞产生电离雪崩反应，内增益很高，电流增益可达102106响应速度特别快：带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的光电二极管。噪声大在光通信中应用前景广阔,雪崩光电二极管(APD),1.2.光敏二极管的基本特性,（1）光谱特性在入射度一定时，输出的光电流（或相对灵敏度）随光波波长的变化而变化。一种光敏二极管只对一定波长的入射光敏感。,（2）伏安特性,在较低反向电压下，光电流随反向偏压的变化较为明显。,1.2.光敏二极管的基本特性,（3）光照特性,1.2.光敏二极管的基本特性,（4）温度特性,温度变化对光敏二极管输出电流影响较小,但对暗电流的影响却十分显著.,1.2.光敏二极管的基本特性,光敏二极管阵列,将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起，用来同时探测多个不同光信息，并将这些信息转换为电信号的器件。,类型：有两种：PNP型和NPN型。结构：与一般三极管很相似，具有电流增益；基极不接引线；,P,P,N,N,N,P,e,b,b,c,RL,E,e,c,2.光敏三极管,原理：常态：集电极加正电压，基极开路，集电极处于反向偏置状态。光照时：光线照射在集电结的基区时，产生电子-空穴对，在内电场的作用下，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便有大量的电子流向集电极，形成输出电流，集电极电流为光电流的倍。,2.1.光敏三极管的工作原理,最佳灵敏度的波长,（1）光谱特性,2.2.光敏三极管的主要特性,当入射光波长增加时：相对灵敏度下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光波长缩短时：相对灵敏度也下降，是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。,2.2.光敏三极管的主要特性,硅的峰值波长为9000；锗的峰值波长为15000；由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差；在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；对红外线进行探测时，则采用锗管较合适。,2.2.光敏三极管的主要特性,0,500lx,1000lx,1500lx,2000lx,2500lx,I/mA,2,4,6,20,40,60,80,光敏晶体管的伏安特性,（2）伏安特性,光敏三极管在不同照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同基极电流时的输出特性一样。将入射光产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管把光信号变成电信号，且输出的电信号较大。,U/V,2.2.光敏三极管的主要特性,光敏晶体管的光照特性,（3）光照特性是输出电流I和照度之间的关系；,光电三极管的线性度比光电二极管要差；光电流和灵敏度比光电二极管大几十倍；在弱光时灵敏度低些，强光时出现饱和现象。,2.2.光敏三极管的主要特性,光敏晶体管的温度特性,（4）温度特性是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系；温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大；电子线路中应该对暗电流进行温度补偿。,2.2.光敏三极管的主要特性,（5）频率特性光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。,0,100,1000,500,5000,10000,20,40,60,100,80,RL=1k,RL=10k,RL=100k,入射光调制频率/HZ,相对灵敏度/%,图光敏晶体管的频率特性,2.2.光敏三极管的主要特性,四、光电管,真空光电管：真空（防止氧化）充气光电管：充低压惰性气体,光电管,典型结构：球形玻璃壳(真空、低压惰性气体)内半球面上涂一层光电材料作为阴极球心放置小球形或小环形金属作为阳极,基于外光电效应，将微弱光信号转换成电信号的光电器件。通常应用于自动控制、光度学测量和强度调制光的检测。,阳极材料：金属阴极材料：碱金属、汞、金、银等,碱金属：指的是元素周期表A族的金属元素：锂、钠、钾等，是金属性很强的元素，表现出较强的导电、导热性。,四、光电管,K为阴极，内表面涂有感光层（光电发射材料）。A为阳极，呈圆环形或网形（金属）。光照在阴极上，从阴极层发射光电子至真空。在正向电场作用下，光电子在极间作加速运动，最后被高电位的阳极接收。,结构和工作原理：,在阳极电路可测出光电流，饱和电流与入射光强度有严格比例关系。,四、光电管,特点：光电阴极面积增大，灵敏度提高。缺点：体积比较大、工作电压高达百伏到数百伏、玻壳容易破碎。逐渐被固体光电器件取代。,四、光电管,（1）伏安特性光照射在光电管的光阴极上能够激发出能量不同的电子。阳极电压低时，只有能量高的电子能够到达阳极，升高阳极电压使低能量的电子也能到达阳极。所以曲线低端，阳极电压越高，光电管的输出电流越大。根据爱因斯坦光量子假说，一个光子的能量只能传给一个电子。当光照强度（光通量）一定时，光子的总数就是一定的，所能够激发的电子总数就是一定的，当阳极电压升高到一定值后，所有被激发出的电子都到达了阳极，再升高阳极电压也不会有更多的光电子到达阳极。所以阳极电压到达一定值后，电流达到饱和。此时若要增加光电流，只能增加光通量（增加光子的数量）。,四、光电管,（2）光电管的光谱特性一般对于不同光电阴极材料的光电管，它们有不同的哄限频率。因此他们可用于不同的光谱范围。而且，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。,四、光电管,（3）光电管的光照特性,四、光电管,当光电管的阳极和阴极之间所加的电压一定是，光通量与光电流之间的关系称为光电管的光照特性。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流与光通量成线性关系；曲线2表示锑铯阴极的光电管光照特性，它呈非线性关系。光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。,灵敏度很高，把微弱光信号转变成电信号，进行放大。使光电子数目得到成倍放大，放大倍数可达106109。在红外、可见和紫外波段检测微弱光信号最灵敏的器件之一，广泛应用于微弱光信号的测量、核物理领域及频