3-3半导体光电检测器件.ppt

第三节半导体光电检测器件,光电导型光电器件：光敏电阻光生伏型光电器件：光电池光电二极管光电三极管,一、光敏电阻,（一）光敏电阻的结构及工作原理光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理：基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。,当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即hEg(eV)式中和入射光的频率和波长。从而使光电导体电导率增加,半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部，但扩散深度有限因此光电导体一般都做成薄层电极一般采用疏状图案。由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。,1-光导层;4-电极;7-电阻引线。2-玻璃窗口;5-陶瓷基座;3-金属外壳;6-黑色绝缘玻璃;,CdS光敏电阻的结构和符号,光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如下图所示。优点：光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。,（二）光敏电阻的主要参数和基本特性（1）暗电阻、亮电阻、光电流暗电流Id：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流为Id,连线电路图,亮电流IL：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流。光电流I光：亮电流与暗电流之差。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。,实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M,甚至高达100M，而亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之比在102106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高.（2）光照特性下图表示CdS光敏电阻的光照特性：在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。光照特性曲线:在弱光呈线性，在强光时呈非线性。,不足之处：不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中用作：光电开关。,（3）增益GG=U/L2（4）灵敏度(a)光电导灵敏度Sg=g/E=gA/由欧姆定律，得I=SgEU(b)电阻灵敏度SR=(Rd-R亮)/RdR/Rd(c)比灵敏度S比=SI/U=I光/（U）,（5）光谱特性光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。,（6）伏安特性在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。,1硫化镉2硒化镉3硫化铅,图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流,的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏（7）频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的延时特性。由于不同材料的光敏电阻延时特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。,硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的延时都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。,（8）稳定性曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定，以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升，有些样品阻值下降，,但最后到一个稳定值后达就不再变了。这就是光敏电阻的主要优点。光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是无限长的。,（9）温度特性灵敏度、暗电阻等受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。,（10）噪声当工作频率f=1MHz时，主要为热噪声。,二、光电池,光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压就能将光能转化成电能的光电器件。简单的说，其本质就是一个PN结。,PN结的光生伏特效应PN结受到光照时：光线足以透过P型半导体入射到PN结，对于能量大于材料禁带宽度的光子，由于本征吸收，就可激发出电子空穴对。内建电场把N中的空穴拉向P区，把P中的电子拉向N区。大量的积累产生一个与内建电场相反的光生电场，即形成一个光生电势差。,注意：PN结产生光生伏特的条件与照射光的强度无关；光生伏特大小与照射光的强度成正比开路光电压、短路光电流与入射光功率之间的关系：若入射光作用下产生光生电压为U、光生电流为Ip，入射光功率为P。在PN结两端通过负载RL构成回路及等效电路为,由节点定律，得光生伏特器件（1）在零偏压；（2）反向偏压下工作（更常见）。,（二）特性参数1输出特性（1）伏安特性由（245）式，当I=0时，得开路电压,V=0时，得短路电流ISC=IL=SL(2)输出特性最大输出功率负载功率：PL=VI=I2LRL当RL=0,V=0,PL=0当RL趋于无穷大时，I=0,PL=0有最大的Pmax,得负载电阻RLROPt,（一）结构原理,1、金属-半导体接触型（硒光电池）2、PN结型结型光电池，是在N型（或P型）半导体表面上扩散一层P型（或N型）杂质，形成PN结。,（二）分类,（1）按基底材料分类2DR（P型Si为基底）2CR（N型Si为基底）,（2）按结构分类阵列式：分立的受光面象限式：参数相同的独立光电池硅蓝光电池：PN结距受光面很近,阵列式象限式,（3）按用途分类太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低）测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等）（4）按材料分类硅光电池：光谱响应宽，频率特性好硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内薄膜光电池：CdS增强抗辐射能力紫光电池：PN结0.20.3m，短波峰值：600nm,（三）特性参数,1、光照特性L为光亮度(书P22),2、输出电流与负载大小的关系3、伏安特性光电流与电压的关系,（四）应用,1、光电池用作太阳能电池把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转化效率。即把受光面做得较大，或把多个光电池作串、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给。,2、光电池用作检测元件利用其光敏面大，频率响应高，光电流与照度线性变化，可制成：（1）光开关（2）线性测量(如光电读数、光栅测量、激光准直）等,三、光敏二极管,1.与普通二极管相比共同点：一个PN结，单向导电性不同点：（1）受光面大，PN结面积更大，PN结深度较浅（2）表面有防反射的SiO2保护层（3）外加负偏压,2.与光电池相比共同点：均为一个PN结，利用光生伏特效应，SiO2保护膜。不同点：（1）结面积比光电池的小，频率特性好（2）光生电势与光电池相同，但电流比光电池小（3）可在零偏压下工作，更常在反偏压下工作,3.性能参数（1）伏安特性,（2）光照特性光电流与照度的关系15V反向偏压时的光照特性曲线,（3）光谱特性影响因素：材料：禁带宽度设计工艺：PN结深度及表面处理（4）暗电流与噪声在直流偏压下，暗电流是噪声的主要来源,（5）频率特性是半导体光电器件中最好的一种，与下列因素有关：结电容（小于20F)和杂散电容光生载流子在薄层中的扩散时间及PN结中的漂移时间,要提高频率响应必须做到以下几点：合理的结面积（小的结面积可使Cj减小，但相同光照下，光电流也较小）；尽可能大的耗尽层厚度；适当加大使用电压；减小结构所造成的分布电容。,4、电路光敏二极管的输出电路及等效电路：由等效图可知：,光敏二极管等效电路,5、光敏二极管的分类按材料分类：硅光敏二极管锗光敏二极管化合物光敏二极管按结的特性：PN结（扩散层、耗尽层）PIN结异质结肖特基结,6、几种常见的光敏二极管（1）肖特基结光敏二极管（金属与半导体接触）光敏面小，势垒电容小，响应快，但工艺困难。（2）扩散层PN结光敏二极管耗尽层厚度小于结的任一边的扩散长度，工作区是结两边的扩散区，光电流主要由扩散流引起。,（3）耗尽层型PN结光敏二极管耗尽层厚度大于结的任一边的扩散长度，光电转换主要在耗尽层内，光电流主要由漂移电流引起的。有很高的频率响应。,（4）PIN型（2DUL型）光电二极管是PIN管结构示意图在P、N型之间加进了较厚的本征半导体I型层，内电场基本上集中于I层上，PN结间距拉大，结电容变小；提高响应速度；,由于耗尽层变宽，从而展宽了光电转换的有效工作范围；增加