硅光电二极管在光电检测技术中的发展

1、硅光电二极管在光电检测技术中的发展(读书报告)班级：110111学号：110111111姓名：刘平贵2014年6月- 1 -一、前言 “光电二极管” 英文通常称为 Photo-Diode。而硅光电二极管是其按照材料类别分类的一种。首先先从光电二极管说起，光电二极管和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但是，在电路中不是用它作整流元件，而是通过它把光信号转换成电信号。同时，光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度约大，反向电流也约大。光的变化引起光电二极管电流变化，这

2、就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。其中PIN型硅光电二极管具有快速、廉价、兼顾、灵敏度高、量子效率高、体积小、重量轻、可靠性好、使用方便等特点。它不仅在工农业生产、军事、科研、天文地理中得到广泛的应用，而且在航天航空遥感中也有很好的使用，因此，硅光电二极管具有广泛的发展前景。二、结构工作原理（按结特性分析） 1、PN结型硅光电二极管硅光电二极管同光电池一样，按基底材料不同可分为2DU型和2CU型。2CU系列以N-Si为衬底，2CU系列光电二极管只有两个引出线；2DU系列以P-Si为衬底，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。1)2DU管子,当管子加反

3、偏压时，从前极流出的暗电子流，除了有PN结的反向漏电子流外，还有通过表面感应电子层产生的漏电子流，从而使从前极流出的暗电子流增大。为了减小暗电流，设置一个N+-Si的环把受光面（N-Si）包围起来，并从N+-Si环上引出一条引线（环极），使它接到比前极电位更高的电位上，为表面漏电子流提供一条不经过负载即可达到电源的通路;2)2CU管子，因为是以N-Si为衬底，虽然受光面的SiO2防反射膜中也含有少量的正离子，而它的静电感应不会使N-Si表面产生一个和P-Si导电类型相同的导电层，从而也就不可能出现表面漏电流，所以不需要加环极。2、PIN结型硅光电二极管PIN型硅光电二极管是一种常用的耗尽层型光

4、电二极管，通过适当的选择耗尽层的厚度，可获得较高的灵敏度和叫好的频率响应特性，适用于快速探测的场合。PIN型光电二极管的工作原理和普通光电二极管一样，其不同之处在于结构上在P型和N型之间加入了一个本征半导体I型层。当PN结受到光照射时，光子和半导体晶格原子相互作用，当入射光子能量E=hv超过硅材料禁带宽度E0=hv0，就在耗尽层区域中或离耗尽层区边沿一个扩散长度内产生电子空穴对，这种电子空穴对被外加电场拉开，电子向N区漂流，空穴向P区飘移，当载流子的移动通过耗尽层时，在外电路形成光电流。这是PIN硅光电二极管的工作原理。同时，由于PIN硅光电二极管能选择耗尽层的厚度，是灵敏度和响应速度组佳化，

5、故它是比PN硅光电二极管更为优越的探测器。三、硅光电二极管器件性能参数1、电学特性（1）暗电流：- 2 -在光电导模式下，当不接受光照时，通过光电二极管的电流被定义为暗电流。暗电流包括了辐射电流以及半导体结的饱和电流。暗电流必须预先测量，特别是当光电二极管被用作精密的光功率测量时，暗电流产生的误差必须认真考虑并加以校正。（2）电容：硅光电二极管的电容包括结电容、管壳电容、引线电容、金属化电容等。2、光学特性（1）响应率：硅光电二极管的响应特性与突发光照波长的关系响应率（responsivity）定义为光电导模式下产生的光电流与突发光照的比例，单位为安培/瓦特（A/W）。响应特性也可以表达为量子

6、效率（Quantum efficiency），即光照产生的载流子数量与突发光照光子数的比例。（2）光谱噪声IN和探测率DA：光电二极管的噪声来自散粒噪声与热噪声.弱光照射时，散粒噪声小于热噪声 ，强光照射时，散粒噪声大于热噪声。PIN硅光电二极管的噪声主要是由暗电流决定的。它的大小直接反映器件对微弱信号的探测能力，其主要表现为散粒噪声的性质。（3）响应速率：响应特性标志着光电二极管对快速突变光信号的传输响应。影响响应速度的是，光生载流子的扩散时间。若对PIN型硅光电二极管以耗尽层为主要工作区，扩散时间可忽略。（4）均匀性和稳定度：采用小光点测量，PIN硅光电二极管器件表面的灵敏度的不均匀性为m

7、ax=2.1%。3、可靠性和稳定性：所谓器件的可靠性是指器件在规定的条件下，在一定时间内能正常工作的概率。而稳定性是指器件在各种环境条件下储存或工作以后各技术参数的变化。硅光电器件的可靠性和稳定性，直接与器件的材料、结构、使用目的，以及使用电路的电学、热学条件、温度、湿度、压力、放射性辐射、振动、冲击、腐蚀等密切相关。四、硅光电二极管在光电检测电路中的分析及应用1、硅光电二极管的基本结构及等效电路Rs 是串联电阻，由接触电阻、未耗尽层材料的体电阻所组成, Cd 是结电容, Rs 、Cd 的大小同管子尺寸、结构和偏压有关, 偏压越大, Rs 、Cd 越小, Rd 是硅光电二极管的并联电阻, 由硅

8、光电二极管耗尽层电阻和漏电阻所构成.它也是随温度的变化而变化的, 与管子尺寸有关.结面积越小, Rd 越大.温度越高, Rd 越小。D为PN 结等效二极管, RL 为负载电阻, CL 为负载电容。- 3 -2、硅光电二极管的线性响应与负载电阻的关系在光电检测电路中当检测信号是缓变信号时, 电容Cd 、CL 的影响忽略不计, 此时, 由图硅光电二极管的等效电路可知, 通过等效二极管D 的电流为：式中I0是光电二极管的反向饱和电流, q 是电子电量, k 是波尔兹曼常数, Ud是加在硅光电二极管上的电压, 常数A 对于硅材料而言 3 , A 2 , VT =kT/2 , 流过负载上的电流IL 为：

9、由上式可知, 硅光电二极管接受激光辐射时, 输出的负载电流并非线性关系, 而是指数关系.在输出短路的情况下, 由于Rs RL , 则上式变为如果二极管的向饱和电流很小, 而输出电流不大, 即保持IsRL AVT , 可得到IL Ip , 即输出电流近似等于光电流, 也就是线性好.因此, 硅光电二极管进行激光测量时要选取Rf 大、Rs 小、I0 小的二极管, 并在输出短路状态下工作.下面推导硅光电二极管的线性公式:设硅光电二极管的线性偏差为P =(Ip -IL)/ IL ，得：由式可以定性看出Rs 越小,Rd 越大, I0 越小时, 线性P 值越小, 即线性好.在负载短路状态下, RL =0 ,

10、一般RS Rd , 故式可简化为由式可见:只要I0 和Rs 值很小, 则线性偏差值很小, 即线性好.对于2CUGS 型硅光电二极管,其暗电流I0 =2 .1nA , 串联电阻Rs =10, 常数A =2 在常温下计算得1/AVT 20(1/ V).带入(7)式可得不同输出短路电流情况下的IL P曲线.如图所示.由图可见其线性很好, 但输出电流IL 1mA时,P值增加很快, 硅光二极管的线性变差.当RL 0时, 又考虑(RL +Rs) Rd 的情况下,式化简为下式：（图为2CUGS型硅光电二极管短路状态下线性偏差IL-P曲线）综上式可得, 在IL不为零时, 随着RL的增大P值增大,线性变坏.若取

11、R =100欧,- 4 -1千欧时, 则在其它条件不变的情况下所得的IL P 曲线如图所示：（不同RL值是2CUGS型硅光电二极管线性偏差IL-P）3、硅光电二极管应用：（1）在光电阴极与硅光电二极管的结合中的应用荷兰D E P 公司最近推出一种混成光电倍增管, 这是一种全新的概念。这种光电倍增管由一个传统的光电阴极和一个硅光电二极管构成, 两者都装在同一个管子内。光电阴极把光子转换成电子, 电子得到加速后聚焦在硅光电二极管上。这种光电倍增管的增益与加速电压成正比, 其主要特点是响应时间短(2 ns)、增益高( 3103 )、线性度好(104)；（2）二极管阵列检测器（diode-array

12、detector, DAD）是以光电二极管阵列（或CCD阵列，硅靶摄像管等）作为检测元件的。它可构成多通道并行工作，同时检测由光栅分光，再入射到阵列式接受器上的全部波长的信号，然后，对二极管阵列快速扫描采集数据，得到的是时间、光强度和波长的三维谱图。（3）硅光电二极管在光纤探测器中的应用；（4）硅光电二极管在CCD中的应用等。五、硅光电二极管在光电检测方面的发展1、国内发展：硅光电二极管的新发展在各种波长(蓝、近紫外)激光器迅速发展情况下,探测这些波长的激光硅光电二极管有了新的发展。蓝、近紫外激光的新应用是,用可调染料激光器进行吸收研究,对于有机分子键的分解和激光多普勒测速。2、国外发展：新产

13、品性能新型的硅光电二极管是通过平面扩散、氧钝化制备的,响应率改进了2057。美国联合探测器技术公司目前已进入试生产。六、自身通过学习对硅光电二极管技术的认知通过这一学期对光电技术的学习加之自身对光电检测知识的了解，我深切认识到伴随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高，光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用发展起来的新兴学科，已成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分。光电检测作为光电信息技术的主要技术之一，它是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接受光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，再经模数转换等接口输入计算机运算处理，最后显示输出所需要的检测物理量等参数。- 5 -而光电二极管便是光电检测系统的重要组成部分，它是检测系统中进行光电转换的重要元件，同时，硅光电二极管的发展也给光电检测技术的发展带来了新的方向。当然，于此同时，硅光电二极管技术在光电检测中的发展也为我国工农业、航天、军事、医疗等各方面提供了有利的技术保障与支持。七、参考文献1 苏俊宏 等，光电技术基础J.国防工业出版社2011，ISBN978-7-118-07635-6.2 安毓英、曾晓东，光电探测原理.西