第六章--光电子技术

1、第六章：第六章： 光伏探测器光伏探测器光伏探测器光伏探测器：利用半导体利用半导体p-np-n结光伏效应制作结光伏效应制作 的探测器的探测器; ;探测器类型探测器类型：根据内建电场形成的结势垒的不根据内建电场形成的结势垒的不 同，有同，有p-np-n结势垒，结势垒，PINPIN结势垒结势垒, , 金属半导体的肖特基势垒金属半导体的肖特基势垒 等。等。主要内容主要内容: :光电池、光电二极管、光电池、光电二极管、PINPIN光电二极光电二极 管、雪崩二极管、光电三极管等管、雪崩二极管、光电三极管等6.1 6.1 光伏探测器的工作原理光伏探测器的工作原理 -+p n 无光照无光照 光照光照 (-)

2、+ _+ + + _+ + + (-)(+) 光照光照 内建电场内建电场p-n结结 光生载流子光生载流子 形成光生电动势形成光生电动势 在外回路形成电流在外回路形成电流1 1、光生电动势的产生过程、光生电动势的产生过程2 2、光照后产生的电流：、光照后产生的电流：两部分电流：光电流两部分电流：光电流I Ip p 光生电压产生的正向电流光生电压产生的正向电流I I PkTevsoIeII) 1(/（6.1） PIheP(没有内增益没有内增益) ) 1(/kTeVsoeII结区的总电流结区的总电流I I为：为：V为光生电动势，为光生电动势，Iso反向饱和电流反向饱和电流 3、光照后的伏安特性曲线、

3、光照后的伏安特性曲线 第一象限：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：第三象限：p-n结加反向偏压，此时p-n结暗电流IDIsoIp, IIp+Iso= Ip, 光探测器多工作在这个区域。总结：光伏探测器工作于总结：光伏探测器工作于 反偏电压状态反偏电压状态 l4 4、光伏探测器的两个重要参数：、光伏探测器的两个重要参数： (1)(1)开路电压开路电压;(2);(2)短路电流短路电流; ; （1 1）光伏探测器）光伏探测器p-np-n结开路电压结开路电压V Vococ( (光电池的重要参数光电池的重要参数) ) 开路时，即开路时，即I=0I=0时

4、，由公式时，由公式(6.1)(6.1)得到电压为得到电压为：) 1ln() 1ln(sohPesopocIekTIIekTV(6.2) （2 2）短路电流（光电二极管的参数）短路电流（光电二极管的参数） 短路时，短路时，V=0, IV=0, I+ +=0=0PheIPI短 （6.3） PkTevsoIeII) 1(/6. 2.,6. 2.,光伏探测器的噪声光伏探测器的噪声l 噪声主要有：（噪声主要有：（1 1）散粒噪声（）散粒噪声（2 2）热噪声）热噪声 总噪声为：总噪声为： dNRfkTfeIi422反偏工作时，反偏工作时，R Rd d非常大，因热噪声可忽略不计。非常大，因热噪声可忽略不计。

5、 总噪声为：总噪声为：feIiN 22I 主要由暗电流和光电流组成，因此主要由暗电流和光电流组成，因此, ,fIIeiPDN)(22（6.4） （1 1）无光照时：）无光照时： 在零偏置时：流过在零偏置时：流过p-np-n结的电流包含热激发产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：零，而对噪声的贡献是叠加的，因此总噪声为：feIfeIfeIiiiDDDNNN422222当器件处于负偏压工作时：由于当器件处于负偏压工作时：由于I ID D0 0 ，上式写，上式写成：成：feIiDN 22

6、总结：无光照时，负偏压可以抑制噪声总结：无光照时，负偏压可以抑制噪声（2 2）有光照时：）有光照时：偏压为偏压为0 0时，流过时，流过p-np-n结的电流有三部分，总噪声为：结的电流有三部分，总噪声为：fIIefIIIeiiiiPDPDDpNNNN)2(2 )(22222当器件处于负偏压工作时，由于由于当器件处于负偏压工作时，由于由于I ID D0 0，因此总，因此总噪声为：噪声为：fIIeiPDN)(22总结：为降低暗电流噪声，探测器需工作在负偏压总结：为降低暗电流噪声，探测器需工作在负偏压6.36.3光伏探测器的性能参数光伏探测器的性能参数l （1 1）响应率：）响应率： 由由6.26.2

7、式，可得电压响应率为：式，可得电压响应率为： ) 1ln(soPocvIIePkTPVR在弱光照射下，即在弱光照射下，即I Ip pIIsoso时，上式可以写为：时，上式可以写为：sosoPvIhkTIIePkTR1（6.5） 反向饱和电流为：反向饱和电流为：dnoPPponnsoAPLDnLDeI)(n npopo和和p pnono为少数载流子浓度；为少数载流子浓度；D Dn n和和D Dp p分别为电子和空穴的扩分别为电子和空穴的扩散系数，散系数，L Ln n、L Lp p分别为电子和分别为电子和空穴的扩散长度，空穴的扩散长度，A Ad d为探测器为探测器的光敏面积。的光敏面积。)1ln(

8、)1ln(sohPesopocIekTIIekTVl (2) 探测率：探测率：Rv与器件工作温度、光敏面的面积、少数载流子的浓与器件工作温度、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。度和扩散有关；而与与外偏压无关。21*)(fAVRDdNVl只考虑散粒噪声且在弱光条件下：只考虑散粒噪声且在弱光条件下：零偏压时零偏压时弱光条件下有：弱光条件下有： feIfIIIeiDPDDN4)(22sosoPvIhkTIIePkTR1因此探测率因此探测率为为 ：212210*)4()(LDdvvfReIfARDb b）反偏压工作）反偏压工作时时弱光条件下有：弱光条件下有： feIfIIei

9、DPDN2)(22212210*)2()(LDdvvfReIfARD 反偏压工作时的探测率为零偏压工作时的反偏压工作时的探测率为零偏压工作时的 倍，倍，因此光伏探测器一般工作于反偏压。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。探测率与负载电阻有关，要适当选取负载电阻。2(3)(3)光谱特性光谱特性硅和锗材料硅和锗材料：近红外和可见光波段：近红外和可见光波段锗光电二极管锗光电二极管：响应峰值波长：响应峰值波长1.4um1.5um，长波，长波 限为限为1.8um，短波限为，短波限为0.41um，硅光电二极管硅光电二极管：峰值波长：峰值波长0.80.9umHgCdT

10、e、PbSnTe等光伏探测等光伏探测：通过控制温度及组：通过控制温度及组 分可以到分可以到13um和和 814um。(4) 温度特性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光伏探测器的噪声特性和光电流都与温度有关系 6.46.4光伏探测器实例光伏探测器实例-光电池及光伏探测器光电池及光伏探测器光电池：光电池：能源和探测器件；能源和探测器件；光伏探测器：光伏探测器：光电信号变换；在微弱快速信号探光电信号变换；在微弱快速信号探 测方面有重要的应用测方面有重要的应用一、光电池一、光电池光电池：光电池：不需加偏压就能把光能转换成电能；按用途不需加偏压就能把光能转换成电能；按用途分类为：分类为

11、：太阳能电池太阳能电池(转换效率高，结构简单、体积小、转换效率高，结构简单、体积小、重量轻、可靠性强、成本低重量轻、可靠性强、成本低)；测量光电池测量光电池(线性范围线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好）：在光度宽、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。学、色度学、光学精密计量和测试中有广泛的应用。硅光电池：硅光电池：工艺最成熟，应用最广泛，具有高效率、宽工艺最成熟，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。辐射等优点。单晶硅：单晶硅：变换效率最

12、高，已达以上，变换效率最高，已达以上，但价格也最贵；但价格也最贵；非晶态硅：非晶态硅：变换效率最低，但价格最便变换效率最低，但价格最便宜，最有希望用于一般发电。宜，最有希望用于一般发电。光电池材料：光电池材料：硅、硒、锗、砷化镓等四大类；硅、硒、锗、砷化镓等四大类；硒光电池：硒光电池：光谱响应与人的视觉函数很相似，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由于稳定性很差，目前已经被硅光电池取代； 砷化镓光电池：砷化镓光电池：量子效率高，噪声小，光谱响应在紫外量子效率高，噪声小，光谱响应在紫外 和可见区域，适用于光度测量；和可见区域，适用于光度测量；锗光电池：锗光电池

13、：长波响应宽，适合作近红外探测器；长波响应宽，适合作近红外探测器；(1)(1)硅光电池结构硅光电池结构国产为国产为2DR2DR和和2CR2CR型两种系列型两种系列2DR2DR结构特点：结构特点：P P型硅为基片，扩散磷形成型硅为基片，扩散磷形成n n型薄膜，型薄膜，构成构成p-np-n结。有较强的抗辐射能力，适合空间使用结。有较强的抗辐射能力，适合空间使用2CR2CR结构特点：结构特点：n n型硅为基片，扩散硼形成型硅为基片，扩散硼形成p p型薄膜，型薄膜，构成构成p-np-n结。一般在地面上作光电探测器使用。结。一般在地面上作光电探测器使用。栅状电极：栅状电极：可以有效增大光敏面积和减少电极

14、与光敏面的接可以有效增大光敏面积和减少电极与光敏面的接触电阻触电阻. .光电池工作于有负载的情况光电池工作于有负载的情况, ,其工作原理：其工作原理：负载电压为：负载电压为： LDPLRIIIRV)(工作特点工作特点： 光电池工作特性与负载关系很大。光电池工作特性与负载关系很大。I I与与P P线性线性关系要求不高，只要求关系要求不高，只要求IVIV最大。因此不同的入射最大。因此不同的入射光功率要求不同的电阻值。光功率要求不同的电阻值。 最佳负载电阻的确定方法最佳负载电阻的确定方法Voc V/mVI/ mAIsc5040302010 0RM（2 2）光谱特性：）光谱特性：光电池的光谱响应取决于

15、材光电池的光谱响应取决于材 料的性能。料的性能。S Se e: : 峰值响应波长峰值响应波长0.57um0.57um，可见光波段的敏感元件，可见光波段的敏感元件S Si i: : 光谱相应在光谱相应在0.40.41.1um1.1um，峰值响应波长，峰值响应波长0.85um0.85um(3) (3) 频率特性：频率特性：光电池的响应频率一般不太高，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。硅光电池最高截止频率仅为几十千赫。原因：原因：光敏面大光敏面大 极间电容大极间电容大电路时间常数电路时间常数 RLC较大较大(4) (4) 温度特性：温度特性：强光照射或聚焦光强光照射或聚焦

16、光束照射情况下，更束照射情况下，更要考虑光电池工作要考虑光电池工作的温度的温度二、硅光电二极管二、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。系数远小于锗，目前使用的多是硅光电二极管。图图b b：是采用单晶硅及是采用单晶硅及磷扩散工艺，称磷扩散工艺，称n np p结结构，型号为构，型号为2DU2DU。图图a a：是用是用n n型单晶硅及型单晶硅及硼扩散工艺制成，称硼扩散工艺制成，称p pn n结构，型号为结构，型号为2CU2CU。特点特点：环形：环形p-np-n结，为了消除表面漏电流，工作于较小的负偏结，为

17、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，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。因此能减小杂散背景光的干扰。伏安特性伏安特性：工作于：工作于反向偏压下，无光反向偏压下，无光照射时的暗电流照射时的暗电流I ID D=I=Isoso；光照时；光照时I Ip p，I Isoso同一方向光电二同一方向光电二极管工作于线性区极管工作于线性区域域 曲线分析曲线分析： 反偏压增加，耗尽层加宽，结电场增强，对结区反偏压增加，耗尽层加宽，

18、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，光电流饱进一步增加时，光生载流子的收集已达极限，光电流饱和。和。性能参数性能参数：响应率在：响应率在：0.40.40.6uA/uW0.6uA/uW的量级。的量级。光谱响应光谱响应：可见光：可见光+ +近红外近红外在在0.80.81um1um波段响应率最波段响应率最高，采用视觉补偿滤波器后，峰值响应波长可转移到高，采用视觉补偿滤波器后，峰值响应波长可转移到560nm560nm左右，但响应率下降。左右，但响应率下降。噪声噪声：主要是散粒噪声和热噪

19、声，弱光时，散粒噪声：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。小于热噪声，强光时，散粒噪声大于热噪声。频率响应频率响应：光电二极管的频率响应远比硅光电池高，：光电二极管的频率响应远比硅光电池高，达到达到MHzMHz量级。量级。 典型光电二极管典型光电二极管-滨松滨松(HAMAMATSU)(HAMAMATSU)公司产品公司产品: : SiSiPhotodiode S1087/S1133 SeriesPhotodiode S1087/S1133 Seriesl三、光电二极管三、光电二极管(1)(1)本征层厚度近似等于反偏压下本征层厚度近似等于反偏压下耗尽层的

20、厚度，厚度为耗尽层的厚度，厚度为500um500um左右左右(2)(2)本征层相对于本征层相对于n n区和区和p p区是高阻区是高阻区，高电阻使暗电流明显减小。反区，高电阻使暗电流明显减小。反向偏电主要集中于这个区域，形成向偏电主要集中于这个区域，形成高电场区，由于高电场区，由于p p区很薄，光电变区很薄，光电变换主要集中在本征层，强电场使光换主要集中在本征层，强电场使光生载流子渡越时间变短，改善了频生载流子渡越时间变短，改善了频率响应率响应(3)(3)本征层的引入使得耗尽层加宽，本征层的引入使得耗尽层加宽，减少了结电容，使电容时间常数变减少了结电容，使电容时间常数变小，响应时间更快小，响应时

21、间更快；引入本征层对提高器件灵敏度和频率响应起非常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。重要的作用。现有产品的现有产品的PINPIN光电二极管性能参数光电二极管性能参数滨松滨松S Si i PIN Photodiode PIN Photodiode大光敏面的大光敏面的PINPIN光电二极管光电二极管l噪噪 声声： 硅硅PINPIN中，热噪声占优势。中，热噪声占优势。 锗锗PINPIN中，暗电流散粒噪声相比较大中，暗电流散粒噪声相比较大 四、雪崩光电二极管（四、雪崩光电二极管（APDAPD） 雪崩二极管是具有内增益的光伏探测器，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

22、高电场区内的雪崩效应获得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。光电流增益，具有高灵敏度，响应快等优点。工作原理工作原理- -雪崩效应雪崩效应p-n结结 光生载流子产生光生载流子产生 获得高获得高能量，与晶格原能量，与晶格原子碰撞，晶格原子电离产生电子子碰撞，晶格原子电离产生电子-空穴对空穴对 获得高能量，再次与晶格原子碰撞获得高能量，再次与晶格原子碰撞 产生新的电子产生新的电子-空穴对。上述过程不断重复，使空穴对。上述过程不断重复，使p-n结内结内电流急剧倍增放大，这就是雪崩效应。电流急剧倍增放大，这就是雪崩效应。 强电场作用下强电场作用下 加强反偏电

23、压和光照加强反偏电压和光照 强电场作用下强电场作用下2 2、雪崩光电二极管结构、雪崩光电二极管结构 n+ n+ p SiO2 电极电极 特点特点：（：（1 1）基片杂质浓度高（电阻率低），容易产生）基片杂质浓度高（电阻率低），容易产生碰撞电离；（碰撞电离；（2 2）基片厚度比较薄，保证有高的电场强）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；（度，以便于电子获得足够的能量产生雪崩效应；（3 3）结边缘做成环状，其作用是减小表面漏电，避免边缘结边缘做成环状，其作用是减小表面漏电，避免边缘出现局部击穿。出现局部击穿。材料材料：通常采用硅或锗材料，也可用：通常采用硅或锗

24、材料，也可用III-VIII-V族化合物半族化合物半导体制作。导体制作。 3 3、雪崩二极管的特征参数、雪崩二极管的特征参数(1)(1)倍增系数倍增系数M MRMIIMI IR R：为无雪崩倍增时的：为无雪崩倍增时的p-np-n结结 的反向电流的反向电流；I IM M：有雪崩增益时的反向电流；：有雪崩增益时的反向电流； M与与p-n结上所加的反向结上所加的反向偏压、偏压、p-n结材料和结构有结材料和结构有关，可用经验公式表示关，可用经验公式表示：nBRVVM)(11V VBRBR：p-np-n结击穿电压，与器件工作温度有关，温度升高结击穿电压，与器件工作温度有关，温度升高 时增大；时增大； n

25、 n：与：与p-np-n结的材料和结构有关的常数，对于硅器件，结的材料和结构有关的常数，对于硅器件， n=1.5-4n=1.5-4，锗，锗，n=2.5-8n=2.5-8。雪崩倍增系数雪崩倍增系数M、暗电流、暗电流ID与所加偏压之间的关系与所加偏压之间的关系 ：18014010060201816141210ID M 0 154 156 158 160 162 164 VA(V) 反偏电压低时，无雪崩效应，反偏电压低时，无雪崩效应，M=1，VA增加，倍增增加，倍增系数增大。系数增大。反偏电压接近击穿电压时（最佳工作偏压：一般为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

26、数增加很快，暗电流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：含倍增过程引入的噪声，雪崩过程的散粒噪声为：fMIIefeIMikPDkNM)(222对于硅，对于硅，k k=2.3-2.5=2.3-2.5；对于锗，；对于锗，k k=3=3）。上式可以写成：）。上式可以写成：fFMIIeiPDNM22)(2)1)(11 (1 2MMrMF

27、其中其中（过量噪声因子）（过量噪声因子） r r：电子与空穴电离之比。对于硅材料，：电子与空穴电离之比。对于硅材料，r=50r=50左右，锗左右，锗材料材料，r=1r=1左右。左右。硅光电二极管噪声小于锗二极管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现有产品的雪崩光电二极管性能参数 (1) (1)体积小，有较高的灵敏度，结构紧凑，工作电体积小，有较高的灵敏度，结构紧凑，工作电 压低，使用方便压低，使用方便; ; (2) (2)性能与入射光功率有关：通常当入射光功率在性能与入射光功率有关：通常当入射光功率在 1nW1nW到几到几uWuW时，倍增电流与入射光具有较好的时

28、，倍增电流与入射光具有较好的 线性关系，适合弱光探测。线性关系，适合弱光探测。 (3)(3)同同PINPIN光电二极管相比，具有更高的灵敏度，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由于有内增益，可大大降低对前置放大器的要 求。求。 (4)(4)由于偏压较高，载流子在结区的渡越时间短，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结电容很小，所以雪崩光电二极管的响应速度 很快很快雪崩光电二极管的特点雪崩光电二极管的特点五、光电三极管五、光电三极管特点：是有电流内增益的光伏探测器特点：是有电流内增益的光伏探测器; ;(1)(

29、1)、光电三极管基本结构、光电三极管基本结构工作电压工作电压：发射结正发射结正向电压，集电结反向电向电压，集电结反向电压压材料材料：硅硅npnnpn型居多，型居多，锗锗pnppnp型居多型居多功能功能：1 1、光电转换，、光电转换，在集在集- -基结内进行，与一基结内进行，与一般二极管相同；般二极管相同；2 2、光电放大：共发射极、光电放大：共发射极放大。放大。e：发射结：发射结 b：基极基极 c：集电极：集电极电位最高电位较高电位最低（2 2）光电三极管工作原理）光电三极管工作原理光照时：光照时：基区产生电子基区产生电子- -空穴对，光生空穴对，光生电子在电场作用下漂移到集电极，形成电子在电

30、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，形成集电极，对于共发射极的三极管，形成的集电极电流的集电极电流I Ic c为为 ：因此，光电三极管主要有两方面的作用：把光信号因此，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。转换成电信号，光电流放大。PPPcIIII)1 (（为共发射极电流放大倍数）为共发射极电流放大倍数）（3 3）光电三极管特性）光电三极管特性A、伏安特性、伏安特性特点：特点：光功率等间距增大情况下，输出电流并不等

31、光功率等间距增大情况下，输出电流并不等间距增大；原因：电流放大倍数间距增大；原因：电流放大倍数随信号光电流的增随信号光电流的增大而增大所引起的。大而增大所引起的。B B 频率响应频率响应 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。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：主要影响因素：1 1、结势垒电容、结势垒电容C Cbebe,C,Cbcbc的充放电时间；的充放电时间；2 2、光、光生载流子渡越基区所需时间；生载流子渡越基区所需时间；3 3、电流流经收集区的时间。、电流流经收集区的时

32、间。改进方法：改进方法：减小结电容减小结电容C Cbebe,C,Cbcbc，合理选择负载电阻，合理选择负载电阻R RL L，减小，减小基区的厚度，减少复合，使电子快速渡越基区。基区的厚度，减少复合，使电子快速渡越基区。C C光谱特性光谱特性 硅光电三极管光谱响应峰值在：硅光电三极管光谱响应峰值在：0.80.80.9um0.9umD D应用领域应用领域 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。高的一般光电探测任务。六、碲镉汞、碲锡铅光伏探测器六、碲镉汞、碲锡铅光伏探测器(光电二极管光电二极管) 上面介绍的光伏探测器主要工作于可见和近红外，上面介