第3章 结型光电器件

第3章结型光电器件§3.1结型光电器件的工作原理§3.2硅光电池§3.3硅光电二极管和硅光电三极管§3.4结型光电器件的放大电路§3.5特殊结型光电二极管§3.6结型光电器件的应用实例——光电耦合器件概述半导体结型光电器件是利用光生伏特效应来工作的光电探测器件。(也叫光伏探测器)1、结型光电器件的种类：光电池、光电二极管、光电晶体管、PIN光电二极管、雪崩光电二极管、光可控硅、象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD）、光电耦合器件等。2、结型光电器件的分类:可分为PN结型，PIN结型和肖特基结型等。（按结的种类不同）§3.1结型光电器件工作原理3.1.1热平衡状态下的PN结在热平衡条件下，PN结中净电流为零。如果有外加电压时结内平衡被破坏，这时流过PN结的电流方程为3.1.2光照下的PN结1、PN结光伏效应PN结受光照射时，就会在结区产生电子-空穴对。受内建电场的作用，空穴顺着电场运动，电子逆电场运动，最后在结区两边产生一个与内建电场方向相反的光生电动势，（？）这就是光生伏特效应。

PN结的两种工作模式:光伏工作模式和光电导工作模式？？2、光照下PN结的电流方程有光照情况当负载电阻RL断开(IL＝0)时，p端对n端的电压称为开路电压，用Voc表示SE

为光电灵敏度Ip>>I0当负载电阻短路(即RL=0)时，光生电压接近于零，流过器件的电流叫短路电流，用Isc表示Ip为光电流

无光照时，伏安特性曲线与一般二极管的伏安特性曲线相同，二极管就工作在这

个状态，伏安特性曲线处于第一象限。（？电压）受光照后，光生电子-空穴对在电场作用下形成大于I0的光电流，并且方向与I0相同，因此曲线将沿电流轴向下平移到第四象限，平移的幅度与光照的变化成正比，即Ip=SEE。伏安特性曲线处于第四象限。（？电压）3、PN结接上负载后的伏安特性当PN结上加有反偏压时，暗电流随反向偏压的增大有所增大，最后等于反向饱和电流I0，而光电流Ip几乎与反向电压的高低无关。伏安特性曲线处于第三象限。（？电压）光电池、光电二极管各工作在哪个工作模式？在第三象限中，外加反向偏压。通常把光电导工作模式的光伏探测器称为光电二极管，因为它的外回路特性与光电导探测器十分相似。在第四象限中，外偏压为零。流过探测器的电流仍为反向光电流，随着光功率的不同，出现明显的非线性。这时探测器的输出是通过负载电阻RL上的电压或流过RL上的电流来体现，因此，称为光伏工作模式。通常把光伏工作模式的光伏探测器称为光电池。应特别注意，光电流总是反向电流，而光电流在RL上的电压降，对探测器产生正向偏置称为自偏压，当然要产生正向电流。最终两个电流抵消，伏安曲线终止于横轴上。光电池的概述按用途光电池可分为太阳能光电池和测量光电池。

2DR以什么为衬底？光电池外形光敏面能提供较大电流的大面积光电池外形光电池的应用1、光电探测器件利用光电池做探测器有频率响应高，光电流随光照度线性变化等特点。2、将太阳能转化为电能实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成电池组。其他光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能硅光电池板光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电光电池在动力方面的应用光电池在人造卫星上的应用§3.2硅光电池

光电池的主要功能是在不加偏置的情况下能将光信号转换成电信号硅光电池按基底材料不同分为2DR型和2CR型。2DR型硅光电池是以P型硅作基底，2CR型光电池则是以N型硅作基底，然后在基底上扩散磷（或硼）作为受光面。构成PN结后，分别在基底和光敏面上制作输出电极，涂上二氧化硅作保护膜（防潮防腐，减少反射），即成光电池。如下图所示。工作原理如下图所示(a)结构示意图(b)符号（c）电极结构为便于透光和减小串联电阻硅光电池的电流方程3.2.1.硅光电池的基本结构和工作原理3.2.2.硅光电池的特性参数1.光照特性光照特性主要有伏安特性、照度-电流电压特性和照度-负载特性。硅光电池的伏安特性，表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。式中，ID是结电流，I0是反向饱和电流，是光电池加反向偏压后出现的暗电流。

不同照度时的伏-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？？硅光电池的电流方程式当E=0时当IL＝0时，RL=∞(开路)时，光电池的开路电压，以Voc表示式中SE表示光电池的光电灵敏度，E表示入射光照度。当IP>>I0当RL＝0时所得的电流称为光电池短路电流，以ISC表示Uoc一般为0.45～0.6V，最大不超0.756v，因为它不能大于PN结热平衡时的接触电势差。短路电流与照度、开路电压与照度、负载电流与照度的关系？2.光谱特性

硅光电池的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生的短路电流与入射光波长之间的关系，一般用相对响应表示。在线性测量中，不仅要求光电池有高的灵敏度和稳定性，同时还要求与人眼视见函数有相似的光谱响应特性。下图是2CR型硅光电池的光谱曲线(右)，其响应范围为0.4～1.1μm，峰值波长为0.8～0.9μm，右图中的硒光电池的光谱响应曲线与视见函数相似。3.频率特性下图是硅光电池的频率特性曲线。由图可见，负载大时频率特性变差，减小负载可减小时间常数τ，提高频响。但是负载电阻RL的减小会使输出电压降低，实际使用时视具体要求而定。（为什么？）4．温度特性

光电池的温度特性曲线主要指光照射时它的开路电压Voc与短路电流Isc随温度变化的情况。光电池的温度曲线如下图所示。它的开路电压VOC随着温度的升高而减小，其值约为2～3mV／oC；短路电流Isc随着温度的升高而增大，但增大比例很小，约为10-5～10-3mA/oC数量级。

光电二极管的概述光电二极管的分类光电二极管的工作模式§3.3硅光电二极管和硅光电三极管光电二极管是基于PN结的光电效应工作的，它主要用于可见光及红外光谱区。光电二极管通常在反偏置条件下工作，也可用在零偏置状态。制作光电二极管的材料有硅、锗、砷化镓、碲化铅等，目前在可见光区应用最多的是硅光电二极管。3.3.1.硅光电二极管结构及工作原理——P62硅光电二极管的结构和工作原理与硅光电池相似，不同的地方是：①就制作衬底材料的掺杂浓度而言，光电池较高，约为1016～1019原子数／厘米3，而硅光电二极管掺杂浓度约为1012～1013原子数／厘米3；②光电池的电阻率低，约为0.1～0.01欧姆／厘米，而硅光电二极管则为1000欧姆／厘米，③光电池在零偏置下工作，而硅光电二极管在反向偏置下工作；④一般说来光电池的光敏面面积都比硅光电二极管的光敏面大得多，因此硅光电二极管的光电流小得多，通常在微安级。

光电二极管的表示符号和电路接法1、硅光电二极管在电路中的表示符号2、2CU电路接法3、2DU电路接法2DU电路接法3.3.2.硅光电三极管

硅光电三极管具有电流放大作用，它的集电极电流受基极电路的电流控制，也受光的控制。所以硅光电三极管的外型有光窗，管脚有三根引线的也有二根引线的，管型分为PNP型和NPN型两种，NPN型称3DU型硅光电三极管，PNP型称为3CU型硅光电三极管。以3DU型为例说明硅光电三极管的结构和工作原理。如下图中以N型硅片作衬底，扩散硼而形成P型，再扩散磷而形成重掺杂N+层。在N+侧开窗，引出一个电极并称作“集电极c”，由中间的P型层引出一个基极b，也可以不引出来，而在N型硅片的衬底上引出一个发射极e，这就构成一个光电三极管。工作时需要保证集电极反偏置，发射极正偏置。？？3CU型硅光电三极管它的基底材料是p型硅，工作时集电极加负电压，发射极加压。？？

为了改善频率响应，减小体积，提高增益，已研制出集成光电晶体管，它是在一块硅片上制作一个硅光电二极管和三极管

3.3.3.硅光电三极管与硅光电二极管特性比较

1.光照特性

光照特性是指硅光电二极管和硅光电三极管的光电流与照度之间的关系曲线，图3-14是硅光电二极管和硅光电三极管的光照特性曲线。由图可见，硅光电二极管的光照特性的线性较好，而硅光电三极管的光电流在弱光照时有弯曲，强光照时又趋向于饱和，只有在中间一段光照范围内线性较好，这是由于硅光电三极管的电流放大倍数在小电流或大电流时都要下降而造成的。2.伏安特性

伏安特性表示为当入射光的照度(或光通量)一定时，光电二极管和光电三极管输出的光电流与所加偏压的关系。硅光电管的伏安特性曲线（不同之处见P65）

硅光电二极管硅光电三极管IL－T特性ID－T特性3．温度特性硅光电二极管和硅光电三极管的光电流和暗电流均随温度而变化，但硅光电三极管因有电流放大作用，所以它的光电流和暗电流受温度影响比硅光电二极管大得多，如图3-16所示。由于暗电流的增加，使输出信噪比变差，必要时要采取恒温或补偿措施。下图为光电管的温度特性4.频率响应特性硅光电二极管的频率特性主要决定于光生载流子的渡越时间。在实际使用时，应根据频率响应要求选择最佳的负载电阻。下图为用脉冲光源测出的2CU型硅光电二极管的响应时间与负载RL的关系曲线，从图中可以看出当负载超过104Ω以后，响应时间增加得更快。（负载减小，上下响应时间也减小？？）二极管的负载电阻与响应时间的关系三极管的频率响应特性（UCE=5V,T=25℃）硅光电二极管、PIN管和雪崩光电二极管、硅光电三极管的时间常数见P66§3.4结型光电器件的放大电路结型光电器件一般用三极管或集成运算放大器对输出信号进行放大和转换。3.4.1结型光电器件与放大三极管的连接

由于硅三极管和锗三极管导通时射极-基极电压大小不同，所以才有以上三种不同的变换电路。以下列出了硅光电池的3种光电变换电路，用以放大光电流图中(a)所示电路是用锗三极管放大光电流；图(b)、(c)所示电路是用硅三极管放大光电流。要注意的是，上面所示的三种电路都是以晶体三极管基极-射极间的正向电阻作为硅光电池的负载，因此硅光电池几乎是工作在短路状态，从而获得线性工作特性的。

3.4.2结型光电器件与运算放大器的连接

集成运算放大器因结构简单、使用方便而广泛应用于光电变换器件之中。一般光电二极管与运算放大电路的连接方式有下图所示三种方式。三种电路的区别是光电二极管接的位置不同(1)电流放大型:图(a)是电流放大型IC变换电路，硅光电二极管和运算放大器的两个输入端同极性相连，运算放大器两输入端间的输入阻抗Zin是硅光电二极管的负载电阻；(2)电压放大型:图(b)是电压放大型IC变换电路，硅光电二极管与负载电阻RL并联且硅光电二极管的正端接在运算放大器的正端；(3)阻抗变换型:图(c)是反向偏置的硅光电二极管具有恒流源性质而和电池串联在一体。三种电路各有优缺点，但都适用于光功率很小的场合。(a)(b)(c)§3.5特殊结型光电器件3.5.1象限探测器

象限探测器实质是一个面积很大的结型光电器件，很像一个光电池；它是利用光刻技术，将一个圆形或方形的光敏面窗口分隔成几个有一定规律的的区域(但背面仍为整片)，每一个区域相当于一个光电二极管。在理想情况下，每个光电二极管应有完全相同的性能参数。但实际上它们的转换效率往往不一致，使用时必须精心挑选

光斑偏向P2区，则输出电压U>0，其大小反映光斑偏离程度；光斑偏向P1区，则输出电压U<0，其大小反映光斑偏离程度典型的象限探测器有四象限光电二极管和四象限硅光电池等，也有二象限的硅光电池和光电二极管等。

象限探测器有以下几个缺点（3个）：①表面分割，而产生死区，光斑越小死区的影响越明显；②若光斑全部落入一个象限时，输出的电信号将无法区别光斑的准确位置；③测量精度易受光强变化的影响，分辨率不高。

3.5.2PIN型光电二极管1）普通PIN型光电二极管

一般PIN型光电二极管又称快速光电二极管，它的结构分三层，即在P型半导体和N型半导体之间夹着较厚的本征半导体i层，如下图所示。

PIN中的I是“本征”意义的英文略语。当其工作频率超过100MHz时，由于少数载流子的存贮效应和“本征”层中的渡越时间效应，其二极管失去整流作用而变成阻抗元件，并且，其阻抗值随偏置电压而改变。在零偏置或直流反向偏置时，“本征”区的阻抗很高；在直流正向偏置时，由于载流子注入“本征”区，而使“本征”区呈现出低阻抗状态。因此，可以把PIN二极管作为可变阻抗元件使用。它常被应用于高频开关（即微波开关）、移相、调制、限幅等电路中。这种管子最大的特点是频带宽，可达10GHz。另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。缺点:由于I层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。PIN光电二极管因有较厚的I层，因此具有以下四点优点:a)使PN结的结间距离拉大，结电容变小。目前PIN光电二极管的结电容一般为零点几到几个微微法，响应时间tr＝1～3ns，最高达0.1ns。b)由于内建电场基本上全集中于I层中，使耗尽层厚度增加，增大了对光的吸收和光电变换区域，量子效率提高了。c)增加了对长波的吸收，提高了长波灵敏度，其响应波长范围可以从0.4～1.1µm。d)可承受较高的反向偏压，使线性输出范围变宽。补充：光电位置探测器（PSD）

PositionSensitiveDetectorsPSD是利用离子注入技术制成的一种可确定光的能量中心位置的结型光电器件，有一维的和二维的两种。当入射光是一个小光斑，照射到光敏面时，其输出则与光的能量中心位置有关。这种器件和象限光电器件比较，其特点是（3点补充）：它对光斑的形状无严格要求光敏面上无象限分隔线对光斑位置可连续测量

2）特殊结构的PIN型光电二极管--光电位置传感器(PSD)

光电位置传感器是一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的PIN型光电二极管，面积较大，其输出信号与光点在光敏面上的位置有关。一般称为PSD。a、PSD的工作原理和位置表达式PSD包含有三层，上面为p层，下面为n层，中间为i层，它们全被制作在同一硅片上，p层既是光敏层，还是一个均匀的电阻层。

电极③上输出的总电流为I0=I1+I2通过这个公式可确定光斑能量中心对于器件中心（原点）的位置xAI1和I2为电极上的光电流b、光电位置传感器(PSD)的分类

一般PSD分为两类：一维PSD和二维PSD。一维PSD主要用来测量光点在一维方向的位置，二维PSD用来测定光点在平面上的坐标(x,y)

（1）一维PSD

（2）二维PSD

二维PSD的感光面是方形的,按其电极位置可分为三种形式。一维PSD感光面大多做成细长矩形。1.两面分离型PSD2.表面分离型PSD3.改进表面分离型PSDc．PSD转换放大电路（一维、二维）d、光电位置传感器的特征和用途____P72光电位置传感器的特点光电位置传感器应用e、使用PSD时的注意事项（4点）____P73(1)注意与光源的光谱匹配(2)注意所加电压不宜太大也不能太小，以免影响PSD的响应频率。(3)注意使用PSD时的环境温度（一维、二维PSD光谱响应曲线）(4)注意位置测量误差范围3.5.3雪崩光电二极管(APD)

雪崩光电二极管是借助强电场产生载流子倍增效应(即雪崩倍增效应)的一种高速光电二极管，如下图所示。

雪崩倍增效应：当在光电二极管上加一相当高的反向偏压（100-200V）时，在结区产生一个很强的电场。结区产生的光生载流子受强电场的加速将获得很大的能量，在与原子碰撞时可使原子电离，新产生的电子-空穴对在向电极运动过程中又获得足够能量，再次与原子碰撞，又产生新的电子-空穴对。这一过程不断重复，使PN结内电流急剧增加，这种现象称为雪崩倍增效应。

为了实现均匀倍增，衬底材料的掺杂浓度要均匀，缺陷要少；同时在结构上采用保护环。保护环的作用是增加高阻区宽度，减小表面漏电流，避免边缘过早击穿。这种APD有时也称为保护环雪崩光电二极管，记作GAPD。

3.5.4紫外光电二极管

紫外光是频率很高的电磁波，由于半导体材料对电磁波的吸收与波的频率有关，频率越高吸收越大，所以大多数紫外光生载流子将产生在材料的表面附近，还没有到达结区就因密度太大而被复合掉，响应率很低。

研究和分析认为，制造时采用浅PN结和肖特基结的结构，可以增强对蓝、紫波长光的吸收和响应率。1.蓝、紫增强型硅光电二极管已经研制的蓝、紫光增强型硅光电二极管，具有PN结浅、电子扩散长度大和表面复合速率小等三方面的优点。目前生产的系列紫外光电二极管的光谱范围从190～1100nm。2．肖特基结光电二极管肖特基势垒是由金属与半导体接触形成的。所以可以把肖特基势垒光电二极管看作是一个结深为零，表面覆盖着薄而透明金属膜的PN结。既然结深为零，因此能吸收入射光中相当一部份蓝、紫光和几乎所有的紫外线，吸收后所激发的光生载流子在复合之前就会被强电场扫出，这就提高了光生载流子的产生效率和收集效率，改善了器件的短波响应率。一般利用金或铝分别与Si、Ge、GaAs、GaAsP、GaP等半导体材料接触，制得各种肖特基结光电二极管。3.5.5半导体色敏器件半导体色敏器件是根据人眼视觉的三色原理，利用不同结深的光电二极管对各种波长的光谱响应率不同的现象制成的。1．半导体色敏器件的工作原理下图半导体色敏器件的结构示意图和等效电路。从图可见，它由在同一块硅片上制造两个深浅不同的PN结构成，其中PD2为深结，它对长波长的光响应率高；PD1为浅结，它对波长短的光响应率高。又称为双结光电二极管。右下图双结光电二极管的光谱响应特性。结构示意图等效电路深结浅结12光谱响应特性2．双结硅色敏器件的检测电路

根据双结光电二极管等效电路，可以设计如下图所示的信号处理电路，图中PD1、PD2为两个深浅不同的硅PN结，最后得到不同颜色的输出电压值：等效电路信号处理电路可以识别混合色光的3色色敏光电器件。图3-23为非晶硅集成色敏器件的结构示意图。

它是在一块非晶硅基片上制作3个检测元件，并分别配上R、G、B滤色片，得到如图3-24所示的近似于1931CE-RGB系统光谱3刺激值曲线，通过R、G、B输出电流的比较，即可识别物体的颜色。

各种色标传感器外形色标传感器能识别红、绿、蓝等颜色色标传感器外形（续）色标传感器在流水线上检测产品的颜色

用多个色标传感器测量薄板的颜色产品包装色彩检测、分选§3.6结型光电器件的应用实例--光电耦合器件

光电耦合器件是发光器件与接收器件组合的一种元件。发光器件常采用发光二极管；接收器件常用光电二极管、光电三极管及光集成电路等。它以光作媒介把输入端的电信号耦合到输出端，因此也称为光电耦合器。发光二极管、光电二极管、光电三极管等都是结型光电器件，所以它们的组合也是结型光电器件的典型应用。如下图所示

光电耦合器件的特点：具有体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强、输出和输入之间隔离、可单向传输信号等特点。2．光传感器

按结构的不同，光传感器可分为透过型和反射型两种。透过型光传感器又称光断续器，它是将保持一定距离的发光器件和光接收器件相对组装而成，如下图所示

3.6.2.光电耦合器件的基本电路

光电耦合件的电路包括驱动和输出两部分若发光器件和光接收器件以某一交叉角度安