半导体光电检测器件课件

半導體光電檢測器件第一節光敏電阻原理及結構特性參數特點典型電路一、原理及結構1、原理：光敏電阻阻值對光照特別敏感，是一種典型的利用光電導效應製成的光電探測器件。對於本征型，可用來檢測可見光和近紅外輻射對於非本征型可以檢測波長很長的輻射2、結構：組成：它由一塊塗在絕緣基底上的光電導材料薄膜和兩端接有兩個引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內。電極和光電導體之間呈歐姆接觸。三種形式⑴梳狀式玻璃基底上蒸鍍梳狀金屬膜而製成；或在玻璃基底上面蝕刻成互相交叉的梳狀槽，在槽內填入黃金或石墨等導電物質，在表面再敷上一層光敏材料。如圖所示。絕緣基底光電導體膜⑵刻線式在玻璃基片上鍍制一層薄的金屬箔，將其刻劃成柵狀槽，然後在槽內填入光敏電阻材料層後製成。其結構如下圖所示。注意：與梳狀式的區別⑶塗膜式在玻璃基片上直接塗上光敏材料膜後而製成。其結構如右下圖所示。2、光敏電阻在電路中的符號二、特性參數1、光電流及增益無光照時流過器件的電流稱暗電流，由入射光引起的稱光電流。

增益可理解為：樣品中每產生一個光生載流子所構成的流入外電路的載流子數。

若G>1,即單位時間流過器件的電荷數大於器件內光激發的電荷，從而使電流得到放大。增益係數：光電流與入射光引起的單位時間電荷量的比值。由上式可知：①、減小樣品長度可以大大提高增益；②、增加載流子的壽命也可提高增益。光敏面作成蛇形，電極作成梳狀是因為這樣即可以保證有較大的受光表面，也可以減小電極之間距離，從而既可減小極間電子渡越時間，也有利於提高靈敏度。2.光電導靈敏度定義為光電導與輸入光照度E之比。

：光電導（西門子S）

E

：照度（勒克斯lx）：入射通量（流明lm)注意：靈敏度與光電增益的區別（1）靈敏度是光電導體在光照下產生光電導能力的大小。（2）增益指在工作狀態下，各參數對光電導效應的增強能力。材料特性結構參數3、光電特性：光電流與照度的關係：：光照指數：電壓指數由圖可知：（1）弱光時，與照度成線性關係即得（2)強光時，光電流與照度成拋物線，即得強光照下光電特性的分析：光照增強的同時，載流子濃度不斷的增加，同時光敏電阻的溫度也在升高，從而導致載流子運動加劇，因此複合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢。（冷卻可以改善）4、伏安特性：在一定的光照下，光電流與所加電壓的關係

一定的光照下，與電壓的關係;

相同的電壓下，與光照的關係

說明：（1)光敏電阻為純電阻，符合歐姆定律，對多數半導體，當電場強度超過（強光時），不遵守歐姆定律。硫化鎘例外，其伏安特性在100多伏就不成線性了。（2）光照使光敏電阻發熱，使得在額定功耗內工作，其最高使用電壓由其耗散功率所決定，而功耗功率又和其面積大小、散熱情況有關。（3）伏安特性曲線和負載線的交點即為光敏電阻的工作點。5、溫度特性：溫度的變化，引起溫度雜訊，導致其靈敏度、光照特性、回應率等都發生變化。為了提高靈敏度，必須採用冷卻裝置，尤其是雜質型半導體受溫度影響更明顯。6．前曆效應

指光敏電阻的時間特性與工作前“歷史”有關的一種現象。即測試前光敏電阻所處狀態對光敏電阻特性的影響。

暗態前曆效應：指光敏電阻測試或工作前處於暗態，當它突然受到光照後光電流上升的越慢程度。一般，工作電壓越低，光照度越低，則暗態前曆效應就越重。1-黑暗放置3分鐘後

2-黑暗放置60分鐘後

3-黑暗放置24小時後亮態前曆效應：光敏電阻測試或工作前已處於亮態，當照度與工作時所要達到的照度不同時，所出現的一種滯後現象。其效應曲線如下圖所示。7、暗電阻和暗電流：光敏電阻在黑暗時的阻值稱為暗電阻，一般情況下，暗電阻都大於10兆，受光照時的阻值稱為亮阻。暗阻與亮阻的比值也可作為衡量靈敏度的高低，比值越大，靈敏度越高。8、時間頻率回應：時間特性與光照度、工作溫度有明顯的依賴關係。9、雜訊特性：熱雜訊、產生複合雜訊、雜訊與調製頻率的關係如下所示：（1)紅外：減小溫漂，使信號放大，可調製較高的（2）製冷可降低熱雜訊（3）恰當的偏置電路，可使信噪比最大10、光譜特性：相對靈敏度與波長的關係

可見光區光敏電阻的光譜特性光譜特性曲線覆蓋了整個可見光區，峰值波長在515～600nm之間。尤其硫化鎘的峰值波長與人眼的很敏感的峰值波長（555nm）是很接近的，因此可用於與人眼有關的儀器，例如照相機、照度計、光度計等。

紅外區光敏電阻的光譜特性注明：此特性與所用材料的光譜回應、製造工藝、摻雜濃度和使用的環境溫度有關。三、光敏電阻的特點1、優點：靈敏度高，光電導增益大於1，工作電流大，無極性之分光譜回應範圍寬，尤其對紅外有較高的靈敏度所測光強範圍寬，可測強光、弱光2、不足：強光下光電轉換線性差光電導弛豫時間長受溫度影響大由伏安特性知，設計負載時，應考慮額定功耗進行動態設計時，應考慮光敏電阻的前曆效應四、光敏電阻的電路1、基本偏置電路：（1）第一種：

將第一種電路中的與互換位置，即另一種偏置電路。（2）分析兩種情況下輸出電壓的變化：（3）和電源的選取原則：

a.光通量連續變化時，

b.光通量跳躍變化時，

c.，為最大允許功耗2、恒流、恒壓偏置電路：（1）恒流偏置電路：採用穩壓管D,故不變，所以不變，因此也不變。（2）恒壓偏置電路：同樣不變，故不變，由於減小，故增大。導致變化。而輸出電壓不變。第二節光電池光電池是一種利用光生伏特效應製成的不需加偏壓就能將光能轉化成電能的光電器件。簡單的說，其本質就是一個PN結。表示電子表示空穴（一）結構原理1、金屬-半導體接觸型（硒光電池）

2、PN結型結型光電池，是在N型（或P型）半導體表面上擴散一層P型（或N型）雜質，形成PN結。（1）按基底材料不同分2DR（P型Si為基底）

2CR（N型Si為基底）注意：1、上、下電極區分2、上電極柵指狀目的3、受光表面塗保護膜的目的（2）、按用途陣列式：分立的受光面象限式：參數相同的獨立光電池矽藍光電池：PN結距受光面很近

陣列式象限式

（二）分類按用途太陽能光電池：用作電源（效率高，成本低）測量用光電池：探測器件（線性、靈敏度高等）按材料矽光電池：光譜回應寬，頻率特性好硒光電池：波譜峰值位於人眼視覺內薄膜光電池：CdS增強抗輻射能力紫光電池：PN結0.2~0.3µm,短波峰值600nm（三）符號及電路

符號連接電路等效電路（四）特性參數1、光照特性：2、輸出電流與負載大小的關係：3、伏安特性：光電流與電壓的關係：4、VLS、ILS

、

PL與負載RL的關係：據伏安特性先求負載線，再求負載功率；據開路電壓、短路電流求最佳負載線5、光譜特性：電路電流隨波長變化情況取決於所用材料與工藝6、溫度特性：（五）應用1、光電池用作太陽能電池把光能直接轉化成電能，需要最大的輸出功率和轉化效率。即把受光面做得較大，或把多個光電池作串、並聯組成電池組，與鎳鎘蓄電池配合，可作為衛星、微波站等無輸電線路地區的電源供給。2、光電池用作檢測元件利用其光敏面大，頻率回應高，光電流與照度線性變化，適用於開關和線性測量等。第三節光敏二極體1、與普通二極體相比:共同點：一個PN結，單向導電性不同點：（1）受光面大，PN結面積更大，PN結深度較淺（2）表面有防反射的SiO2保護層（3）外加負偏壓2、與光電池相比：共同點：均為一個PN結，利用光生伏特效應，

SiO2保護膜不同點：（1）結面積比光電池的小，頻率特性好（2）光生電勢與光電池相同，但電流比光電池小（3）可在零偏壓下工作，更常在反偏壓下工作3、性能參數光照下PN結電壓與光電流之間關係（1）伏安特性：反向偏壓與光電流之間的關係（2）光照特性：光電流與照度的關係

15V反向偏壓時的光照特性曲線

（3）、光譜特性

影響因素：材料：禁帶寬度設計工藝：PN結深度及表面處理（4）暗電流與雜訊：在直流偏壓下，暗電流是雜訊的主要來源；暗電流主要包括反向飽和電流，勢壘區的複合（或產生）電流以及表面漏電流。

環極的作用是：克制由於SiO2保護膜中的雜質正離子靜電感應。（5）頻率特性：是半導體光電器件中最好的一種，與下列因素有關：結電容（小於20µµF)和雜散電容光生載流子在薄層中的擴散時間及PN結中的漂移時間要提高頻率回應必須做到以下幾點：1、合理的結面積（小的結面積可使Cj減小，但相同光照下，光電流也較小）；2、盡可能大的耗盡層厚度；3、適當加大使用電壓；4、減小結構所造成的分佈電容。4、電路：光敏二極體的輸出電路及等效電路：由等效圖可知：計算上限頻率5、光敏二極體的分類按材料矽光敏二極體鍺光敏二極體化合物光敏二極體按結特性：

PN結（擴散層、耗盡層）、PIN結、異質結、肖特基結6、幾種常見的光敏二極體（1）肖特基結光敏二極體：光敏面小，勢壘電容小，回應快，但工藝困難。（2）擴散層PN結光敏二極體：耗盡層厚度小於結的任一邊的擴散長度，工作區是結兩邊的擴散區，光電流主要由擴散流引起。(3)耗盡層型PN結光敏二極體：耗盡層厚度大於結的任一邊的擴散長度，光電轉換主要在耗盡層內，光電流主要由漂移電流引起的。有很高的頻率回應。（4）PIN型（2DUL型）光電二極體

PIN管結構示意圖在P、N型之間加進了較厚的本征半導體I型層，內電場基本上集中於I層上，PN結間距拉大，結電容變小；提高回應速度；由於耗盡層變寬，從而展寬了光電轉換的有效工作範圍；增加了吸收層厚度，改善了對長波光的吸收，提高了靈敏度，增大了長波回應率。

（5）雪崩型光電二極體APD是具有內部倍增放大作用的光電二極體，利用PN結勢壘區的高反向電壓下強電場作用產生載流子的雪崩倍增而得到。工作過程：初始的載流子在強電場的作用下獲得很大的動能，其在高速運動過程總與晶體的晶格碰撞，產生新的電子空穴對，稱為碰撞電離過程。此過程