半導(dǎo)體光電探測器的原理及其應(yīng)用

1、半導(dǎo)體光電探測器摘要：本文介紹了光電與系統(tǒng)的組成、一些半導(dǎo)體光電探測器的工作原理及其特性，最后闡述了光電導(dǎo)探測器與光伏探測器的區(qū)別。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體光電探測器，光電系統(tǒng)，光電導(dǎo)探測器，光伏探測器引言光電探測器是一種受光器件，具有光電變換功能。光敏器件的種類繁多，有光敏電阻、光電二極管、光電三極管、光晶閘管、集成光敏器件等；有雪崩型的及非雪崩型的；有PN結(jié)型、PIN結(jié)型及異質(zhì)結(jié)型的等。由于光電探測器的響應(yīng)速度快，體積小，暗電流小,使之在光纖通訊系統(tǒng)、光纖測試系統(tǒng)、光纖傳感器、光隔離器、彩電光纖傳輸、電視圖象傳輸、快速光源的 光探測器、微弱光信號的探測、激光測距儀的接收器件、高壓電路中的光電測量及光

2、電互感 器、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸、光電自動(dòng)控制及光測量等方面得到了廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體光電探測器是用半導(dǎo)體材料制作的能接收和探測光輻射的器件。光照射到器件的光敏區(qū)時(shí)，它就能將光信號轉(zhuǎn)變成電信號， 是一種光電轉(zhuǎn)換功能的測光元件。 它在國防和工 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著重要和廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體光電探測器可分為光電導(dǎo)型和光伏型兩種。光電導(dǎo)型是指各種半導(dǎo)體光電導(dǎo)管， 即光敏電阻；光伏型包括光電池、P-N結(jié)光電二極管、PIN光電二級管、雪崩光電二極管、光電三級管等。本文首先介紹了光電系統(tǒng)的組成，然后分別介紹其工作原理及其特性，最后將這兩類探測器進(jìn)行比較。一、光電子系統(tǒng)的組成現(xiàn)代光電子系統(tǒng)非常復(fù)雜，但它的基本組成可用圖I來說

3、明：待傳送信號經(jīng)過編碼器編碼后加到調(diào)制器上去調(diào)制光源發(fā)出的光，被調(diào)制后的光由發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)發(fā)送出去發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)又稱為發(fā)射天線， 因?yàn)楣獠ㄊ且环N電磁波， 發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)所起的作用和無線電發(fā)射天線 所起的作用完全相同發(fā)送出去的光信號經(jīng)過傳輸介質(zhì)，如大氣等，到達(dá)接收端由接收光學(xué)系統(tǒng)或接收天線將光聚焦到光電探測器上，光電過長距離傳輸后會衰減，使接收到的信號一般很弱，因此需要用前置放大器將其放大，然后進(jìn)行解碼，還原成發(fā)送端原始的待傳送信號，最后由終端顯示器顯示出來 圖1-1光電子系統(tǒng)圖二、半導(dǎo)體探測器的原理1、光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器主要是通過電陰值的變化來檢測，以下我將以光敏電阻為例介紹其工作原理。光敏電

4、阻又稱光導(dǎo)管，它沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無光照時(shí) , 光敏電阻值（暗電阻）很大 , 電路中電流（暗電流）很小。 當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時(shí) , 它的阻值（亮電阻）急劇減少 , 電路中電流迅速增 大。 一般希望暗電阻越大越好 , 亮電阻越小越好 ,此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級 , 亮電阻在幾千歐以下。 它的工作原理圖如 2-1 圖當(dāng)沒有光照時(shí)， Rd=10 斷路當(dāng)有光照時(shí)， Rd= 導(dǎo)通2、光伏探測器光伏探測器基于光照產(chǎn)生電勢差，用測電勢差的原理。它分為光電池與光電二極管兩 種類型， 光電池主要是把光能轉(zhuǎn)換為電能

5、的器件， 目前有硒光電池、 硅光電池、 砷化鎵及鍺 光電池等， 但目前運(yùn)用最廣的是硅光電池。 光電二級管分為 P-N 結(jié)光電二極管、 PIN 光電二 級管、雪崩光電二極管、光電三級管等。以下我將分別介紹其工作原理及其特性。1） P-N 結(jié)光電二級管2） PIN 光電二級管PIN 光電二極管又稱快速光電二極管， 與一般的光電二極管相比， 它具有不的時(shí)間常量， 并使光譜響應(yīng)范轉(zhuǎn)向長波方向移動(dòng)，其峰值波長可移至 1.041.06um 而與 YAG 激光器的發(fā) 射波長相對應(yīng)。它具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，所以通常用于弱光檢測（線性） 。它的結(jié)構(gòu)圖如 2-3 所示，它是由 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體之間夾了一

6、層本征半導(dǎo)體構(gòu) 成的。因?yàn)楸菊靼雽?dǎo)體近似于介質(zhì)，這就相當(dāng)于增大了 P-N 結(jié)結(jié)電容兩個(gè)電極之間的距離， 使結(jié)電容變得很小。 其次，P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體中耗盡層的寬度是隨反向電壓增加而加 寬的，隨著反偏壓的增大，結(jié)電容也要變得很小。由于I層的存在，而P區(qū)一般做得很薄，入射光子只能在 I 層內(nèi)被吸收，而反向偏壓主要集中在 I 區(qū)，形成高電場區(qū)， I 區(qū)的光生載 流子在強(qiáng)電場作用下加速運(yùn)動(dòng)， 所以載流子渡越時(shí)間常量 （）減小， 從而改善了光電二極管 的頻率響應(yīng)。同時(shí) I 層的引入加大了耗盡區(qū)，展寬了光電轉(zhuǎn)換的有效工作區(qū)域，從而使靈敏 度得以提高。3）雪崩光電二級管雪崩光電二級管（APD ）是得用光

7、生載流子在高電場區(qū)內(nèi)的雪崩效應(yīng)而獲得光電流增益， 具有靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，通常用于激光測距、激光雷達(dá)、弱光檢測（非線性）。APD 雪崩倍增的過程是：當(dāng)光電二極管的 p-n 結(jié)加相當(dāng)大的反向偏壓時(shí)，在耗盡層內(nèi) 將產(chǎn)生一個(gè)很高的電場， 它足以使在強(qiáng)電場區(qū)漂移的光生載流子獲得充分的動(dòng)能，通過與晶格原子碰撞將產(chǎn)生新的電子 -空穴對。新的電子 -空穴對在強(qiáng)電場作用下，分別向相反的方向 運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中又可能與原子碰撞再一次產(chǎn)生新的電子-空穴對。如此反復(fù)，形成雪崩式的載流子倍增加。這個(gè)過程就是 APD 的工作基礎(chǔ)。APD 一般在略低于反向南穿電壓值的反偏壓下工作。 在無光照時(shí)， p-n 結(jié)不會發(fā)生雪

8、崩 倍增效應(yīng)。但結(jié)區(qū)一旦有光照射， 激發(fā)出的光生載流子就被臨界強(qiáng)電場加速而導(dǎo)致雪崩倍增。 若反向偏壓大于反向擊穿電壓時(shí)， 光電流的增益可達(dá) （十的六次方） 即發(fā)生“自持雪崩倍增” 由于這時(shí)出現(xiàn)的散粒噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以致使器件無法使用。4）光電三級管光電三級管與光電二極管比較， 光電三級管輸出電流較大， 一般在毫安級， 但光照特性 較差，多用于要求輸出電流較大的場合。 光電三極管有pnp和npn型兩種結(jié)構(gòu)，常用材料有 硅和鍺。例如用硅材料制作的 npn 型結(jié)有 3DU 型， pnp 型有 3CU 型。采用硅 npn 型光電三 極管，其暗電流比鍺光電三極管小，且受溫度變化影響小，所以

9、得到位廣泛應(yīng)用。下面以3DU 型光電三極管為例說明它的結(jié)構(gòu)、工作原理與主要特性。3DU型光電三極管是以 p型硅為基極的三極管，如圖2-4 (a)所示。由圖可知，3DU管的結(jié)構(gòu)和普通晶體管類似， 只是在材料的摻雜情況、 結(jié)面積的大小和基極引線的設(shè)置上和 普通晶體管不同。因?yàn)楣怆娙龢O管要響應(yīng)光輻射，受光面即集電結(jié)(bc 結(jié))面積比一般晶體管大。 另外， 它是利用光控制集電極電流的， 所以在基極上既可設(shè)置引線進(jìn)行電控制， 也 可以不設(shè)，完全同光一控制。它的工作原理是工作時(shí)各電極所加的電壓與普通晶體管相同， 即要保證集電結(jié)反偏置， 發(fā)射正偏聽偏置。 由于集電結(jié)是反偏壓， 在結(jié)區(qū)有很強(qiáng)的內(nèi)建電場， 對 3DU 管來講，內(nèi)建電場方向是由 c 到 b 的。和光電二極管工作原理相同，如果有光照到 集電結(jié)上，激發(fā)電子 -空穴對，接著這些載流子被內(nèi)建電場分離，電子流向集電極，空穴流 向基極，相當(dāng)于外界向基極注入一個(gè)控制電流lb=lp。因?yàn)榘l(fā)射擊隊(duì)結(jié)是正偏置的，空穴則留在基區(qū)，使基極電位升高，發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極流向集電極，總的集電極電流為 lc=lp+ 3 lp=(1+ 3 )lp，式中B為電流增益系數(shù)。由此可見，光電三極管的集電結(jié)是光電變換 部分。 同時(shí)集電極、 基極、 發(fā)射極構(gòu)成一個(gè)有放大作用的晶體