光電檢測(cè)技術(shù)3

1、第第3章章 結(jié)型光電器件結(jié)型光電器件 結(jié)型光電器件是利用光生伏特效應(yīng)工作的光電結(jié)型光電器件是利用光生伏特效應(yīng)工作的光電探測(cè)器件。探測(cè)器件。 按結(jié)的種類(lèi)不同，可分為按結(jié)的種類(lèi)不同，可分為PN結(jié)型，結(jié)型，PIN結(jié)結(jié)型和型和肖特基結(jié)肖特基結(jié)型等。型等。 光電池光電池光電光電二極管二極管光電光電晶體管晶體管PIN光電二極管光電二極管雪崩光電二極管雪崩光電二極管光可控硅光可控硅象限式光電器件象限式光電器件位置敏感探測(cè)器位置敏感探測(cè)器（PSD）光電耦合器件光電耦合器件結(jié)型光電器件包括結(jié)型光電器件包括0/0IeIIkTqVD3.1 結(jié)型光電器件工作原理結(jié)型光電器件工作原理3.1.1.熱平衡狀態(tài)下的熱平衡狀態(tài)

2、下的PN結(jié)結(jié) 在熱平衡條件下，在熱平衡條件下，PN結(jié)中凈電流為零。有外加電結(jié)中凈電流為零。有外加電壓時(shí)結(jié)內(nèi)平衡被破壞，這時(shí)流過(guò)壓時(shí)結(jié)內(nèi)平衡被破壞，這時(shí)流過(guò)PN結(jié)的電流方程為結(jié)的電流方程為? ?3.1.2.光照下的光照下的PN結(jié)結(jié)1.1.PN結(jié)光伏效應(yīng)結(jié)光伏效應(yīng) PN結(jié)結(jié)受光照射受光照射時(shí)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子時(shí)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子- -空穴對(duì)?？昭▽?duì)。受內(nèi)建電場(chǎng)的作用，空穴順著電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，電子逆電受內(nèi)建電場(chǎng)的作用，空穴順著電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，電子逆電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，最后在結(jié)區(qū)兩邊產(chǎn)生一個(gè)與內(nèi)建電場(chǎng)方向場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，最后在結(jié)區(qū)兩邊產(chǎn)生一個(gè)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為相反的光生電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)。 想一想方想一

3、想方程的表達(dá)程的表達(dá)形式形式? PN結(jié)反偏結(jié)反偏,耗盡層變寬耗盡層變寬,內(nèi)電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)加強(qiáng),漂移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)漂移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),形形成漂移電流成漂移電流.漂移電流方向?yàn)槠齐娏鞣较驗(yàn)?電源正電源正-N-P-電源負(fù)電源負(fù),方向正方向正好和擴(kuò)散電流相反好和擴(kuò)散電流相反,所以叫反向電流所以叫反向電流.反向電流由少數(shù)載流反向電流由少數(shù)載流子產(chǎn)生子產(chǎn)生,而少數(shù)載流子低且環(huán)境溫度不變時(shí)而少數(shù)載流子低且環(huán)境溫度不變時(shí),其濃度也不變其濃度也不變;更需要注意的是外加反向電壓達(dá)一定值后更需要注意的是外加反向電壓達(dá)一定值后,因少子有限因少子有限,這這時(shí)時(shí),反向電流基本不隨外加電壓增加而增加反向電流基本不隨外加電壓增加而增加

4、,這時(shí)反向電流這時(shí)反向電流叫反向飽和電流叫反向飽和電流,其值小其值小,但隨溫度變化劇烈但隨溫度變化劇烈.2.2.光照下光照下PN結(jié)的電流方程結(jié)的電流方程 結(jié)型光電器件有兩種工作模式結(jié)型光電器件有兩種工作模式: :光伏工作光伏工作模式模式和和光電導(dǎo)工作光電導(dǎo)工作模式模式 在在零偏置零偏置的開(kāi)路狀態(tài)，結(jié)型光電器件產(chǎn)生光生的開(kāi)路狀態(tài)，結(jié)型光電器件產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，稱(chēng)為光伏工作模式。在伏特效應(yīng)，稱(chēng)為光伏工作模式。在反偏置反偏置狀態(tài)，無(wú)狀態(tài)，無(wú)光照時(shí)結(jié)電阻很大，結(jié)電流很??；有光照時(shí)，結(jié)電光照時(shí)結(jié)電阻很大，結(jié)電流很??；有光照時(shí)，結(jié)電阻變小，電流變大，而且流過(guò)它的光電流隨照度變阻變小，電流變大，而且流過(guò)它的

5、光電流隨照度變化而變化化而變化，稱(chēng)為光電導(dǎo)工作模式。稱(chēng)為光電導(dǎo)工作模式。?) 1/(0kTqVeIpIDIpILIESIEp) 1(/0kTqVELeIESISE : :光電靈敏光電靈敏度度 當(dāng)負(fù)載電阻當(dāng)負(fù)載電阻RL斷開(kāi)斷開(kāi)(IL0)時(shí)，時(shí)，P端對(duì)端對(duì)N端的電壓端的電壓稱(chēng)為稱(chēng)為開(kāi)路電壓，用開(kāi)路電壓，用Voc表示表示 )01ln(IpIqkTocV)ln()ln(00IESqkTIIqkTVEpocI Ip pII0 0 當(dāng)負(fù)載電阻短路當(dāng)負(fù)載電阻短路( (即即RL L=0)=0)時(shí)，光生電壓接近于零，時(shí)，光生電壓接近于零，流過(guò)器件的電流叫流過(guò)器件的電流叫短路電流，用短路電流，用Iscsc表示表示

6、ESIIEpscV 為結(jié)電壓為結(jié)電壓 光伏效應(yīng)有兩個(gè)重要參數(shù)光伏效應(yīng)有兩個(gè)重要參數(shù):開(kāi)路電壓和短路電開(kāi)路電壓和短路電流流,他們的定義都可以從他們的定義都可以從PN結(jié)電流方程出發(fā)而得到結(jié)電流方程出發(fā)而得到.短路電流在弱光照射下與照度正短路電流在弱光照射下與照度正比比一定溫度下一定溫度下,開(kāi)路電壓與光照度成對(duì)數(shù)關(guān)系開(kāi)路電壓與光照度成對(duì)數(shù)關(guān)系,但最大值但最大值不超過(guò)接觸電勢(shì)差不超過(guò)接觸電勢(shì)差:硅接觸電勢(shì)差硅接觸電勢(shì)差?,鍺接觸電勢(shì)差鍺接觸電勢(shì)差? 受光照后，光受光照后，光生電子生電子- -空穴對(duì)在電空穴對(duì)在電場(chǎng)作用下形成大于場(chǎng)作用下形成大于I0 0的光電流，并且方的光電流，并且方向與向與I0 0相同

7、，因此曲相同，因此曲線(xiàn)將沿電流軸向下線(xiàn)將沿電流軸向下平移到第四象限。平移到第四象限。 無(wú)光照時(shí)，伏無(wú)光照時(shí)，伏安特性曲線(xiàn)與一般安特性曲線(xiàn)與一般二極管的相同，二二極管的相同，二極管就工作在這極管就工作在這 個(gè)狀態(tài)，伏安特性個(gè)狀態(tài)，伏安特性曲線(xiàn)處于第一象限。曲線(xiàn)處于第一象限。 如果給如果給PN結(jié)加一反偏電壓結(jié)加一反偏電壓Ub，PN結(jié)的勢(shì)壘高度結(jié)的勢(shì)壘高度由由qUD增加到增加到q(UD+Ub)，使光照產(chǎn)生的電子，使光照產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下更易進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)，提高了器件的頻率強(qiáng)電場(chǎng)作用下更易進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)，提高了器件的頻率特性。特性。 PN結(jié)光電器件在不同照度下的伏安特性曲線(xiàn)結(jié)光電器件

8、在不同照度下的伏安特性曲線(xiàn) 平移的幅度與平移的幅度與光照的變化成正比，光照的變化成正比，即即Ip=SEE。光電池。光電池就是依據(jù)這個(gè)原理就是依據(jù)這個(gè)原理工作的。工作的。 當(dāng)當(dāng)PN結(jié)反偏時(shí)，結(jié)反偏時(shí)，暗電流隨反向偏壓的增暗電流隨反向偏壓的增大有所增大，最后等于大有所增大，最后等于反向飽和電流反向飽和電流I0，而光，而光電流電流Ip幾乎與反向電壓幾乎與反向電壓大小無(wú)關(guān)。光電二極管大小無(wú)關(guān)。光電二極管和光電三極管就工作在和光電三極管就工作在這個(gè)象限這個(gè)象限 太陽(yáng)能光電池太陽(yáng)能光電池主要用作電源主要用作電源，它，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、可靠性高、壽命長(zhǎng)、能直接將太陽(yáng)積小、重量輕、可靠性

9、高、壽命長(zhǎng)、能直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，能轉(zhuǎn)換成電能，不僅是航天工業(yè)上的重要電源，也不僅是航天工業(yè)上的重要電源，也廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中。廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中。 測(cè)量光電池測(cè)量光電池主要功能是作為光電探測(cè)用主要功能是作為光電探測(cè)用，對(duì)它，對(duì)它的要求是的要求是線(xiàn)性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、線(xiàn)性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)，被廣泛應(yīng)用在光度、色度、光，被廣泛應(yīng)用在光度、色度、光學(xué)精密計(jì)量和測(cè)試中。學(xué)精密計(jì)量和測(cè)試中。 3.2 3.2 硅光電池硅光電池 光電池主要功能光電池主要功能是在零偏置的情況下能將光是在零偏置的情況下能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。按用

10、途光電池可分為信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。按用途光電池可分為太陽(yáng)能太陽(yáng)能光電池和測(cè)量光電池光電池和測(cè)量光電池 光電池是一個(gè)光電池是一個(gè)PN結(jié)結(jié)，根據(jù)制作，根據(jù)制作PNPN結(jié)材料的不同，結(jié)材料的不同，光電池有光電池有硒光電池，硅光電池、砷化鎵光電池和鍺硒光電池，硅光電池、砷化鎵光電池和鍺光電池光電池四種。四種。 太陽(yáng)能電池式電熱水器，利用太陽(yáng)能電池組在光照下太陽(yáng)能電池式電熱水器，利用太陽(yáng)能電池組在光照下發(fā)電，向裝在使用發(fā)電，向裝在使用220V交流電的熱水器水箱里的交流電的熱水器水箱里的200W/12V加熱器提供電能，使水溫升高的裝置。也可把太陽(yáng)能電池式加熱器提供電能，使水溫升高的裝置。也可把太陽(yáng)能電池式電

11、熱水器的電熱水器的200W/12V加熱裝置，直接按裝在普通的電熱水加熱裝置，直接按裝在普通的電熱水器上。一年四季都可以使用，它可以調(diào)節(jié)水溫，比普通電熱器上。一年四季都可以使用，它可以調(diào)節(jié)水溫，比普通電熱水器省電水器省電 2DR型型硅光電池是以硅光電池是以P型硅作基底，型硅作基底，2CR型光型光電池則是以電池則是以N型硅作基底，然后在基底上擴(kuò)散磷型硅作基底，然后在基底上擴(kuò)散磷（或硼）作為受光面。構(gòu)成或硼）作為受光面。構(gòu)成PN結(jié)后，分別在基底結(jié)后，分別在基底和光敏面上制作輸出電極，涂上二氧化硅作保護(hù)和光敏面上制作輸出電極，涂上二氧化硅作保護(hù)膜，即成光電池。膜，即成光電池。結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖符號(hào)符

12、號(hào)電極結(jié)構(gòu)電極結(jié)構(gòu)為便于為便于透光和透光和減小串減小串聯(lián)電阻聯(lián)電阻3.2.1.3.2.1.硅光電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理硅光電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 硅光電池按基底材料不同分為硅光電池按基底材料不同分為2DR型和型和2CR型。型。工作原理如下圖所示工作原理如下圖所示硅光電池的電流方程硅光電池的電流方程) 1/(0kTqVeIpIDIpILI 光照特性有光照特性有伏安特性伏安特性、照度照度- -電流電壓特性電流電壓特性和和照度照度- -負(fù)載特性。負(fù)載特性。3.2.2.3.2.2.硅光電池的特性參數(shù)硅光電池的特性參數(shù)1.1.光照特性光照特性 特性參數(shù)主要有特性參數(shù)主要有：光照特性、光譜特性、頻光照特

13、性、光譜特性、頻率特性、溫度特性率特性、溫度特性) 1() 1(/0/0kTqVEkTqVpDpLeIESeIIIIIDkTqVLIeII) 1(/0式中，式中，ID D是結(jié)電流，是結(jié)電流，I0 0是反向飽和電流，是光電池是反向飽和電流，是光電池加反向偏壓后出現(xiàn)的暗電流。加反向偏壓后出現(xiàn)的暗電流。 不同照度時(shí)的伏不同照度時(shí)的伏- -安特性安特性曲線(xiàn)曲線(xiàn). .一般硅光電池工作一般硅光電池工作在第四象限在第四象限。若硅光電池。若硅光電池工作在反偏置狀態(tài)，則伏工作在反偏置狀態(tài)，則伏安特性將延伸到第三象限安特性將延伸到第三象限硅光硅光電池電池電流電流方程方程式式當(dāng)當(dāng)E=0 0時(shí)時(shí) 硅光電池的伏安特性，

14、表示輸出電流和電壓隨負(fù)硅光電池的伏安特性，表示輸出電流和電壓隨負(fù)載電阻變化的曲線(xiàn)。載電阻變化的曲線(xiàn)。 在要求輸出電流與光在要求輸出電流與光照度成線(xiàn)性關(guān)系時(shí)，負(fù)載照度成線(xiàn)性關(guān)系時(shí)，負(fù)載電阻在條件許可的情況下電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制在強(qiáng)光越小越好，并限制在強(qiáng)光照范圍內(nèi)使用照范圍內(nèi)使用 當(dāng)當(dāng)RL L=(=(開(kāi)路開(kāi)路) )時(shí)，光電池的開(kāi)路電壓，以時(shí)，光電池的開(kāi)路電壓，以Vococ表示表示)1ln(0IIqkTVpoc)/ln()/(0IIqkTVpocESIIEpsc當(dāng)當(dāng)RL L0 0 時(shí)所得的電流時(shí)所得的電流稱(chēng)為光電池短路電流，稱(chēng)為光電池短路電流，以以Iscsc表示表示 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，都

15、接實(shí)際應(yīng)用時(shí)，都接負(fù)載，負(fù)載，光電池光照與負(fù)光電池光照與負(fù)載的特性曲線(xiàn)載的特性曲線(xiàn) Voc 在線(xiàn)性測(cè)量中在線(xiàn)性測(cè)量中,光光電池常以電流形式使電池常以電流形式使用用,因此短路電流的這因此短路電流的這種線(xiàn)性關(guān)系是光電池種線(xiàn)性關(guān)系是光電池重要的光照特性重要的光照特性這就是硅光電池這就是硅光電池的開(kāi)路電壓和短的開(kāi)路電壓和短路電流與光照的路電流與光照的關(guān)系關(guān)系,由此圖可看由此圖可看出什麼出什麼? 2CR型硅光電池的型硅光電池的光譜曲線(xiàn)，其響應(yīng)范圍光譜曲線(xiàn)，其響應(yīng)范圍為為0.41.1m，峰值波，峰值波長(zhǎng)為長(zhǎng)為0.80.9m，是非，是非常適合人眼的光電池常適合人眼的光電池2.2.光譜特性光譜特性 光譜響應(yīng)特

16、性表示在入射光能量保持一定的條件光譜響應(yīng)特性表示在入射光能量保持一定的條件下，光電池所產(chǎn)生的短路電流與入射光波長(zhǎng)之間的關(guān)下，光電池所產(chǎn)生的短路電流與入射光波長(zhǎng)之間的關(guān)系，一般用系，一般用相對(duì)響應(yīng)相對(duì)響應(yīng)表示。表示。 線(xiàn)性測(cè)量中，要求光電池有高的靈敏度和穩(wěn)定線(xiàn)性測(cè)量中，要求光電池有高的靈敏度和穩(wěn)定性，同時(shí)要求與人眼性，同時(shí)要求與人眼視見(jiàn)函數(shù)有相似視見(jiàn)函數(shù)有相似的光譜響應(yīng)特的光譜響應(yīng)特性。性。鍺光電池長(zhǎng)波響鍺光電池長(zhǎng)波響應(yīng)寬，適合作紅應(yīng)寬，適合作紅外探測(cè)器外探測(cè)器 幾種常見(jiàn)光電池的幾種常見(jiàn)光電池的相對(duì)光譜響應(yīng)曲線(xiàn)相對(duì)光譜響應(yīng)曲線(xiàn):硒光硒光電池與電池與人眼視見(jiàn)函數(shù)相人眼視見(jiàn)函數(shù)相似，砷化鎵量子效率高

17、，似，砷化鎵量子效率高，噪聲低，響應(yīng)在紫外區(qū)噪聲低，響應(yīng)在紫外區(qū)和可見(jiàn)光區(qū)。和可見(jiàn)光區(qū)。 由圖可見(jiàn)由圖可見(jiàn)，負(fù)載大時(shí)頻，負(fù)載大時(shí)頻率特性變差，減小負(fù)載可減率特性變差，減小負(fù)載可減小時(shí)間常數(shù)小時(shí)間常數(shù)，提高頻響。，提高頻響。但是負(fù)載電阻但是負(fù)載電阻RL的減小會(huì)使的減小會(huì)使輸出電壓降低，輸出電壓降低，實(shí)際使用時(shí)實(shí)際使用時(shí)根據(jù)具體要求而定根據(jù)具體要求而定。3.3.頻率特性頻率特性 對(duì)矩形脈沖光，用光電流上升時(shí)間常數(shù)對(duì)矩形脈沖光，用光電流上升時(shí)間常數(shù)tr r和下降和下降時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)tf來(lái)表征光電流滯后于光照的程度；對(duì)正弦型來(lái)表征光電流滯后于光照的程度；對(duì)正弦型光照常用頻率特性曲線(xiàn)表示光照常用頻率特

18、性曲線(xiàn)表示 結(jié)型光電器件，結(jié)型光電器件，PN結(jié)內(nèi)載流子的擴(kuò)散、漂移，產(chǎn)結(jié)內(nèi)載流子的擴(kuò)散、漂移，產(chǎn)生與復(fù)合都需要一定的時(shí)間，當(dāng)光照變化很快時(shí)，光生與復(fù)合都需要一定的時(shí)間，當(dāng)光照變化很快時(shí)，光電流變化就滯后于光照變化。電流變化就滯后于光照變化。右圖為硅光右圖為硅光電池的頻率電池的頻率特性曲線(xiàn)。特性曲線(xiàn)。4 4溫度特性溫度特性 光電池的溫度特性曲線(xiàn)主要指光照射時(shí)它的開(kāi)路光電池的溫度特性曲線(xiàn)主要指光照射時(shí)它的開(kāi)路電壓電壓Uoc與短路電流與短路電流Isc隨溫度變化的情況。隨溫度變化的情況。光電池的溫度特性曲線(xiàn)如下圖所示光電池的溫度特性曲線(xiàn)如下圖所示 從圖知開(kāi)路電壓從圖知開(kāi)路電壓Uoc隨著溫度的升高而減小

19、隨著溫度的升高而減小,其值約為其值約為23mV/oC;短短路電流路電流Isc隨著溫度的升高隨著溫度的升高而增大，但增大比例很小，而增大，但增大比例很小，約為約為10-510-3mA/oC數(shù)量數(shù)量級(jí)。級(jí)。3.3.1.3.3.1.硅光電二極管結(jié)構(gòu)及工作原理硅光電二極管結(jié)構(gòu)及工作原理3.3 3.3 硅光電二極管和硅光電三極管硅光電二極管和硅光電三極管 制作光電二極管的材料有制作光電二極管的材料有硅硅、鍺鍺、砷化鎵砷化鎵、碲化碲化鉛鉛等，目前在可見(jiàn)光區(qū)應(yīng)用最多的是等，目前在可見(jiàn)光區(qū)應(yīng)用最多的是硅光電二極管硅光電二極管。 光電二極管是基于光電二極管是基于PN結(jié)的光電效應(yīng)工作的，它主結(jié)的光電效應(yīng)工作的，它

20、主要用于要用于可見(jiàn)光及紅外光譜區(qū)可見(jiàn)光及紅外光譜區(qū)。光電二極管通常在。光電二極管通常在反偏反偏置條件下工作置條件下工作，也可用在零偏置狀態(tài)。，也可用在零偏置狀態(tài)。 硅光電二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理與硅光電池相硅光電二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理與硅光電池相似，不同的地方是：似，不同的地方是： 光電池的光敏面面積比硅光電二極管的光敏面大光電池的光敏面面積比硅光電二極管的光敏面大得多，因此硅光電二極管的光電流小得多，通常在得多，因此硅光電二極管的光電流小得多，通常在微安級(jí)。微安級(jí)。 制作光電池襯底材料的摻雜濃度比硅光電二極管制作光電池襯底材料的摻雜濃度比硅光電二極管高高: :光電池為光電池為101016161

21、0101919原子數(shù)厘米原子數(shù)厘米3 3，硅光電二極，硅光電二極管為管為1010121210101313原子數(shù)厘米原子數(shù)厘米3 3； 光電池的電阻率低，光電池的電阻率低，約為約為0.10.10.010.01歐姆歐姆厘米，厘米，硅光電二極管為硅光電二極管為10001000歐姆歐姆厘米；厘米； 光電池在零偏置下工作，硅光電二極管在反向偏光電池在零偏置下工作，硅光電二極管在反向偏置下工作；置下工作； 2DU系列以系列以P-Si為襯底，有三個(gè)引出線(xiàn)：為襯底，有三個(gè)引出線(xiàn)：前極、前極、后極、環(huán)極后極、環(huán)極。加環(huán)極的目的是為了減少暗電流和噪。加環(huán)極的目的是為了減少暗電流和噪聲，環(huán)極與前極相聯(lián)。聲，環(huán)極與前

22、極相聯(lián)。 硅光電二極管通常用反偏的光電導(dǎo)工作模式。硅光電二極管通常用反偏的光電導(dǎo)工作模式。無(wú)光照時(shí)無(wú)光照時(shí)，若給，若給PN結(jié)加適當(dāng)?shù)姆聪螂妷?，則加強(qiáng)了結(jié)加適當(dāng)?shù)姆聪螂妷海瑒t加強(qiáng)了內(nèi)建電場(chǎng)，使內(nèi)建電場(chǎng)，使PN結(jié)空間電荷區(qū)變寬，勢(shì)壘增大。結(jié)空間電荷區(qū)變寬，勢(shì)壘增大。 光照硅光電二極管時(shí)光照硅光電二極管時(shí)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光生載流，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光生載流子被強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)拉開(kāi)，光生電子被拉向子被強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)拉開(kāi)，光生電子被拉向N區(qū)，光生區(qū)，光生空穴被拉向空穴被拉向P區(qū)，于是形成以少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)區(qū)，于是形成以少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)為主的光電流。為主的光電流。 當(dāng)硅光電二極管與負(fù)載電阻當(dāng)硅光電二極管與負(fù)載電阻RL串

23、聯(lián)時(shí)串聯(lián)時(shí)，在，在RL的的兩端便可得到隨光照度變化的電壓信號(hào)。從而完成兩端便可得到隨光照度變化的電壓信號(hào)。從而完成了將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。了將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。 根據(jù)襯底材料的不同硅光電二極管分為根據(jù)襯底材料的不同硅光電二極管分為2DU2DU型型和和2CU2CU型型兩種系列。兩種系列。 2CU系列以系列以N-Si為襯底為襯底, 2CU系列光電二極管只系列光電二極管只有兩個(gè)引出線(xiàn)。有兩個(gè)引出線(xiàn)。 3.3.2.3.3.2.硅光電三極管硅光電三極管 硅光電三極管具有電流放大作用，它的集電極硅光電三極管具有電流放大作用，它的集電極電流受基極的電流或光強(qiáng)控制。硅光電三極管的外電流受基極的電

24、流或光強(qiáng)控制。硅光電三極管的外型有光窗型有光窗,管腳有三根引線(xiàn)或二根引線(xiàn)管腳有三根引線(xiàn)或二根引線(xiàn),管型分為管型分為PNP型和型和NPN型型,NPN型稱(chēng)型稱(chēng)3DU型型,PNP型稱(chēng)型稱(chēng)3CU型型。以以3DU型為例說(shuō)明硅光電三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理。型為例說(shuō)明硅光電三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理。 以以N型硅片作襯底，擴(kuò)散型硅片作襯底，擴(kuò)散硼硼而形成而形成P型，再擴(kuò)散型，再擴(kuò)散磷磷而形成重而形成重?fù)诫s摻雜N+層。在層。在N+側(cè)開(kāi)窗，引出側(cè)開(kāi)窗，引出一個(gè)電極作一個(gè)電極作“集電極集電極c”，中間的，中間的P型層引出型層引出“基極基極b”，也可以不，也可以不引出來(lái)，在引出來(lái)，在N型硅片的襯底上引型硅片的襯底上引出一

25、個(gè)出一個(gè) “發(fā)射極發(fā)射極e”。這就構(gòu)成一個(gè)光電三極管。這就構(gòu)成一個(gè)光電三極管。+5+3 工作時(shí)需保證工作時(shí)需保證集電集電結(jié)結(jié)反偏，發(fā)射反偏，發(fā)射結(jié)結(jié)正偏正偏。集電結(jié)集電結(jié)反偏，結(jié)內(nèi)有很強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)。對(duì)反偏，結(jié)內(nèi)有很強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)。對(duì)3DU型型來(lái)說(shuō)，內(nèi)建來(lái)說(shuō)，內(nèi)建電場(chǎng)的方向是由電場(chǎng)的方向是由c到到b，如果有光照到集電結(jié)上，在內(nèi)，如果有光照到集電結(jié)上，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光生載流子中的電子流向集電區(qū)，建電場(chǎng)的作用下，光生載流子中的電子流向集電區(qū)，空穴流向基區(qū)，相當(dāng)于外界向基極注入一個(gè)控制電流：空穴流向基區(qū)，相當(dāng)于外界向基極注入一個(gè)控制電流：IbIp，當(dāng)基極沒(méi)有引線(xiàn)時(shí)，此時(shí)集電極電流為，當(dāng)基極沒(méi)有引線(xiàn)

26、時(shí)，此時(shí)集電極電流為ESIIIRIIESqkTAURIIRUEpbcffpfSCOEOCO)/ln( 在原理上完全可以把它看在原理上完全可以把它看成是一個(gè)由成是一個(gè)由硅光電二極管硅光電二極管與與普普通晶體管通晶體管結(jié)合而成的組合件。結(jié)合而成的組合件。 式中式中 為晶體管的電流放大倍數(shù)；為晶體管的電流放大倍數(shù)；E為入射光為入射光照度；照度；SE為光電靈敏度。為光電靈敏度。 由此可見(jiàn)，光電三極管的光電轉(zhuǎn)換是在集由此可見(jiàn)，光電三極管的光電轉(zhuǎn)換是在集- -基結(jié)內(nèi)基結(jié)內(nèi)進(jìn)行的，集電極、基極和發(fā)射極又構(gòu)成一個(gè)有放大作進(jìn)行的，集電極、基極和發(fā)射極又構(gòu)成一個(gè)有放大作用的晶體管。用的晶體管。 為了為了改善頻率響

27、應(yīng)，減小體積，提高增益改善頻率響應(yīng)，減小體積，提高增益，已，已研制出研制出集成光電晶體管集成光電晶體管，它是在一塊硅片上制作一，它是在一塊硅片上制作一個(gè)硅光電二極管和三極管個(gè)硅光電二極管和三極管 ：3.3.3.3.3.3.硅光電三極管與硅光電二極管特性比較硅光電三極管與硅光電二極管特性比較1.1.光照特性光照特性 光照特性光照特性是指硅光電二極管和硅光電三極管的光是指硅光電二極管和硅光電三極管的光電流與照度之間的關(guān)系曲線(xiàn)電流與照度之間的關(guān)系曲線(xiàn) 由圖可見(jiàn)，由圖可見(jiàn)，硅光電二極管的光照特性的線(xiàn)性較硅光電二極管的光照特性的線(xiàn)性較好，好，硅光電三極管的光電流在弱光照時(shí)有彎曲，強(qiáng)硅光電三極管的光電流在

28、弱光照時(shí)有彎曲，強(qiáng)光照時(shí)又趨向于飽和光照時(shí)又趨向于飽和，只有在中間一段光照范圍內(nèi)只有在中間一段光照范圍內(nèi)線(xiàn)性較好線(xiàn)性較好，這是由于硅光電三極管的電流放大倍數(shù)，這是由于硅光電三極管的電流放大倍數(shù)在小電流或大電流時(shí)都要下降造成的。在小電流或大電流時(shí)都要下降造成的。硅光電二極管硅光電二極管和硅光電三極管的光照特性曲線(xiàn)和硅光電三極管的光照特性曲線(xiàn) 在一定的偏壓下，硅光電三極管的伏安特性曲線(xiàn)在一定的偏壓下，硅光電三極管的伏安特性曲線(xiàn)在低照度時(shí)間隔較均勻，在高照度時(shí)曲線(xiàn)越來(lái)越密，在低照度時(shí)間隔較均勻，在高照度時(shí)曲線(xiàn)越來(lái)越密，雖然硅光電二極管也有，但硅光電三極管?chē)?yán)重得多，雖然硅光電二極管也有，但硅光電三極管

29、嚴(yán)重得多，這是這是因?yàn)楣韫怆娙龢O管的因?yàn)楣韫怆娙龢O管的 是非線(xiàn)性的。是非線(xiàn)性的。 當(dāng)工作電壓較低時(shí)輸出的光電流有非線(xiàn)性，硅光當(dāng)工作電壓較低時(shí)輸出的光電流有非線(xiàn)性，硅光電三極管的非線(xiàn)性較嚴(yán)重，電三極管的非線(xiàn)性較嚴(yán)重，這是因?yàn)楣韫怆娙龢O管的這是因?yàn)楣韫怆娙龢O管的 與工作電壓有關(guān)。為了得到較好線(xiàn)性，要求工作電與工作電壓有關(guān)。為了得到較好線(xiàn)性，要求工作電壓盡可能高些；壓盡可能高些； 2.2.伏安特性伏安特性 伏安特性表示為當(dāng)入射光的照度伏安特性表示為當(dāng)入射光的照度( (或光通量或光通量) )一一定時(shí)，光電二極管和光電三極管輸出的光電流與所定時(shí)，光電二極管和光電三極管輸出的光電流與所加偏壓的關(guān)系。加偏壓

30、的關(guān)系。硅光電二極管硅光電二極管硅光電三極管硅光電三極管由圖可見(jiàn)，兩條特性曲線(xiàn)有以下四點(diǎn)不同：由圖可見(jiàn)，兩條特性曲線(xiàn)有以下四點(diǎn)不同： 在相同照度下，一般在相同照度下，一般硅光電三極管的光電流在毫硅光電三極管的光電流在毫安量級(jí)，硅光電二極管的光電流在微安量級(jí)安量級(jí)，硅光電二極管的光電流在微安量級(jí)； 而硅光電三極管集電結(jié)雖然也能產(chǎn)生光生伏特而硅光電三極管集電結(jié)雖然也能產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，但效應(yīng)，但因集電結(jié)無(wú)偏置電壓，沒(méi)有電流放大作用因集電結(jié)無(wú)偏置電壓，沒(méi)有電流放大作用，這微小的電流在毫安級(jí)的坐標(biāo)中表示不出來(lái)；這微小的電流在毫安級(jí)的坐標(biāo)中表示不出來(lái)； 在零偏壓時(shí)硅光電三極管沒(méi)有光電流輸出，硅光在零偏壓

31、時(shí)硅光電三極管沒(méi)有光電流輸出，硅光電二極管仍有光電流輸出電二極管仍有光電流輸出；這是因?yàn)楣韫怆姸O管具；這是因?yàn)楣韫怆姸O管具有光生伏特效應(yīng)，有光生伏特效應(yīng)，硅光電二極管和硅光電三極管的光電流和暗電硅光電二極管和硅光電三極管的光電流和暗電流均隨溫度而變化，但硅光電三極管因有電流放大流均隨溫度而變化，但硅光電三極管因有電流放大作用，作用，3 3溫度特性溫度特性 由于由于暗電流的增加暗電流的增加，使輸出信噪比變差，必要時(shí)，使輸出信噪比變差，必要時(shí)要采取要采取恒溫或補(bǔ)償措施恒溫或補(bǔ)償措施。所以它的所以它的光電流光電流和和暗電流受溫度影響比硅光電暗電流受溫度影響比硅光電二極管大得多二極管大得多 下圖為

32、用脈沖光源測(cè)下圖為用脈沖光源測(cè)出的出的2CU型硅光電二極管型硅光電二極管的響應(yīng)時(shí)間與負(fù)載的響應(yīng)時(shí)間與負(fù)載RL的關(guān)的關(guān)系曲線(xiàn)系曲線(xiàn)，可以看出當(dāng)負(fù)載，可以看出當(dāng)負(fù)載超過(guò)超過(guò)104以后，響應(yīng)時(shí)間以后，響應(yīng)時(shí)間增加得更快增加得更快 4.4.頻率響應(yīng)特性頻率響應(yīng)特性 硅光電二極管的頻率特性主要決定于光生載硅光電二極管的頻率特性主要決定于光生載流子的渡越時(shí)間。流子的渡越時(shí)間。渡越時(shí)間包括光生載流子向結(jié)渡越時(shí)間包括光生載流子向結(jié)區(qū)擴(kuò)散和在結(jié)電場(chǎng)中的漂移區(qū)擴(kuò)散和在結(jié)電場(chǎng)中的漂移。這時(shí)，決定硅光電。這時(shí)，決定硅光電二極管的頻率響應(yīng)上限的因素是結(jié)電容二極管的頻率響應(yīng)上限的因素是結(jié)電容Cj和負(fù)載和負(fù)載電阻電阻RL

33、L。在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)頻率響應(yīng)要求選在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)頻率響應(yīng)要求選擇最佳的負(fù)載電阻。擇最佳的負(fù)載電阻。 硅光電三極管的頻率響應(yīng)也可用上升時(shí)間硅光電三極管的頻率響應(yīng)也可用上升時(shí)間tr和下和下降時(shí)間降時(shí)間tf來(lái)表示來(lái)表示，硅光電三極管的頻率響應(yīng)，還受基，硅光電三極管的頻率響應(yīng)，還受基區(qū)渡越時(shí)間和發(fā)射結(jié)電容的限制。使用時(shí)要根據(jù)響區(qū)渡越時(shí)間和發(fā)射結(jié)電容的限制。使用時(shí)要根據(jù)響應(yīng)速度和輸出幅值來(lái)選擇負(fù)載電阻應(yīng)速度和輸出幅值來(lái)選擇負(fù)載電阻RL。 硅光電二極管硅光電二極管的時(shí)間常數(shù)一般在的時(shí)間常數(shù)一般在0.1s以?xún)?nèi)，以?xún)?nèi)，PIN管和雪崩光電二極管管和雪崩光電二極管的時(shí)間常數(shù)在的時(shí)間常數(shù)在ns數(shù)量級(jí)，數(shù)量

34、級(jí)，硅光電三極管硅光電三極管的時(shí)間常數(shù)卻長(zhǎng)達(dá)的時(shí)間常數(shù)卻長(zhǎng)達(dá)510s。 上升時(shí)間上升時(shí)間tr和下降時(shí)間和下降時(shí)間tf與與放大后電流放大后電流Ic的的關(guān)系曲線(xiàn)。關(guān)系曲線(xiàn)。3.4 3.4 結(jié)型光電器件的放大電路結(jié)型光電器件的放大電路 結(jié)型光電器件一般用三極管或集成運(yùn)結(jié)型光電器件一般用三極管或集成運(yùn)算放大器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)換。算放大器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)換。3.4.1.3.4.1.結(jié)型光電器件與放大三極管的連接結(jié)型光電器件與放大三極管的連接 硅三極管和鍺三極管硅三極管和鍺三極管導(dǎo)通時(shí)射極導(dǎo)通時(shí)射極- -基極電壓大小基極電壓大小不同，有三種不同的變換電路。不同，有三種不同的變換電路。鍺三極鍺三

35、極管放大管放大光電流光電流硅三極硅三極管放大管放大光電流光電流 注意注意: :三種電路都以三種電路都以晶體三極管發(fā)射結(jié)的正向電晶體三極管發(fā)射結(jié)的正向電阻阻作為硅光電池的負(fù)載，因此硅光電池幾乎是工作在作為硅光電池的負(fù)載，因此硅光電池幾乎是工作在短路狀態(tài)，從而獲得線(xiàn)性工作特性的。短路狀態(tài)，從而獲得線(xiàn)性工作特性的。3.4.2.3.4.2.結(jié)型光電器件與運(yùn)算放大器的連接結(jié)型光電器件與運(yùn)算放大器的連接 集成運(yùn)算放大器因集成運(yùn)算放大器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便而廣泛應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便而廣泛應(yīng)用于光電變換器件中用于光電變換器件中。光電二極管與運(yùn)算放大電路的。光電二極管與運(yùn)算放大電路的連接方式有三種方式連接方式有

36、三種方式 電流放大型電流放大型IC變換電路變換電路： 運(yùn)算放大器兩輸入端間的輸運(yùn)算放大器兩輸入端間的輸入阻抗入阻抗Zin是硅光電二極管的負(fù)載是硅光電二極管的負(fù)載電阻；當(dāng)放大倍數(shù)和反饋電阻較電阻；當(dāng)放大倍數(shù)和反饋電阻較大時(shí)大時(shí),可以認(rèn)為硅光電二極管是處可以認(rèn)為硅光電二極管是處于短路工作狀態(tài)于短路工作狀態(tài),能輸出理想的短能輸出理想的短路電流路電流,這時(shí)運(yùn)算放大器輸出為這時(shí)運(yùn)算放大器輸出為: 由于電流放大器輸入阻抗低由于電流放大器輸入阻抗低,響應(yīng)響應(yīng)速度快速度快,噪聲低噪聲低,信噪比高信噪比高,廣泛用于弱光廣泛用于弱光信號(hào)的變換中信號(hào)的變換中fRIUSCO(2)(2)電壓放大型電壓放大型IC變換電路

37、：變換電路： 硅光電二極管與負(fù)載電阻硅光電二極管與負(fù)載電阻RL并聯(lián)且硅光電二極管的正端接在并聯(lián)且硅光電二極管的正端接在運(yùn)算放大器的正端；放大器的漏運(yùn)算放大器的正端；放大器的漏電流比光電流小得多電流比光電流小得多,具有很高的具有很高的輸入阻抗輸入阻抗.當(dāng)負(fù)載電阻大于當(dāng)負(fù)載電阻大于1M時(shí)時(shí),運(yùn)行于硅光電池下的光電二極管運(yùn)行于硅光電池下的光電二極管處于開(kāi)路狀態(tài)處于開(kāi)路狀態(tài),可以得到與開(kāi)路電可以得到與開(kāi)路電壓成正比的輸出信號(hào)壓成正比的輸出信號(hào):OCOUAU121RRRA)/ln(OEOCIESqkTAU(3) (3) 阻抗變換型：阻抗變換型： 反向偏置的硅光電二極管具反向偏置的硅光電二極管具有恒流源性

38、質(zhì)有恒流源性質(zhì),內(nèi)阻很大內(nèi)阻很大,飽和光飽和光電流與輸入光照度成正比電流與輸入光照度成正比,在高負(fù)在高負(fù)載電阻時(shí)可得到高的輸出信號(hào)載電阻時(shí)可得到高的輸出信號(hào).但但是如果把這種反偏的二極管直接是如果把這種反偏的二極管直接接到負(fù)載上接到負(fù)載上,會(huì)因?yàn)樨?fù)載失配而削會(huì)因?yàn)樨?fù)載失配而削弱信號(hào)的幅度弱信號(hào)的幅度,因此需要有阻抗變因此需要有阻抗變換器將阻抗的電流源變換為低阻換器將阻抗的電流源變換為低阻抗的電壓源抗的電壓源,然后再于負(fù)載連接。然后再于負(fù)載連接。 注意注意:用場(chǎng)效應(yīng)管用場(chǎng)效應(yīng)管代替雙極性晶體管作代替雙極性晶體管作前置極前置極,其偏置電流較其偏置電流較小小,適合于光功率很小適合于光功率很小的場(chǎng)合的

39、場(chǎng)合. 三種電路各有優(yōu)缺點(diǎn)，三種電路各有優(yōu)缺點(diǎn)，但都適用于光功率很小的場(chǎng)合。但都適用于光功率很小的場(chǎng)合。fpfRIIRUO 利用利用光刻技術(shù)，將一個(gè)圓形或方形的光敏面窗口分隔光刻技術(shù)，將一個(gè)圓形或方形的光敏面窗口分隔成幾個(gè)有一定規(guī)律的的區(qū)域成幾個(gè)有一定規(guī)律的的區(qū)域( (但背面仍為整片但背面仍為整片) )，每一個(gè)區(qū)，每一個(gè)區(qū)域相當(dāng)于一個(gè)光電二極管。理想情況下，每個(gè)光電二極管域相當(dāng)于一個(gè)光電二極管。理想情況下，每個(gè)光電二極管應(yīng)有完全相同的性能參數(shù)。應(yīng)有完全相同的性能參數(shù)。3.5 3.5 特殊結(jié)型光電器件特殊結(jié)型光電器件3.5.1.3.5.1.象限探測(cè)器象限探測(cè)器 象限探測(cè)器實(shí)質(zhì)是一個(gè)象限探測(cè)器實(shí)質(zhì)

40、是一個(gè)面積很大的結(jié)型光電器件面積很大的結(jié)型光電器件，很像一個(gè)光電池；很像一個(gè)光電池； 典型的象限探測(cè)器有典型的象限探測(cè)器有四象限光電二極管四象限光電二極管和和四象四象限硅光電池限硅光電池等，也有等，也有二象限的硅光電池和光電二極二象限的硅光電池和光電二極管管等。等。象限探測(cè)器有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：象限探測(cè)器有以下幾個(gè)缺點(diǎn)： 測(cè)量精度易受光強(qiáng)變化的影響，分辨率不高。測(cè)量精度易受光強(qiáng)變化的影響，分辨率不高。 表面分割，而產(chǎn)生死區(qū)，光斑越小死區(qū)的影響表面分割，而產(chǎn)生死區(qū)，光斑越小死區(qū)的影響越明顯；越明顯； 若光斑全部落入一個(gè)象限時(shí)，輸出的電信號(hào)將若光斑全部落入一個(gè)象限時(shí)，輸出的電信號(hào)將無(wú)法區(qū)別光斑的準(zhǔn)確位

41、置；無(wú)法區(qū)別光斑的準(zhǔn)確位置； 3.5.2. 3.5.2. PIN型光電二極管型光電二極管1）普通）普通PIN型光電二極管型光電二極管 PIN型光電二極管又稱(chēng)快速光電二極管，它的型光電二極管又稱(chēng)快速光電二極管，它的結(jié)構(gòu)分三層，即在結(jié)構(gòu)分三層，即在P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體之間夾之間夾著較厚的著較厚的本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體I層：層：PIN光電二極管因有較厚的光電二極管因有較厚的I層，因此具有四點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)層，因此具有四點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): :1).1).PNPN結(jié)間距離拉大，結(jié)電容變小結(jié)間距離拉大，結(jié)電容變小。目前。目前PINPIN光電光電二極管的結(jié)電容一般為零點(diǎn)幾到幾個(gè)微微法，響二極管的結(jié)電容一般為零

42、點(diǎn)幾到幾個(gè)微微法，響應(yīng)時(shí)間應(yīng)時(shí)間 tr1 13ns3ns，最高達(dá)，最高達(dá)0.1ns0.1ns。3）增加了對(duì)長(zhǎng)波的吸收增加了對(duì)長(zhǎng)波的吸收，提高了長(zhǎng)波靈敏度，其，提高了長(zhǎng)波靈敏度，其響應(yīng)波長(zhǎng)范圍可以從響應(yīng)波長(zhǎng)范圍可以從0.41.1m。4 4）可承受較高的反向偏壓，使線(xiàn)性輸出范圍變寬可承受較高的反向偏壓，使線(xiàn)性輸出范圍變寬2).2).內(nèi)建電場(chǎng)基本上全集中于內(nèi)建電場(chǎng)基本上全集中于I I層中層中，使耗盡層厚，使耗盡層厚度增加，增大了對(duì)光的吸收和光電變換區(qū)域，量度增加，增大了對(duì)光的吸收和光電變換區(qū)域，量子效率提高了。子效率提高了。 若以若以PSD的中心點(diǎn)的中心點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系或坐為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系或坐標(biāo)軸

43、，設(shè)光點(diǎn)離中心點(diǎn)標(biāo)軸，設(shè)光點(diǎn)離中心點(diǎn)的距離為的距離為xA，于是有：，于是有： a aPSD的工作原理和位置表達(dá)式的工作原理和位置表達(dá)式 PSD包含有三層，上面為包含有三層，上面為P層，下面為層，下面為N層，中間為層，中間為I層，它們?nèi)恢谱髟谕还杵?，層，它們?nèi)恢谱髟谕还杵希琍層既是光敏層，也層既是光敏層，也是一個(gè)均勻的電阻層。是一個(gè)均勻的電阻層。 LIIIIxLxLIILxLIIAAA1212020122電極上電極上輸出的總輸出的總電流為電流為: : I I0 0= I= I1 1+I+I2 22 2）特殊結(jié)構(gòu)的）特殊結(jié)構(gòu)的PIN型光電二極管型光電二極管 光電位置傳感器是一種對(duì)入射到

44、光敏面上的光點(diǎn)光電位置傳感器是一種對(duì)入射到光敏面上的光點(diǎn)位置敏感的位置敏感的PIN型光電二極管，面積較大，其輸出信型光電二極管，面積較大，其輸出信號(hào)與光點(diǎn)在光敏面上的位置有關(guān)。一般稱(chēng)為號(hào)與光點(diǎn)在光敏面上的位置有關(guān)。一般稱(chēng)為PSD。 由于由于P層的電阻是均層的電阻是均勻的，由兩極輸出的電流勻的，由兩極輸出的電流分別與光點(diǎn)到兩電極的距分別與光點(diǎn)到兩電極的距離成反比。離成反比。 光射到光射到PSD的光敏面的光敏面上時(shí)，在入射位置表面下上時(shí)，在入射位置表面下就產(chǎn)生與光強(qiáng)成比例的電就產(chǎn)生與光強(qiáng)成比例的電荷，此電荷通過(guò)荷，此電荷通過(guò)P P層向電極層向電極流動(dòng)形成光電流。流動(dòng)形成光電流。P層層I層層N層層

45、設(shè)兩電極間的距離為設(shè)兩電極間的距離為2L，經(jīng)電極和電極輸出的光經(jīng)電極和電極輸出的光電流分別為電流分別為I1和和I2 ， 思考題：思考題：若坐標(biāo)若坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在原點(diǎn)設(shè)在PSD的一端，的一端，問(wèn)流過(guò)兩個(gè)電極的電問(wèn)流過(guò)兩個(gè)電極的電流與光點(diǎn)位置的關(guān)系流與光點(diǎn)位置的關(guān)系式？式？光電位置傳感器光電位置傳感器(PSD) ) 一般一般PSD分為兩類(lèi)：分為兩類(lèi)：一維一維PSD和二維和二維PSD。 一維一維PSD主要用來(lái)測(cè)量光點(diǎn)在一維方向的位置，主要用來(lái)測(cè)量光點(diǎn)在一維方向的位置， 二維二維PSD用來(lái)測(cè)定光點(diǎn)在平面上的坐標(biāo)用來(lái)測(cè)定光點(diǎn)在平面上的坐標(biāo)(x, y)， （1 1）一維）一維PSD 一維一維PSDPSD感光感

46、光面大多做成面大多做成細(xì)長(zhǎng)矩形。細(xì)長(zhǎng)矩形。b.b.光電位置傳感器光電位置傳感器(PSD)的分類(lèi)的分類(lèi)LIIIIxA1212 入射光點(diǎn)入射光點(diǎn)位于位于A點(diǎn)的坐點(diǎn)的坐標(biāo)位置：標(biāo)位置： 和為信和為信號(hào)電極，號(hào)電極，為公共電極為公共電極A1.1.兩面分離型兩面分離型PSDPSD 兩面分離型兩面分離型PSDPSD的兩個(gè)面都是均勻電的兩個(gè)面都是均勻電阻層，兩對(duì)互相垂直阻層，兩對(duì)互相垂直的電極分別位于上下的電極分別位于上下兩個(gè)表面上。兩個(gè)表面上。 （2 2）二維）二維PSD 二維二維PSD的感光面是方形的的感光面是方形的, ,比一維比一維PSD多一對(duì)多一對(duì)電極電極按其電極位置可分為三種形式按其電極位置可分為

47、三種形式2.2.表面分離型表面分離型PSD 表面分離型表面分離型PSDPSD的相的相互垂直的兩對(duì)電極在同互垂直的兩對(duì)電極在同一個(gè)表面上，一個(gè)表面上，光電流在光電流在同一電阻層內(nèi)分成四部同一電阻層內(nèi)分成四部份，即份，即Ix、Ix、Iy、Iy，并作為位移信號(hào)輸出。并作為位移信號(hào)輸出。它具有施加偏壓容易，它具有施加偏壓容易，暗電流小和響應(yīng)速度快暗電流小和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn) 3.3.改進(jìn)表面分離型改進(jìn)表面分離型PSD 改進(jìn)表面分離型改進(jìn)表面分離型PSDPSD是是對(duì)表面分離型的光敏面和對(duì)表面分離型的光敏面和電極進(jìn)行了改進(jìn)而做出的。電極進(jìn)行了改進(jìn)而做出的。優(yōu)點(diǎn)是，暗電流小、響應(yīng)優(yōu)點(diǎn)是，暗電流小、響應(yīng)時(shí)

48、間快、易于加反偏壓、時(shí)間快、易于加反偏壓、位置檢測(cè)誤差小。位置檢測(cè)誤差小。c.PSD轉(zhuǎn)換放大電路轉(zhuǎn)換放大電路 2.2.電流電流- -電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖V1100kRf (1M)10pFA1（CA3140）受光面Rf(1M)100k10pF+10VA2（CA3140）V2+10VRfRfA5A2A1A4A3U位置信號(hào)I I受光面1.一維的一維的PSD轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換/放大電路原理圖放大電路原理圖Rf值取決于輸入值取決于輸入電平的大小，電平的大小，U為模擬除法器，為模擬除法器，所有的運(yùn)算放大所有的運(yùn)算放大器均為低漂移運(yùn)器均為低漂移運(yùn)算放大器。算放大器。 為了適應(yīng)內(nèi)阻比較低的電流源，為了適

49、應(yīng)內(nèi)阻比較低的電流源，用作電流用作電流-電壓變換電路的前置放電壓變換電路的前置放大器要有低偏壓電源特性以及較大器要有低偏壓電源特性以及較小的輸人噪聲電壓和零漂電壓，小的輸人噪聲電壓和零漂電壓，輸人噪聲通過(guò)輸人噪聲通過(guò)PSD內(nèi)阻與反饋電內(nèi)阻與反饋電阻之比進(jìn)行放大，為此，反饋電阻之比進(jìn)行放大，為此，反饋電阻通常選擇阻通常選擇1M左右左右, 一維的一維的PSD? 可同時(shí)檢測(cè)位置和光強(qiáng)；可同時(shí)檢測(cè)位置和光強(qiáng)；PSD器件輸出總電流器件輸出總電流與入射光強(qiáng)有關(guān)，所以從總光電流可求得相應(yīng)的入射與入射光強(qiáng)有關(guān)，所以從總光電流可求得相應(yīng)的入射光強(qiáng)。光強(qiáng)。d d 光電位置傳感器的特征和用途光電位置傳感器的特征和用

50、途光電位置傳感器具有的特點(diǎn)：光電位置傳感器具有的特點(diǎn)： 對(duì)光斑的形狀無(wú)嚴(yán)格要求，只與光的能量重心對(duì)光斑的形狀無(wú)嚴(yán)格要求，只與光的能量重心有關(guān)；有關(guān)； 光敏面無(wú)死區(qū)，可連續(xù)測(cè)量光斑位置，分辨率光敏面無(wú)死區(qū)，可連續(xù)測(cè)量光斑位置，分辨率高，一維高，一維PSD可達(dá)可達(dá)0.2m； 光電位置傳感器被廣泛地應(yīng)用于激光束的光電位置傳感器被廣泛地應(yīng)用于激光束的監(jiān)監(jiān)控控、平面度檢測(cè)、平面度檢測(cè)、一維長(zhǎng)度檢測(cè)一維長(zhǎng)度檢測(cè)、二維位置檢測(cè)二維位置檢測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)等。等。對(duì)準(zhǔn)、位移和振動(dòng)對(duì)準(zhǔn)、位移和振動(dòng)e.e.使用使用PSD時(shí)的注意事項(xiàng)：時(shí)的注意事項(xiàng)：(1) (1) 注意注意PSD與光源的光譜匹配與光源的光譜匹配 PSD波長(zhǎng)

51、響應(yīng)范圍較寬，波長(zhǎng)響應(yīng)范圍較寬，一般在一般在3003001100nm1100nm范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，峰值波長(zhǎng)在峰值波長(zhǎng)在900nm900nm左右，左右， (2) (2) 注意所加電壓不宜太大注意所加電壓不宜太大也不能太小，以免影響也不能太小，以免影響PSD的響應(yīng)頻率。的響應(yīng)頻率。 結(jié)電容結(jié)電容Cj 是決定響應(yīng)是決定響應(yīng)速度的一個(gè)主要因素速度的一個(gè)主要因素。當(dāng)。當(dāng)反偏壓超過(guò)一定值時(shí)，結(jié)反偏壓超過(guò)一定值時(shí)，結(jié)電容基本上為一常數(shù)。電容基本上為一常數(shù)。 從曲線(xiàn)可知，從曲線(xiàn)可知，越接近越接近邊緣，其位置檢測(cè)誤差越邊緣，其位置檢測(cè)誤差越大大。使用時(shí)盡量不要接近。使用時(shí)盡量不要接近邊緣。邊緣。(3)(3)注意使

52、用注意使用PSD時(shí)的環(huán)境溫度時(shí)的環(huán)境溫度 當(dāng)入射光波長(zhǎng)小于當(dāng)入射光波長(zhǎng)小于950nm950nm時(shí)，溫度變化對(duì)其靈敏度基時(shí)，溫度變化對(duì)其靈敏度基本上無(wú)影響本上無(wú)影響，但光波長(zhǎng)大于，但光波長(zhǎng)大于950nm950nm時(shí)其靈敏度隨著溫度的時(shí)其靈敏度隨著溫度的變化較大。變化較大。(4)(4)注意位置測(cè)量誤差范圍注意位置測(cè)量誤差范圍雪崩光電二極管有以下特征：雪崩光電二極管有以下特征：1）靈敏度很高靈敏度很高:電流增益可達(dá)電流增益可達(dá)102103；2）響應(yīng)速度快響應(yīng)速度快:響應(yīng)時(shí)間只有響應(yīng)時(shí)間只有0.5ns， 響應(yīng)頻率響應(yīng)頻率 可達(dá)可達(dá)100GHz；3）噪聲等效功率很小噪聲等效功率很小:約為約為10-15W

53、。4）反偏壓高反偏壓高,可達(dá)可達(dá)200V,接近于反向擊穿電壓。接近于反向擊穿電壓。廣泛用于廣泛用于光纖通訊、弱信號(hào)檢測(cè)、激光測(cè)距光纖通訊、弱信號(hào)檢測(cè)、激光測(cè)距等領(lǐng)域等領(lǐng)域。 3.5.3.3.5.3.雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD) 雪崩光電二極管是借助強(qiáng)電場(chǎng)產(chǎn)生雪崩光電二極管是借助強(qiáng)電場(chǎng)產(chǎn)生載流子倍增效應(yīng)載流子倍增效應(yīng)工作的一種高速光電二極管。工作的一種高速光電二極管。 雪崩倍增效應(yīng)雪崩倍增效應(yīng): :當(dāng)在光電二極管上加當(dāng)在光電二極管上加（100-200V）反向偏壓時(shí)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的電場(chǎng)。結(jié)區(qū)的光生反向偏壓時(shí)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的電場(chǎng)。結(jié)區(qū)的光生載流子受強(qiáng)電場(chǎng)的加速獲得很大的能量，與

54、原子碰撞時(shí)載流子受強(qiáng)電場(chǎng)的加速獲得很大的能量，與原子碰撞時(shí)可使原子電離，新生的電子可使原子電離，新生的電子- -空穴對(duì)在向電極運(yùn)動(dòng)過(guò)程空穴對(duì)在向電極運(yùn)動(dòng)過(guò)程中又獲得足夠能量，再次與原子碰撞，又產(chǎn)生新的電子中又獲得足夠能量，再次與原子碰撞，又產(chǎn)生新的電子- -空穴對(duì)。這一過(guò)程不斷重復(fù)，使空穴對(duì)。這一過(guò)程不斷重復(fù)，使PNPN結(jié)內(nèi)電流急劇增加，結(jié)內(nèi)電流急劇增加，雪崩倍雪崩倍增效應(yīng)增效應(yīng) 3.5.4.3.5.4.紫外光電二極管紫外光電二極管 紫外光是頻率很高的電磁波紫外光是頻率很高的電磁波，由于半導(dǎo)體材料對(duì)電，由于半導(dǎo)體材料對(duì)電磁波的吸收與波的頻率有關(guān)，頻率越高吸收越大，所以磁波的吸收與波的頻率有關(guān)，

55、頻率越高吸收越大，所以大多數(shù)大多數(shù)紫外光生載流子紫外光生載流子將產(chǎn)生在材料的表面附近還沒(méi)有將產(chǎn)生在材料的表面附近還沒(méi)有到達(dá)結(jié)區(qū)就因密度太大而被復(fù)合掉，響應(yīng)率很低。到達(dá)結(jié)區(qū)就因密度太大而被復(fù)合掉，響應(yīng)率很低。 研究和分析認(rèn)為：制造時(shí)采用淺研究和分析認(rèn)為：制造時(shí)采用淺PN結(jié)和肖特結(jié)和肖特基結(jié)的結(jié)構(gòu)，可以增強(qiáng)對(duì)藍(lán)、紫波長(zhǎng)光的吸收和基結(jié)的結(jié)構(gòu)，可以增強(qiáng)對(duì)藍(lán)、紫波長(zhǎng)光的吸收和響應(yīng)率。響應(yīng)率。 已經(jīng)研制的藍(lán)、紫光增強(qiáng)型硅光電二極管，具有已經(jīng)研制的藍(lán)、紫光增強(qiáng)型硅光電二極管，具有PN結(jié)淺、電子擴(kuò)散長(zhǎng)度大和表面復(fù)合速率小結(jié)淺、電子擴(kuò)散長(zhǎng)度大和表面復(fù)合速率小等三方面的優(yōu)等三方面的優(yōu)點(diǎn)。目前生產(chǎn)的系列紫外光電二極

56、管的光譜范圍從點(diǎn)。目前生產(chǎn)的系列紫外光電二極管的光譜范圍從1901901100nm1100nm。1.1.藍(lán)、紫增強(qiáng)型硅光電二極管藍(lán)、紫增強(qiáng)型硅光電二極管 一般利用一般利用金或鋁金或鋁分別與分別與Si、Ge、GaAs、GaAsP、GaP等半導(dǎo)體材料接觸，等半導(dǎo)體材料接觸，制得各種肖制得各種肖特基結(jié)光電二極管特基結(jié)光電二極管。2 2肖特基結(jié)光電二極管肖特基結(jié)光電二極管 由于結(jié)深為零，因此能吸收入射光中相當(dāng)一部份由于結(jié)深為零，因此能吸收入射光中相當(dāng)一部份藍(lán)藍(lán)、紫光紫光和幾乎所有的和幾乎所有的紫外線(xiàn)紫外線(xiàn)，吸收后所激發(fā)的光生，吸收后所激發(fā)的光生載流子在復(fù)合之前就會(huì)被強(qiáng)電場(chǎng)分離，這就提高了光載流子在復(fù)合

57、之前就會(huì)被強(qiáng)電場(chǎng)分離，這就提高了光生載流子的產(chǎn)生效率和收集效率，改善了器件的短波生載流子的產(chǎn)生效率和收集效率，改善了器件的短波響應(yīng)率。響應(yīng)率。肖特基勢(shì)壘是由金屬與半導(dǎo)體接觸形成的肖特基勢(shì)壘是由金屬與半導(dǎo)體接觸形成的。 可以把肖特基勢(shì)壘光電二極管看作是一個(gè)可以把肖特基勢(shì)壘光電二極管看作是一個(gè)結(jié)深為零，表面覆蓋著薄而透明金屬膜的結(jié)深為零，表面覆蓋著薄而透明金屬膜的PN結(jié)。結(jié)。 從圖可見(jiàn)，在同一塊硅片上制造兩個(gè)深淺不同的從圖可見(jiàn)，在同一塊硅片上制造兩個(gè)深淺不同的PNPN結(jié)，其中結(jié)，其中PD1為淺結(jié)為淺結(jié):對(duì)短波長(zhǎng)的光響應(yīng)率高；對(duì)短波長(zhǎng)的光響應(yīng)率高；PD2為深結(jié)為深結(jié):對(duì)波長(zhǎng)長(zhǎng)的光響應(yīng)率高對(duì)波長(zhǎng)長(zhǎng)的光

58、響應(yīng)率高。又稱(chēng)為雙結(jié)光電二極管。又稱(chēng)為雙結(jié)光電二極管。 光譜響光譜響應(yīng)特性應(yīng)特性深結(jié)深結(jié)淺結(jié)淺結(jié)3.5.5.3.5.5.半導(dǎo)體色敏器件半導(dǎo)體色敏器件 半導(dǎo)體色敏器件是根據(jù)半導(dǎo)體色敏器件是根據(jù)人眼視覺(jué)的三色原理人眼視覺(jué)的三色原理，利用不利用不同結(jié)深的光電二極管同結(jié)深的光電二極管對(duì)各種波長(zhǎng)的光譜響應(yīng)率不同的現(xiàn)對(duì)各種波長(zhǎng)的光譜響應(yīng)率不同的現(xiàn)象制成的。象制成的。1 1半導(dǎo)體色敏器件的工作原理半導(dǎo)體色敏器件的工作原理半導(dǎo)體色敏器件的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路。半導(dǎo)體色敏器件的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路。 根據(jù)雙結(jié)光電二極管根據(jù)雙結(jié)光電二極管等效電路等效電路，可以設(shè)計(jì)如下，可以設(shè)計(jì)如下圖所示的圖所示的信號(hào)處理電路信號(hào)

59、處理電路121212120)lg()lg(lgRRIIVRRIIVVscscascsca2 2雙結(jié)硅色敏器件的檢測(cè)電路雙結(jié)硅色敏器件的檢測(cè)電路 圖中圖中PD1、PD2為兩個(gè)深淺不同的硅為兩個(gè)深淺不同的硅PN結(jié)結(jié)?最后得到不同顏色的輸出電壓值：最后得到不同顏色的輸出電壓值：IoTslg()uUUI R 當(dāng)用雙結(jié)光電二極管作顏色測(cè)量時(shí)，可以測(cè)出其當(dāng)用雙結(jié)光電二極管作顏色測(cè)量時(shí)，可以測(cè)出其中兩個(gè)硅光電二極管的短路電流比的對(duì)數(shù)值中兩個(gè)硅光電二極管的短路電流比的對(duì)數(shù)值與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系 SC1sc2IIlg由圖可知，由圖可知，每一種波長(zhǎng)的每一種波長(zhǎng)的光都對(duì)應(yīng)于一短路電流比光都對(duì)應(yīng)于一短

60、路電流比值，值，可根據(jù)短路電流比值可根據(jù)短路電流比值來(lái)判別入射光的波長(zhǎng)來(lái)判別入射光的波長(zhǎng) 就可以得到就可以得到輸出電壓輸出電壓Vo o與與入射波長(zhǎng)之間的關(guān)系入射波長(zhǎng)之間的關(guān)系 只要測(cè)出處理電路的輸只要測(cè)出處理電路的輸出電壓，就可利用這條曲線(xiàn)出電壓，就可利用這條曲線(xiàn)快速地確定出被測(cè)光的波長(zhǎng)快速地確定出被測(cè)光的波長(zhǎng)以達(dá)到識(shí)別顏色的目的。以達(dá)到識(shí)別顏色的目的。 雙結(jié)光電二極管只能用雙結(jié)光電二極管只能用于于確定單色光的波長(zhǎng)確定單色光的波長(zhǎng)，對(duì)于混合色光，它是無(wú)對(duì)于混合色光，它是無(wú)能為力的能為力的121212120)lg()lg(lgRRIIVRRIIVVscscascsca 根據(jù)色度學(xué)理論，已經(jīng)研制出