第六章--光電子技術(shù)

1、第六章：第六章： 光伏探測(cè)器光伏探測(cè)器光伏探測(cè)器光伏探測(cè)器：利用半導(dǎo)體利用半導(dǎo)體p-np-n結(jié)光伏效應(yīng)制作結(jié)光伏效應(yīng)制作 的探測(cè)器的探測(cè)器; ;探測(cè)器類型探測(cè)器類型：根據(jù)內(nèi)建電場(chǎng)形成的結(jié)勢(shì)壘的不根據(jù)內(nèi)建電場(chǎng)形成的結(jié)勢(shì)壘的不 同，有同，有p-np-n結(jié)勢(shì)壘，結(jié)勢(shì)壘，PINPIN結(jié)勢(shì)壘結(jié)勢(shì)壘, , 金屬半導(dǎo)體的肖特基勢(shì)壘金屬半導(dǎo)體的肖特基勢(shì)壘 等。等。主要內(nèi)容主要內(nèi)容: :光電池、光電二極管、光電池、光電二極管、PINPIN光電二極光電二極 管、雪崩二極管、光電三極管等管、雪崩二極管、光電三極管等6.1 6.1 光伏探測(cè)器的工作原理光伏探測(cè)器的工作原理 -+p n 無(wú)光照無(wú)光照 光照光照 (-)

2、+ _+ + + _+ + + (-)(+) 光照光照 內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)p-n結(jié)結(jié) 光生載流子光生載流子 形成光生電動(dòng)勢(shì)形成光生電動(dòng)勢(shì) 在外回路形成電流在外回路形成電流1 1、光生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生過(guò)程、光生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生過(guò)程2 2、光照后產(chǎn)生的電流：、光照后產(chǎn)生的電流：兩部分電流：光電流兩部分電流：光電流I Ip p 光生電壓產(chǎn)生的正向電流光生電壓產(chǎn)生的正向電流I I PkTevsoIeII) 1(/（6.1） PIheP(沒有內(nèi)增益沒有內(nèi)增益) ) 1(/kTeVsoeII結(jié)區(qū)的總電流結(jié)區(qū)的總電流I I為：為：V為光生電動(dòng)勢(shì)，為光生電動(dòng)勢(shì)，Iso反向飽和電流反向飽和電流 3、光照后的伏安特性曲線、

3、光照后的伏安特性曲線 第一象限：第一象限：加正向偏壓，p-n結(jié)暗電流ID光生電流，光探測(cè)器不工作在這個(gè)區(qū)域。第三象限：第三象限：p-n結(jié)加反向偏壓，此時(shí)p-n結(jié)暗電流IDIsoIp, IIp+Iso= Ip, 光探測(cè)器多工作在這個(gè)區(qū)域?？偨Y(jié)：光伏探測(cè)器工作于總結(jié)：光伏探測(cè)器工作于 反偏電壓狀態(tài)反偏電壓狀態(tài) l4 4、光伏探測(cè)器的兩個(gè)重要參數(shù)：、光伏探測(cè)器的兩個(gè)重要參數(shù)： (1)(1)開路電壓開路電壓;(2);(2)短路電流短路電流; ; （1 1）光伏探測(cè)器）光伏探測(cè)器p-np-n結(jié)開路電壓結(jié)開路電壓V Vococ( (光電池的重要參數(shù)光電池的重要參數(shù)) ) 開路時(shí)，即開路時(shí)，即I=0I=0時(shí)

4、，由公式時(shí)，由公式(6.1)(6.1)得到電壓為得到電壓為：) 1ln() 1ln(sohPesopocIekTIIekTV(6.2) （2 2）短路電流（光電二極管的參數(shù)）短路電流（光電二極管的參數(shù)） 短路時(shí)，短路時(shí)，V=0, IV=0, I+ +=0=0PheIPI短 （6.3） PkTevsoIeII) 1(/6. 2.,6. 2.,光伏探測(cè)器的噪聲光伏探測(cè)器的噪聲l 噪聲主要有：（噪聲主要有：（1 1）散粒噪聲（）散粒噪聲（2 2）熱噪聲）熱噪聲 總噪聲為：總噪聲為： dNRfkTfeIi422反偏工作時(shí)，反偏工作時(shí)，R Rd d非常大，因熱噪聲可忽略不計(jì)。非常大，因熱噪聲可忽略不計(jì)。

5、 總噪聲為：總噪聲為：feIiN 22I 主要由暗電流和光電流組成，因此主要由暗電流和光電流組成，因此, ,fIIeiPDN)(22（6.4） （1 1）無(wú)光照時(shí)：）無(wú)光照時(shí)： 在零偏置時(shí)：流過(guò)在零偏置時(shí)：流過(guò)p-np-n結(jié)的電流包含熱激發(fā)產(chǎn)結(jié)的電流包含熱激發(fā)產(chǎn)生的正向和反向的暗電流，它們對(duì)總電流的貢獻(xiàn)為生的正向和反向的暗電流，它們對(duì)總電流的貢獻(xiàn)為零，而對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)是疊加的，因此總噪聲為：零，而對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)是疊加的，因此總噪聲為：feIfeIfeIiiiDDDNNN422222當(dāng)器件處于負(fù)偏壓工作時(shí)：由于當(dāng)器件處于負(fù)偏壓工作時(shí)：由于I ID D0 0 ，上式寫，上式寫成：成：feIiDN 22

6、總結(jié)：無(wú)光照時(shí)，負(fù)偏壓可以抑制噪聲總結(jié)：無(wú)光照時(shí)，負(fù)偏壓可以抑制噪聲（2 2）有光照時(shí)：）有光照時(shí)：偏壓為偏壓為0 0時(shí)，流過(guò)時(shí)，流過(guò)p-np-n結(jié)的電流有三部分，總噪聲為：結(jié)的電流有三部分，總噪聲為：fIIefIIIeiiiiPDPDDpNNNN)2(2 )(22222當(dāng)器件處于負(fù)偏壓工作時(shí)，由于由于當(dāng)器件處于負(fù)偏壓工作時(shí)，由于由于I ID D0 0，因此總，因此總噪聲為：噪聲為：fIIeiPDN)(22總結(jié)：為降低暗電流噪聲，探測(cè)器需工作在負(fù)偏壓總結(jié)：為降低暗電流噪聲，探測(cè)器需工作在負(fù)偏壓6.36.3光伏探測(cè)器的性能參數(shù)光伏探測(cè)器的性能參數(shù)l （1 1）響應(yīng)率：）響應(yīng)率： 由由6.26.2

7、式，可得電壓響應(yīng)率為：式，可得電壓響應(yīng)率為： ) 1ln(soPocvIIePkTPVR在弱光照射下，即在弱光照射下，即I Ip pIIsoso時(shí)，上式可以寫為：時(shí)，上式可以寫為：sosoPvIhkTIIePkTR1（6.5） 反向飽和電流為：反向飽和電流為：dnoPPponnsoAPLDnLDeI)(n npopo和和p pnono為少數(shù)載流子濃度；為少數(shù)載流子濃度；D Dn n和和D Dp p分別為電子和空穴的擴(kuò)分別為電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)，散系數(shù)，L Ln n、L Lp p分別為電子和分別為電子和空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度，空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度，A Ad d為探測(cè)器為探測(cè)器的光敏面積。的光敏面積。)1ln(

8、)1ln(sohPesopocIekTIIekTVl (2) 探測(cè)率：探測(cè)率：Rv與器件工作溫度、光敏面的面積、少數(shù)載流子的濃與器件工作溫度、光敏面的面積、少數(shù)載流子的濃度和擴(kuò)散有關(guān)；而與與外偏壓無(wú)關(guān)。度和擴(kuò)散有關(guān)；而與與外偏壓無(wú)關(guān)。21*)(fAVRDdNVl只考慮散粒噪聲且在弱光條件下：只考慮散粒噪聲且在弱光條件下：a)零偏壓時(shí)零偏壓時(shí)弱光條件下有：弱光條件下有： feIfIIIeiDPDDN4)(22sosoPvIhkTIIePkTR1因此探測(cè)率因此探測(cè)率為為 ：212210*)4()(LDdvvfReIfARDb b）反偏壓工作）反偏壓工作時(shí)時(shí)弱光條件下有：弱光條件下有： feIfII

9、eiDPDN2)(22212210*)2()(LDdvvfReIfARD 反偏壓工作時(shí)的探測(cè)率為零偏壓工作時(shí)的反偏壓工作時(shí)的探測(cè)率為零偏壓工作時(shí)的 倍，倍，因此光伏探測(cè)器一般工作于反偏壓。因此光伏探測(cè)器一般工作于反偏壓。 探測(cè)率與負(fù)載電阻有關(guān)，要適當(dāng)選取負(fù)載電阻。探測(cè)率與負(fù)載電阻有關(guān)，要適當(dāng)選取負(fù)載電阻。2(3)(3)光譜特性光譜特性硅和鍺材料硅和鍺材料：近紅外和可見光波段：近紅外和可見光波段鍺光電二極管鍺光電二極管：響應(yīng)峰值波長(zhǎng)：響應(yīng)峰值波長(zhǎng)1.4um1.5um，長(zhǎng)波，長(zhǎng)波 限為限為1.8um，短波限為，短波限為0.41um，硅光電二極管硅光電二極管：峰值波長(zhǎng)：峰值波長(zhǎng)0.80.9umHgC

10、dTe、PbSnTe等光伏探測(cè)等光伏探測(cè)：通過(guò)控制溫度及組：通過(guò)控制溫度及組 分可以到分可以到13um和和 814um。(4) 溫度特性溫度特性光伏探測(cè)器的噪聲特性和光電流都與溫度有關(guān)系光伏探測(cè)器的噪聲特性和光電流都與溫度有關(guān)系 6.46.4光伏探測(cè)器實(shí)例光伏探測(cè)器實(shí)例-光電池及光伏探測(cè)器光電池及光伏探測(cè)器光電池：光電池：能源和探測(cè)器件；能源和探測(cè)器件；光伏探測(cè)器：光伏探測(cè)器：光電信號(hào)變換；在微弱快速信號(hào)探光電信號(hào)變換；在微弱快速信號(hào)探 測(cè)方面有重要的應(yīng)用測(cè)方面有重要的應(yīng)用一、光電池一、光電池光電池：光電池：不需加偏壓就能把光能轉(zhuǎn)換成電能；按用途不需加偏壓就能把光能轉(zhuǎn)換成電能；按用途分類為：分

11、類為：太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池(轉(zhuǎn)換效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、轉(zhuǎn)換效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、可靠性強(qiáng)、成本低重量輕、可靠性強(qiáng)、成本低)；測(cè)量光電池測(cè)量光電池(線性范圍線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性好）：在光度寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性好）：在光度學(xué)、色度學(xué)、光學(xué)精密計(jì)量和測(cè)試中有廣泛的應(yīng)用。學(xué)、色度學(xué)、光學(xué)精密計(jì)量和測(cè)試中有廣泛的應(yīng)用。硅光電池：硅光電池：工藝最成熟，應(yīng)用最廣泛，具有高效率、寬工藝最成熟，應(yīng)用最廣泛，具有高效率、寬的光譜響應(yīng)、良好的頻率響應(yīng)特性、高穩(wěn)定性及耐高能的光譜響應(yīng)、良好的頻率響應(yīng)特性、高穩(wěn)定性及耐高能輻射等優(yōu)點(diǎn)。輻射等優(yōu)點(diǎn)。單晶硅：?jiǎn)尉Ч瑁鹤儞Q效

12、率最高，已達(dá)以上，變換效率最高，已達(dá)以上，但價(jià)格也最貴；但價(jià)格也最貴；非晶態(tài)硅：非晶態(tài)硅：變換效率最低，但價(jià)格最便變換效率最低，但價(jià)格最便宜，最有希望用于一般發(fā)電。宜，最有希望用于一般發(fā)電。光電池材料：光電池材料：硅、硒、鍺、砷化鎵等四大類；硅、硒、鍺、砷化鎵等四大類；硒光電池：硒光電池：光譜響應(yīng)與人的視覺函數(shù)很相似，光譜響應(yīng)與人的視覺函數(shù)很相似， 由于穩(wěn)定性很差，目前已經(jīng)被硅光電池取代由于穩(wěn)定性很差，目前已經(jīng)被硅光電池取代； 砷化鎵光電池：砷化鎵光電池：量子效率高，噪聲小，光譜響應(yīng)在紫外量子效率高，噪聲小，光譜響應(yīng)在紫外 和可見區(qū)域，適用于光度測(cè)量；和可見區(qū)域，適用于光度測(cè)量；鍺光電池：鍺光

13、電池：長(zhǎng)波響應(yīng)寬，適合作近紅外探測(cè)器；長(zhǎng)波響應(yīng)寬，適合作近紅外探測(cè)器；(1)(1)硅光電池結(jié)構(gòu)硅光電池結(jié)構(gòu)國(guó)產(chǎn)為國(guó)產(chǎn)為2DR2DR和和2CR2CR型兩種系列型兩種系列2DR2DR結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：P P型硅為基片，擴(kuò)散磷形成型硅為基片，擴(kuò)散磷形成n n型薄膜，型薄膜，構(gòu)成構(gòu)成p-np-n結(jié)。有較強(qiáng)的抗輻射能力，適合空間使用結(jié)。有較強(qiáng)的抗輻射能力，適合空間使用2CR2CR結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：n n型硅為基片，擴(kuò)散硼形成型硅為基片，擴(kuò)散硼形成p p型薄膜，型薄膜，構(gòu)成構(gòu)成p-np-n結(jié)。一般在地面上作光電探測(cè)器使用。結(jié)。一般在地面上作光電探測(cè)器使用。柵狀電極：柵狀電極：可以有效增大光敏面積和減少

14、電極與光敏面的接可以有效增大光敏面積和減少電極與光敏面的接觸電阻觸電阻. .光電池工作于有負(fù)載的情況光電池工作于有負(fù)載的情況, ,其工作原理：其工作原理：負(fù)載電壓為：負(fù)載電壓為： LDPLRIIIRV)(工作特點(diǎn)工作特點(diǎn)： 光電池工作特性與負(fù)載關(guān)系很大。光電池工作特性與負(fù)載關(guān)系很大。I I與與P P線性線性關(guān)系要求不高，只要求關(guān)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電阻值。光功率要求不同的電阻值。 最佳負(fù)載電阻的確定方法最佳負(fù)載電阻的確定方法Voc V/mVI/ mAIsc5040302010 0RM（2 2）光譜特性：）光譜特性：光電池的光譜響應(yīng)取

15、決于材光電池的光譜響應(yīng)取決于材 料的性能。料的性能。S Se e: : 峰值響應(yīng)波長(zhǎng)峰值響應(yīng)波長(zhǎng)0.57um0.57um，可見光波段的敏感元件，可見光波段的敏感元件S Si i: : 光譜相應(yīng)在光譜相應(yīng)在0.40.41.1um1.1um，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)0.85um0.85um(3) (3) 頻率特性：頻率特性：光電池的響應(yīng)頻率一般不太高，光電池的響應(yīng)頻率一般不太高，硅光電池最高截止頻率僅為幾十千赫。硅光電池最高截止頻率僅為幾十千赫。原因：原因：光敏面大光敏面大 極間電容大極間電容大電路時(shí)間常數(shù)電路時(shí)間常數(shù) RLC較大較大(4) (4) 溫度特性：溫度特性：強(qiáng)光照射或聚焦光強(qiáng)光照射或

16、聚焦光束照射情況下，更束照射情況下，更要考慮光電池工作要考慮光電池工作的溫度的溫度二、硅光電二極管二、硅光電二極管 硅光電二極管制作工藝成熟，暗電流和溫度硅光電二極管制作工藝成熟，暗電流和溫度系數(shù)遠(yuǎn)小于鍺，目前使用的多是硅光電二極管。系數(shù)遠(yuǎn)小于鍺，目前使用的多是硅光電二極管。圖圖b b：是采用單晶硅及是采用單晶硅及磷擴(kuò)散工藝，稱磷擴(kuò)散工藝，稱n np p結(jié)結(jié)構(gòu)，型號(hào)為構(gòu)，型號(hào)為2DU2DU。圖圖a a：是用是用n n型單晶硅及型單晶硅及硼擴(kuò)散工藝制成，稱硼擴(kuò)散工藝制成，稱p pn n結(jié)構(gòu)，型號(hào)為結(jié)構(gòu)，型號(hào)為2CU2CU。特點(diǎn)特點(diǎn)：環(huán)形：環(huán)形p-np-n結(jié)，為了消除表面漏電流，工作于較小的負(fù)偏結(jié)

17、，為了消除表面漏電流，工作于較小的負(fù)偏 壓；通常用平面鏡和聚焦透鏡作為入射窗口；聚焦透壓；通常用平面鏡和聚焦透鏡作為入射窗口；聚焦透 鏡：提高靈敏度，由于了聚焦位置與入射光方向有關(guān)，鏡：提高靈敏度，由于了聚焦位置與入射光方向有關(guān)， 因此能減小雜散背景光的干擾。因此能減小雜散背景光的干擾。伏安特性伏安特性：工作于：工作于反向偏壓下，無(wú)光反向偏壓下，無(wú)光照射時(shí)的暗電流照射時(shí)的暗電流I ID D=I=Isoso；光照時(shí)；光照時(shí)I Ip p，I Isoso同一方向光電二同一方向光電二極管工作于線性區(qū)極管工作于線性區(qū)域域 曲線分析曲線分析： 反偏壓增加，耗盡層加寬，結(jié)電場(chǎng)增強(qiáng)，對(duì)結(jié)區(qū)反偏壓增加，耗盡層加

18、寬，結(jié)電場(chǎng)增強(qiáng)，對(duì)結(jié)區(qū)光的吸收及光生載流子的收集效率影響很大，當(dāng)反偏壓光的吸收及光生載流子的收集效率影響很大，當(dāng)反偏壓進(jìn)一步增加時(shí)，光生載流子的收集已達(dá)極限，光電流飽進(jìn)一步增加時(shí)，光生載流子的收集已達(dá)極限，光電流飽和。和。性能參數(shù)性能參數(shù)：響應(yīng)率在：響應(yīng)率在：0.40.40.6uA/uW0.6uA/uW的量級(jí)。的量級(jí)。光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)：可見光：可見光+ +近紅外近紅外在在0.80.81um1um波段響應(yīng)率最波段響應(yīng)率最高，采用視覺補(bǔ)償濾波器后，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)可轉(zhuǎn)移到高，采用視覺補(bǔ)償濾波器后，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)可轉(zhuǎn)移到560nm560nm左右，但響應(yīng)率下降。左右，但響應(yīng)率下降。噪聲噪聲：主要是散粒噪聲和

19、熱噪聲，弱光時(shí)，散粒噪聲：主要是散粒噪聲和熱噪聲，弱光時(shí)，散粒噪聲小于熱噪聲，強(qiáng)光時(shí)，散粒噪聲大于熱噪聲。小于熱噪聲，強(qiáng)光時(shí)，散粒噪聲大于熱噪聲。頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)：光電二極管的頻率響應(yīng)遠(yuǎn)比硅光電池高，：光電二極管的頻率響應(yīng)遠(yuǎn)比硅光電池高，達(dá)到達(dá)到MHzMHz量級(jí)。量級(jí)。 典型光電二極管典型光電二極管-濱松濱松(HAMAMATSU)(HAMAMATSU)公司產(chǎn)品公司產(chǎn)品: : SiSiPhotodiode S1087/S1133 SeriesPhotodiode S1087/S1133 Seriesl三、光電二極管三、光電二極管(1)(1)本征層厚度近似等于反偏壓下本征層厚度近似等于反偏壓下耗盡

20、層的厚度，厚度為耗盡層的厚度，厚度為500um500um左右左右(2)(2)本征層相對(duì)于本征層相對(duì)于n n區(qū)和區(qū)和p p區(qū)是高阻區(qū)是高阻區(qū)，高電阻使暗電流明顯減小。反區(qū)，高電阻使暗電流明顯減小。反向偏電主要集中于這個(gè)區(qū)域，形成向偏電主要集中于這個(gè)區(qū)域，形成高電場(chǎng)區(qū)，由于高電場(chǎng)區(qū)，由于p p區(qū)很薄，光電變區(qū)很薄，光電變換主要集中在本征層，強(qiáng)電場(chǎng)使光換主要集中在本征層，強(qiáng)電場(chǎng)使光生載流子渡越時(shí)間變短，改善了頻生載流子渡越時(shí)間變短，改善了頻率響應(yīng)率響應(yīng)(3)(3)本征層的引入使得耗盡層加寬，本征層的引入使得耗盡層加寬，減少了結(jié)電容，使電容時(shí)間常數(shù)變減少了結(jié)電容，使電容時(shí)間常數(shù)變小，響應(yīng)時(shí)間更快小，響

21、應(yīng)時(shí)間更快；引入本征層對(duì)提高器件靈敏度和頻率響應(yīng)起非常引入本征層對(duì)提高器件靈敏度和頻率響應(yīng)起非常重要的作用。重要的作用?，F(xiàn)有產(chǎn)品的現(xiàn)有產(chǎn)品的PINPIN光電二極管性能參數(shù)光電二極管性能參數(shù)濱松濱松S Si i PIN Photodiode PIN Photodiode大光敏面的大光敏面的PINPIN光電二極管光電二極管l噪噪 聲聲： 硅硅PINPIN中，熱噪聲占優(yōu)勢(shì)。中，熱噪聲占優(yōu)勢(shì)。 鍺鍺PINPIN中，暗電流散粒噪聲相比較大中，暗電流散粒噪聲相比較大 四、雪崩光電二極管（四、雪崩光電二極管（APDAPD） 雪崩二極管是具有內(nèi)增益的光伏探測(cè)器，雪崩二極管是具有內(nèi)增益的光伏探測(cè)器，利用光生載流

22、子在高電場(chǎng)區(qū)內(nèi)的雪崩效應(yīng)獲得利用光生載流子在高電場(chǎng)區(qū)內(nèi)的雪崩效應(yīng)獲得光電流增益，具有高靈敏度，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。光電流增益，具有高靈敏度，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。1.1.工作原理工作原理- -雪崩效應(yīng)雪崩效應(yīng)p-n結(jié)結(jié) 光生載流子產(chǎn)生光生載流子產(chǎn)生 獲得高獲得高能量，與晶格原能量，與晶格原子碰撞，晶格原子電離產(chǎn)生電子子碰撞，晶格原子電離產(chǎn)生電子-空穴對(duì)空穴對(duì) 獲得高能量，再次與晶格原子碰撞獲得高能量，再次與晶格原子碰撞 產(chǎn)生新的電子產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。上述過(guò)程不斷重復(fù)，使空穴對(duì)。上述過(guò)程不斷重復(fù)，使p-n結(jié)內(nèi)結(jié)內(nèi)電流急劇倍增放大，這就是雪崩效應(yīng)。電流急劇倍增放大，這就是雪崩效應(yīng)。 強(qiáng)電場(chǎng)作用下強(qiáng)電場(chǎng)作用下

23、 加強(qiáng)反偏電壓和光照加強(qiáng)反偏電壓和光照 強(qiáng)電場(chǎng)作用下強(qiáng)電場(chǎng)作用下2 2、雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)、雪崩光電二極管結(jié)構(gòu) n+ n+ p SiO2 電極電極 特點(diǎn)特點(diǎn)：（：（1 1）基片雜質(zhì)濃度高（電阻率低），容易產(chǎn)生）基片雜質(zhì)濃度高（電阻率低），容易產(chǎn)生碰撞電離；（碰撞電離；（2 2）基片厚度比較薄，保證有高的電場(chǎng)強(qiáng)）基片厚度比較薄，保證有高的電場(chǎng)強(qiáng)度，以便于電子獲得足夠的能量產(chǎn)生雪崩效應(yīng)；（度，以便于電子獲得足夠的能量產(chǎn)生雪崩效應(yīng)；（3 3）結(jié)邊緣做成環(huán)狀，其作用是減小表面漏電，避免邊緣結(jié)邊緣做成環(huán)狀，其作用是減小表面漏電，避免邊緣出現(xiàn)局部擊穿。出現(xiàn)局部擊穿。材料材料：通常采用硅或鍺材料，也可用：通

24、常采用硅或鍺材料，也可用III-VIII-V族化合物半族化合物半導(dǎo)體制作。導(dǎo)體制作。 3 3、雪崩二極管的特征參數(shù)、雪崩二極管的特征參數(shù)(1)(1)倍增系數(shù)倍增系數(shù)M MRMIIMI IR R：為無(wú)雪崩倍增時(shí)的：為無(wú)雪崩倍增時(shí)的p-np-n結(jié)結(jié) 的反向電流的反向電流；I IM M：有雪崩增益時(shí)的反向電流；：有雪崩增益時(shí)的反向電流； M與與p-n結(jié)上所加的反向結(jié)上所加的反向偏壓、偏壓、p-n結(jié)材料和結(jié)構(gòu)有結(jié)材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，可用經(jīng)驗(yàn)公式表示關(guān)，可用經(jīng)驗(yàn)公式表示：nBRVVM)(11V VBRBR：p-np-n結(jié)擊穿電壓，與器件工作溫度有關(guān)，溫度升高結(jié)擊穿電壓，與器件工作溫度有關(guān)，溫度升高 時(shí)增大；

25、時(shí)增大； n n：與：與p-np-n結(jié)的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，對(duì)于硅器件，結(jié)的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，對(duì)于硅器件， n=1.5-4n=1.5-4，鍺，鍺，n=2.5-8n=2.5-8。雪崩倍增系數(shù)雪崩倍增系數(shù)M、暗電流、暗電流ID與所加偏壓之間的關(guān)系與所加偏壓之間的關(guān)系 ：18014010060201816141210ID M 0 154 156 158 160 162 164 VA(V) 反偏電壓低時(shí)，無(wú)雪崩效應(yīng)，反偏電壓低時(shí)，無(wú)雪崩效應(yīng)，M=1，VA增加，倍增增加，倍增系數(shù)增大。系數(shù)增大。反偏電壓接近擊穿電壓時(shí)（最佳工作偏壓：一般為反偏電壓接近擊穿電壓時(shí)（最佳工作偏壓：一般為幾十伏到幾百伏之

26、間），倍增系數(shù)增加很快，暗電流幾十伏到幾百伏之間），倍增系數(shù)增加很快，暗電流增加也很快，這時(shí)雪崩增益系數(shù)為增加也很快，這時(shí)雪崩增益系數(shù)為102-103。(2)雪崩光電二極管的噪聲雪崩光電二極管的噪聲同倍增管相似，除普通光電二極管的散粒噪聲之外還包同倍增管相似，除普通光電二極管的散粒噪聲之外還包含倍增過(guò)程引入的噪聲，雪崩過(guò)程的散粒噪聲為：含倍增過(guò)程引入的噪聲，雪崩過(guò)程的散粒噪聲為：fMIIefeIMikPDkNM)(222對(duì)于硅，對(duì)于硅，k k=2.3-2.5=2.3-2.5；對(duì)于鍺，；對(duì)于鍺，k k=3=3）。上式可以寫成：）。上式可以寫成：fFMIIeiPDNM22)(2)1)(11 (1

27、2MMrMF其中其中（過(guò)量噪聲因子）（過(guò)量噪聲因子） r r：電子與空穴電離之比。對(duì)于硅材料，：電子與空穴電離之比。對(duì)于硅材料，r=50r=50左右，鍺左右，鍺材料材料，r=1r=1左右。左右。硅光電二極管噪聲小于鍺二極管硅光電二極管噪聲小于鍺二極管 (3)現(xiàn)有產(chǎn)品的雪崩光電二極管性能參數(shù)現(xiàn)有產(chǎn)品的雪崩光電二極管性能參數(shù) (1) (1)體積小，有較高的靈敏度，結(jié)構(gòu)緊湊，工作電體積小，有較高的靈敏度，結(jié)構(gòu)緊湊，工作電 壓低，使用方便壓低，使用方便; ; (2) (2)性能與入射光功率有關(guān)：通常當(dāng)入射光功率在性能與入射光功率有關(guān)：通常當(dāng)入射光功率在 1nW1nW到幾到幾u(yù)WuW時(shí)，倍增電流與入射光

28、具有較好的時(shí)，倍增電流與入射光具有較好的 線性關(guān)系，適合弱光探測(cè)。線性關(guān)系，適合弱光探測(cè)。 (3)(3)同同PINPIN光電二極管相比，具有更高的靈敏度，光電二極管相比，具有更高的靈敏度， 由于有內(nèi)增益，可大大降低對(duì)前置放大器的要由于有內(nèi)增益，可大大降低對(duì)前置放大器的要 求。求。 (4)(4)由于偏壓較高，載流子在結(jié)區(qū)的渡越時(shí)間短，由于偏壓較高，載流子在結(jié)區(qū)的渡越時(shí)間短， 結(jié)電容很小，所以雪崩光電二極管的響應(yīng)速度結(jié)電容很小，所以雪崩光電二極管的響應(yīng)速度 很快很快雪崩光電二極管的特點(diǎn)雪崩光電二極管的特點(diǎn)五、光電三極管五、光電三極管特點(diǎn)：是有電流內(nèi)增益的光伏探測(cè)器特點(diǎn)：是有電流內(nèi)增益的光伏探測(cè)器;

29、 ;(1)(1)、光電三極管基本結(jié)構(gòu)、光電三極管基本結(jié)構(gòu)工作電壓工作電壓：發(fā)射結(jié)正發(fā)射結(jié)正向電壓，集電結(jié)反向電向電壓，集電結(jié)反向電壓壓材料材料：硅硅npnnpn型居多，型居多，鍺鍺pnppnp型居多型居多功能功能：1 1、光電轉(zhuǎn)換，、光電轉(zhuǎn)換，在集在集- -基結(jié)內(nèi)進(jìn)行，與一基結(jié)內(nèi)進(jìn)行，與一般二極管相同；般二極管相同；2 2、光電放大：共發(fā)射極、光電放大：共發(fā)射極放大。放大。e：發(fā)射結(jié)：發(fā)射結(jié) b：基極基極 c：集電極：集電極電位最高電位較高電位最低（2 2）光電三極管工作原理）光電三極管工作原理光照時(shí)：光照時(shí)：基區(qū)產(chǎn)生電子基區(qū)產(chǎn)生電子- -空穴對(duì)，光生空穴對(duì)，光生電子在電場(chǎng)作用下漂移到集電極，

30、形成電子在電場(chǎng)作用下漂移到集電極，形成光電流，空穴則留在基區(qū)，使基極電位光電流，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)基極流向升高，發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極流向集電極，對(duì)于共發(fā)射極的三極管，形成集電極，對(duì)于共發(fā)射極的三極管，形成的集電極電流的集電極電流I Ic c為為 ：因此，光電三極管主要有兩方面的作用：把光信號(hào)因此，光電三極管主要有兩方面的作用：把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，光電流放大。轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，光電流放大。PPPcIIII)1 (（為共發(fā)射極電流放大倍數(shù)）為共發(fā)射極電流放大倍數(shù)）（3 3）光電三極管特性）光電三極管特性A、伏安特性、伏安特性特點(diǎn)：特點(diǎn)：光功率等間距增大情況下，輸

31、出電流并不等光功率等間距增大情況下，輸出電流并不等間距增大；原因：電流放大倍數(shù)間距增大；原因：電流放大倍數(shù)隨信號(hào)光電流的增隨信號(hào)光電流的增大而增大所引起的。大而增大所引起的。B B 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) 光電三極管的頻率響應(yīng)與結(jié)的結(jié)構(gòu)及外電路有關(guān)。三極光電三極管的頻率響應(yīng)與結(jié)的結(jié)構(gòu)及外電路有關(guān)。三極管的響應(yīng)時(shí)間比光電二極管的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)得多。管的響應(yīng)時(shí)間比光電二極管的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)得多。主要影響因素：主要影響因素：1 1、結(jié)勢(shì)壘電容、結(jié)勢(shì)壘電容C Cbebe,C,Cbcbc的充放電時(shí)間；的充放電時(shí)間；2 2、光、光生載流子渡越基區(qū)所需時(shí)間；生載流子渡越基區(qū)所需時(shí)間；3 3、電流流經(jīng)收集區(qū)的時(shí)間。、電流流

32、經(jīng)收集區(qū)的時(shí)間。改進(jìn)方法：改進(jìn)方法：減小結(jié)電容減小結(jié)電容C Cbebe,C,Cbcbc，合理選擇負(fù)載電阻，合理選擇負(fù)載電阻R RL L，減小，減小基區(qū)的厚度，減少?gòu)?fù)合，使電子快速渡越基區(qū)。基區(qū)的厚度，減少?gòu)?fù)合，使電子快速渡越基區(qū)。C C光譜特性光譜特性 硅光電三極管光譜響應(yīng)峰值在：硅光電三極管光譜響應(yīng)峰值在：0.80.80.9um0.9umD D應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域 不適于高速、寬帶的光控測(cè)系統(tǒng)只應(yīng)用于要求響應(yīng)率不不適于高速、寬帶的光控測(cè)系統(tǒng)只應(yīng)用于要求響應(yīng)率不高的一般光電探測(cè)任務(wù)。高的一般光電探測(cè)任務(wù)。六、碲鎘汞、碲錫鉛光伏探測(cè)器六、碲鎘汞、碲錫鉛光伏探測(cè)器(光電二極管光電二極管) 上面介紹的光伏探測(cè)器主要工作于可見和近紅外，上面介