第14次 光電轉換-了解ppt課件

1、2022-6-221 第七章第七章 光電轉換器件光電轉換器件概述：概述：光電轉換器件：光電轉換器件： 光光 轉換轉換 電電 光信號光信號 控制轉換為控制轉換為 電信號電信號光電效應光電效應外光電效應：光電子發(fā)射器件外光電效應：光電子發(fā)射器件 （光電管、光電倍增管）（光電管、光電倍增管）內光電效應：內光電效應： 光電導效應光電導效應光電導器件光電導器件 （光敏電阻）（光敏電阻） 光伏效應光伏效應光伏器件光伏器件 （屬于結型器件，如：光電池、光電二極管）（屬于結型器件，如：光電池、光電二極管）2022-6-222 7-1 光電導探測器光電導探測器 光電導探測器是利用光電導效應制作的光探測器，簡稱光

2、電導探測器是利用光電導效應制作的光探測器，簡稱PC探測器。主要特征是受到光照后，探測器。主要特征是受到光照后，器件的電阻發(fā)生變化。這種器件包括光敏電阻和光導管等類型。器件的電阻發(fā)生變化。這種器件包括光敏電阻和光導管等類型。一、原理一、原理光電導效應：光照射到半導體上，電子吸收光子能量產生躍遷，形成自由電子和自由空穴，使光電導效應：光照射到半導體上，電子吸收光子能量產生躍遷，形成自由電子和自由空穴，使載流子濃度增大，致使電導率增大的現(xiàn)象。載流子濃度增大，致使電導率增大的現(xiàn)象。2022-6-223 躍遷躍遷躍遷物質對光的吸收，產生光電導效應的躍遷包括：本征吸收雜質吸收能級的躍遷包括：價帶導帶雜質能

3、級導帶價帶雜質能級結果：在導帶中產生自由電子，或在價帶中產生自由空穴，導致電導率增大。2022-6-224II-VICdS ()IIIVInP ()族化合物:硫化鎘光電導材料族化合物:磷化銦硅、鍺實際應用中，用的最多的、最典型的器件就是光敏電阻。本征型光敏電阻光敏電阻P型摻雜型光敏電阻N型2022-6-225 光敏電阻是在一塊勻質光電導體兩端加上電極，貼在硬質玻璃或者云母等絕緣材料基板光敏電阻是在一塊勻質光電導體兩端加上電極，貼在硬質玻璃或者云母等絕緣材料基板上，電極上加裝引線，用帶有入射窗口的金屬或塑料封裝而成的。上，電極上加裝引線，用帶有入射窗口的金屬或塑料封裝而成的。2022-6-226

4、1A/WV/W:IVIIRPVIRRR RPPR二、工作特性、響應度：光探測器的輸出電壓或輸出電流與入射光功率之比單位：單位：輸出電阻2022-6-227GdIVPPIeeGh TheRGheRG Rh光生電流：光電導增益。2022-6-228G影響響應度的因素:1）與入射光頻率成反比， 越大，響應度越小2）與量子效率 成正比3）與 成正比，即與光生載流子壽命成正比，與渡越時間成反比。為便于比較不同的光敏電阻對不同波長的響應程度，把響應度的最大值取為1，稱為歸一化光譜響應曲線。2、光譜特性、光譜特性 光敏電阻只對一定范圍內的光波才有響應，對有的波長響應度較大，有的波長響應度小，光敏電阻只對一定

5、范圍內的光波才有響應，對有的波長響應度較大，有的波長響應度小，甚至為零。甚至為零。2022-6-229CdS0.3 0.8CdS5206802.4ePbS,1.0 3.2mmmmmnmmnmm峰值響應波長 響應波長，可見光波段響應波長，紅外波段2022-6-22103,ddTIPTIPEIKV EVEK 、照度特性在光強較小時， 、不變， 與 成正比，為線性關系。但當光比較強時， 與電子濃度有關，也會隨電子濃度變大， 與 為非線性關系。由實驗測得的光電流與入射光照度 的關系可歸納為這樣一個公式：外加電壓， 入射光照度， ,都是常數(shù)2022-6-221111=1.1到1.2 電壓指數(shù)1.0 弱光

6、照照度指數(shù)0.5 強光照弱光：，為線性關系2022-6-2212463%rfrftttt、響應速度上升響應時間 ：光生載流子從零上升到穩(wěn)定值的所需要的時間。下降響應時間 ：光照停止后，光生載流子下降到穩(wěn)定值的37%所需要的時間。2022-6-22130022 1/222 1/20(1)(1)vvnnRRn 入射光正弦變化，光生載流子濃度隨光調制頻率變化的關系為：低頻時穩(wěn)定光生載流子濃度， 調制頻率，響應時間。對調制頻率低的入射光，具有較好的響應度，對調制頻率高的入射光，響應度變差。具有低通特性，光電導馳豫限制了器件對調制頻率高的光信號的響應。2022-6-221400220.707212111

7、2vvvvRRRR 截截響應度下降為最大值的0.707倍時，所對應的調制頻率稱為截止頻率。即所對應的 。1此時， 響應時間增大下降， 下降增大說明光生載流子壽命越長，對高頻調制響應越差。2022-6-2215000000000002v10.707120.533/0.7072) 0.7070.707 (0.707)0.5103lg3/10lg 0.5vvvvvvvvvvvvvvvvvvvRRPPdB kmIIRRVVPI VI VPPPdB kmzPPPP截止頻率的定義：）響應度為）信號功率下降為零頻功率的一半）單位距離光損耗推算：）2022-6-2216m1m0.52 mCdSlm三、常見光敏

8、電阻、硫化鎘光譜響應范圍：可見光區(qū)0.3到0.8，峰值響應波長光敏電阻是可見光波段內最靈敏的光電導器件。響應度50A/，響應時間幾十毫秒。主要應用在：燈光自動控制，自動調光調焦，自動照相機。2022-6-2217m2m2.4 m100300 s、硫化鉛PbS是近紅外波段最靈敏的光導探測器件響應波長范圍：1.0到3.4，峰值波長響應時間：2022-6-22181m3mxmx=0.2814 m 10.6 mxxHgCd TexCdHg、碲鎘汞（HgCdTe）系列光敏電阻碲鎘汞系列光敏電阻是目前所有探測器中性能最優(yōu)良、最有前途的一種。它由化合物CdTe和HgTe混合而成CdTe，HgTe是原子代替原

9、子的比例x=0.39響應波長范圍：1到3=0.28響應波長范圍：3到5響應波長范圍： 到2022-6-22190.17100.2,15xmxm1-xx1-xxmm4、碲錫鉛PbSn Te系列光敏電阻由PbTe和SnTe兩種材料混合而成PbTePbSn TeSnTex表示Sn原子代替Pb原子的百分比這類光敏電阻x一般等于0.17和0.2,2022-6-2220四、光敏電阻的應用照像機自動曝光光控開關路燈自動控制當光線較弱時，光敏電阻阻值很大，與當光線較弱時，光敏電阻阻值很大，與光敏電阻并聯(lián)的路燈電阻很小，所以電光敏電阻并聯(lián)的路燈電阻很小，所以電流主要從路燈流過，流經繼電器的電流流主要從路燈流過，

10、流經繼電器的電流很小，處于關閉狀態(tài)。路燈點亮。很小，處于關閉狀態(tài)。路燈點亮。當照射到當照射到CdS的光逐漸增大的光逐漸增大時，光敏電阻變小，使流經時，光敏電阻變小，使流經繼電器的電流不斷增大，達繼電器的電流不斷增大，達到一定值時，繼電器由關閉到一定值時，繼電器由關閉狀態(tài)變?yōu)榇蜷_狀態(tài)，路燈與狀態(tài)變?yōu)榇蜷_狀態(tài)，路燈與電源斷開。路燈熄滅。電源斷開。路燈熄滅。2022-6-2221光電池光伏探測器件光電二極管光電池，在零偏置下工作。光電池的區(qū)分：太陽能光電池電源按用途區(qū)分測量光電池光電探測硅光電池按材料區(qū)分硒光電池砷化鎵光電池 7-2 光電池2022-6-2222PN金屬半導體接觸型按結構區(qū)分結型20

11、22-6-22232DRP2CRN一、光電池的結構根據(jù)基底材料不同，可以將硅光電池分為：（ 型硅為襯底）和（ 型硅為襯底）2022-6-2224m=m=mm=0.54 m硅光電池：（光譜響應范圍）0.41.1 （峰值響應波長）0.80.9硒光電池：（光譜響應范圍與人眼的視覺接近） 0.40.7，二、光電池特性二、光電池特性1、光譜特性、光譜特性 材料、制作工藝材料、制作工藝()nm2022-6-2225mPN=m=0.6 m結深 0.4，曲線1：藍硅光電池曲線2：普通硅光電池(100)nm2022-6-22262PjSshshIICRRI、伏安特性本質上講，光電池是一個二極管。在無光照時的伏安

12、特性與二極管的類似。而在有光照時，產生感應電動勢。：恒流源：正向電流：結電容：管心電阻：等效漏電阻：等效漏電流2022-6-2227Lsshsh(1)R0RR(1)(1)RPeVkTSSscPeVkTscPSsheVkTPSIIIIIeIIIIIIeIVIIe 正向電流：反向飽和電流當電阻時，短路 電流即光電流，實際電路上很小，很大短路電流： 2022-6-22280ln(1)PNln(1)PshocSPshSIIIkTVeIIIIkTVeI開路時， 開路電壓：一般情況，結兩端電壓2022-6-2229scpEEococscI =I =K E KA/lx VEV =0.450.6VI =150

13、A23、光照特性指光生電流、以及光生電動勢與入射光照度之間的關系光生電流 線性關系：（光電池的）光電靈敏度 與 非線性關系開路電壓 : 短路電流 : 300 /cm2022-6-22301619312133P與光電池的差異： 光電池 光電二極管（1）摻雜濃度：10 10 /cm（高），10 10 /cm（2）電阻率： 低0.10.01 /cm ，高1000 /cm（3）光敏面積： 大（I 也大）， ?。?）工作狀態(tài)： 零偏 ， 反偏 7-3 光電二極管2022-6-2231LPNPNNPNPR一、工作原理在結的兩端外加反偏電壓，反偏電壓與內建電場方向一致，使結更寬，勢壘增大。當光電二極管被光照

14、時，在結區(qū)產生的光生載流子被內建電場拉開，光生電子向 區(qū)流動，光生空穴向 區(qū)流動，形成光生電流，。光照越強，產生的光生載流子越多，光電流就越大。在光電二極管外接一負載電阻串聯(lián)，這樣，在電阻兩端就可以得到隨光照度變化的電壓信號，從而完成了將光信號到電信號的轉變。2022-6-2232p+000p+0pp0000IIIR =PPI +I =I RII hhe=RPP eeheeR =hhc二、（光電二極管）工作特性1、靈敏度（響應度）輸出光電流與入射光功率之比光靈敏度、響應度 A/W( A/ W) (與量子效率 的關系)光生電子個數(shù)入射光子數(shù)或2022-6-22332hEgGaAs0.41.1 m

15、 He-Ne GaAsHe-Ne0.8 m、光譜響應 光電二極管只對能量大于禁帶寬度的光才有響應，即。硅光電二極管的光譜響應范圍： 紅寶石峰值響應波長左右(對激光波長的探測最值對及紅寶石激光也有較高的靈敏度。2022-6-2234PN響應時間快慢：載流子的運動速度擴散濃度不同引起載流子運動漂移電場作用引起結內：漂移PN結外：擴散3、響應時間、響應時間2022-6-2235WC耗盡層寬度 影響響應速度結電容2022-6-2236eVkTseVkTpsp041I=I e-1V2I=II e-1IP、伏安特性）無光照時（） 式中 0,反偏）有光照時 總電流-（）正比于 入射光功率越大，光電流越大20

16、22-6-22371PINPNPNPNPNPN三、常見光電二極管 、光電二極管量子效率低普通結型光電二極管的缺點：頻率特性差原因：（1）光電流的產生是在內建電場的作用下，將吸收光子形成的電子和空穴分離，形成光電流。但由于結很窄，在 區(qū)和 區(qū)吸收光子而形成的自由電子和自由空穴，還沒來得及分離，又復合掉了，而只有進入耗盡層的光子才有可能被利用，所以，量子效率低。（2）由于 區(qū)和 區(qū)載流子的擴散速度比結內載流子的漂移速度小的多，使得響應時間很長。2022-6-2238PINPN光電二極管，就是在 區(qū)和 區(qū)之間加入一層本征層，厚度約為毫米量級。2022-6-2239PN=ns0.91.11.06mmm

17、優(yōu)點： 結間距離大，結電容小，頻率響應快，響應時間13。 量子效率高。由于耗盡層厚度增大為整個本征區(qū)，光的吸收 區(qū)域以及光電轉換區(qū)域增大。 長波靈敏度高。光譜響應范圍向長波方向移動達到， 。 可承受更多的反向偏壓，線性輸出范圍變寬。2022-6-22402PNPNPN、拉通型雪崩光電二極管原理：光電二極管外加很高的反向偏置電壓，在結內形成很強的電場。當光照射到結上激發(fā)的電子進入結內，在強電場的作用下加速獲得很大的能量，與晶格原子碰撞產生新的自由電子和自由空穴。自由電子在向電極運動的過程中再次加速，獲得足2022-6-2241+N PPPN PPN夠的能量，再次與晶格原子碰撞，使其電離，產生新的電子和空穴。這種碰撞過程像雪崩一樣，碰撞出大量的電子和空穴，形成很大的電流。這就是雪崩倍增效應。拉通型雪崩光電二極管的耗盡層在反向偏置電壓的作用下，從結一直擴散到邊界，區(qū)為高阻 型硅。其中，結是以 型硅材料作為基底，擴散五價磷形成重摻雜型層。從電場分布圖上可以看出，電場強度越大，電壓也