第三章 半導(dǎo)體光電檢測(cè)器件及應(yīng)用二

第三章半導(dǎo)體光電檢測(cè)器件及應(yīng)用

光生伏特器件寧波工程學(xué)院電信學(xué)院

丁志群制光電子器件》光生伏特效應(yīng)是少數(shù)載流子導(dǎo)電的光電效應(yīng)，具有暗電流小，噪聲低，響應(yīng)速度快、光電特性的線性受溫度的影響小等特點(diǎn)。本章要點(diǎn)：了解與掌握典型光生伏特器件的原理，特性，偏置電路與實(shí)際應(yīng)用。

《光電信號(hào)檢測(cè)》3.2光生伏特器件3.2.1光電池3.2.2光電二極管3.2.3PIN型光敏二極管3.2.4雪崩光敏二極管3.2.5光敏晶體管3.2.6光伏器件組合器件3.2.7光電位置探測(cè)器

3.2.8光電開關(guān)與光電耦合器件3.3光生伏特器件的特性

《光電信號(hào)檢測(cè)》利用半導(dǎo)體PN結(jié)光伏效應(yīng)制成的器件稱為光伏器件，也稱結(jié)型光電器件。這類器件品種很多，其中包括各種光電池、光電二極管、光電晶體管、光電場(chǎng)效應(yīng)管、PIN管、雪崩光電二極管、光可控硅、陣列式光電器件、象限式光電器件、位置敏感探測(cè)器（PSD）、光電耦合器件等。3.2光生伏特器件

《光電信號(hào)檢測(cè)》4.1.1光電池光電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)PN結(jié)。按材料分，有硅、硒、硫化鎘、砷化鎵和無定型材料的光電池等。按結(jié)構(gòu)分，有同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)光電池等。

光電池中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電池。國(guó)產(chǎn)同質(zhì)結(jié)硅光電池因襯底材料導(dǎo)電類型不同而分成2CR系列和2DR系列兩種。

《光電信號(hào)檢測(cè)》硅光電池結(jié)構(gòu)示意圖

《光電信號(hào)檢測(cè)》2CR系列硅光電池是以N型硅為襯底，P型硅為受光面的光電池。受光面上的電極稱為前極或上電極，為了減少遮光，前極多作成梳狀。襯底方面的電極稱為后極或下電極。為了減少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2，Si3N4，SiO2－MgF2等材料的防反射膜，同時(shí)也可以起到防潮，防腐蝕的保護(hù)作用。

《光電信號(hào)檢測(cè)》光電池在光照下能夠產(chǎn)生光生電勢(shì)，光電流實(shí)際流動(dòng)方向?yàn)椋瑥腜端流出，經(jīng)過外電路，流入N端，光生電勢(shì)與照度是對(duì)數(shù)關(guān)系。當(dāng)光電池短路時(shí)，短路電流Isc與照度E成線性關(guān)系，S＝Isc/E稱為靈敏度。

《光電信號(hào)檢測(cè)》硅光電池的伏安特性曲線

在一定的照度下，曲線在橫軸的截距，代表該照度下的開路電壓Uoc。曲線在縱軸的截距，代表該照度下的短路電流Isc。硅光電池的Uoc一般為0.45～0.6V，最大不超過0.756v，因?yàn)樗荒艽笥赑N結(jié)熱平衡時(shí)的接觸電勢(shì)差。硅單晶光電池短路電流為35～40mA/cm2。

《光電信號(hào)檢測(cè)》幾種國(guó)產(chǎn)硅光電池的特性

《光電信號(hào)檢測(cè)》

《光電信號(hào)檢測(cè)》三種基本的光伏器件輸入電路的型式a)無偏置電路

b)偏置電路

c)太陽能電池電路

其中上圖a是光伏器件直接和負(fù)載電阻連接的電路，稱作無偏置電路。在圖b的電路中，負(fù)載電阻上除串聯(lián)光伏器件外尚有與器件端電壓相反方向的偏置電源，組成反向偏置電路。圖c是作為能源變換器使用的太陽能電池充電電路。通常光電池多采用上圖a和c的電路，光電二極管多采用上圖b的電路。

《光電信號(hào)檢測(cè)》3.2.2光敏二極管光電二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)PN結(jié)。它和光電池相比，重要的不同點(diǎn)是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢(shì)與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為數(shù)微安到數(shù)十微安。按材料分，光電二極管有硅、砷化稼、銻化銦、鈰化鉛光電二極管等許多種。按結(jié)構(gòu)分，也有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的還是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。國(guó)產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列以P-Si為襯底。2CU系列光電二極管只有兩個(gè)引出線，而2DU系列光電二極管有三條引出線，除了前極、后極外，還設(shè)了一個(gè)環(huán)極。

《光電信號(hào)檢測(cè)》硅光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖

《光電信號(hào)檢測(cè)》光電二極管的受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中又常含有少量的鈉、鉀、氫等正離子。SiO2是電介質(zhì)，這些正離子在SiO2中是不能移動(dòng)的，但是它們的靜電感應(yīng)卻可以使P-Si表面產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電子層。這個(gè)電子層與N-Si的導(dǎo)電類型相同，可以使P-Si表面與N－Si連通起來。

《光電信號(hào)檢測(cè)》當(dāng)管子加反偏壓時(shí)，從前極流出的暗電子流，除了有PN結(jié)的反向漏電子流外，還有通過表面感應(yīng)電子層產(chǎn)生的漏電子流，從而使從前極流出的暗電子流增大。為了減小暗電流，設(shè)置一個(gè)N+-Si的環(huán)把受光面（N-Si）包圍起來，并從N+-Si環(huán)上引出一條引線（環(huán)極），使它接到比前極電位更高的電位上，為表面漏電子流提供一條不經(jīng)過負(fù)載即可達(dá)到電源的通路。這樣，即可達(dá)到減小流過負(fù)載的暗電流、減小噪聲的目的。如果使用時(shí)環(huán)極懸空，除了暗電流、噪聲大些外，其它性能均不受影響。

《光電信號(hào)檢測(cè)》2CU管子，因?yàn)槭且訬-Si為襯底，雖然受光面的SiO2防反射膜中也含有少量的正離子，而它的靜電感應(yīng)不會(huì)使N-Si表面產(chǎn)生一個(gè)和P-Si導(dǎo)電類型相同的導(dǎo)電層，從而也就不可能出現(xiàn)表面漏電流，所以不需要加環(huán)極。

《光電信號(hào)檢測(cè)》光電二極管的用法a)不加外電源

b)加反向外電源

c)2DU環(huán)極接法

《光電信號(hào)檢測(cè)》光電二極管的用法只能有兩種。一種是不加外電壓，直接與負(fù)載相接，零偏置。另一種是加反向電壓的反向偏置，如上圖所示。實(shí)際上，不是不能加正向電壓，只是正接以后就與普通二極管一樣，只有單向?qū)щ娦?，而表現(xiàn)不出它的光電效應(yīng)由于多數(shù)場(chǎng)合光電二極管都是加反向電壓，所以其伏安特性曲線常畫成如下圖所示的形式。

《光電信號(hào)檢測(cè)》光電二極管的伏安特性曲線

a)轉(zhuǎn)到第l,II象限b）略去第II象限部分

《光電信號(hào)檢測(cè)》上圖的畫法與硅光電池的伏安特性曲線圖比較，有兩點(diǎn)不同。一是把硅光電池的伏安特性曲線圖中Ⅰ、Ⅱ象限里的圖線對(duì)于縱軸反轉(zhuǎn)了一下，變?yōu)樯蠄D(a)。這里是以橫軸的正向代表負(fù)電壓，這樣處理對(duì)于以后的電路設(shè)計(jì)很方便。二是因?yàn)殚_路電壓UOC一般都比外加的反向電壓小很多，二者比較可略而不計(jì)，所以實(shí)用曲線常畫為上圖(b)的形式。

《光電信號(hào)檢測(cè)》微變等效電路與頻率特性：

在一定的照度下，光電二極管的伏安特性曲線幾乎是平直的，可把它看成是恒流源。下圖中圖a為實(shí)際電路；圖b為考慮到光電二極管結(jié)構(gòu)、功能后畫出的微變等效電路，其中Ip為光電流，V為理想二極管，Cj為結(jié)電容，Rsh為漏電阻，Rs為體電阻，RL為負(fù)載電阻；

《光電信號(hào)檢測(cè)》光電二極管的等效電路圖c是從圖b簡(jiǎn)化來的，因?yàn)檎＿\(yùn)用時(shí)，光電二極管要加反向電壓，Rsh很大，Rs很小，所以圖b中的V、Rsh、Rs都可以不計(jì)，因而有圖c的形式；圖d又是從圖c簡(jiǎn)化來的，因?yàn)镃j很小，除了高頻情況要考慮它的分流作用外，在低頻情況下，它的阻抗很大，可不計(jì)。因此具體應(yīng)用時(shí)多用圖d和圖c兩種形式。

《光電信號(hào)檢測(cè)》流過負(fù)載的交變電流復(fù)振幅為IL＝Ip/(1+jωτ)ω：入射光的調(diào)制圓頻率，ω＝2πf，f為入射光的調(diào)制頻率。τ=CjRL

IL的模量為可見，IL是頻率的函數(shù)，隨著入射光調(diào)制頻率的增加而減小。當(dāng)ω=1/τ時(shí)，IL＝|Ip|/2*e-2，這時(shí)f=1/2πτ稱為上限截止頻率，或稱為帶寬。

《光電信號(hào)檢測(cè)》幾種國(guó)產(chǎn)2CU型硅光電二極管的特性

《光電信號(hào)檢測(cè)》幾種國(guó)產(chǎn)2DU型硅光電二極管的特性

《光電信號(hào)檢測(cè)》3.1.3PIN管

PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于I層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。由式τ=CjRL與f=1/2πτ知，Cj小，τ則小，頻帶將變寬。因此，這種管子最大的特點(diǎn)是頻帶寬，可達(dá)10GHz。另一個(gè)特點(diǎn)是，因?yàn)镮層很厚，在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知，增加反向偏壓會(huì)使耗盡層寬度增加，從而結(jié)電容要進(jìn)一步減小，使頻帶寬度變寬。所不足的是，I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運(yùn)算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個(gè)管殼內(nèi)的商品出售。

《光電信號(hào)檢測(cè)》PIN管結(jié)構(gòu)示意圖

《光電信號(hào)檢測(cè)》3.2.4雪崩光電二極管(APD)雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。這種管子工作電壓很高，約100～200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場(chǎng)極強(qiáng)，光生電子在這種強(qiáng)電場(chǎng)中可得到極大的加速，同時(shí)與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時(shí)，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的自持雪崩。這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，足目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。

《光電信號(hào)檢測(cè)》噪聲大是這種管子目前的一個(gè)主要缺點(diǎn)。由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時(shí)，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。雪崩光電二極管工作原理示意圖

《光電信號(hào)檢測(cè)》3.2.5光電晶體管

光電晶體管和普通晶體管類似，也有電流放大作用。只是它的集電極電流不只是受基極電路的電流控制，也可以受光的控制。所以光電晶體管的外形，有光窗、集電極引出線、發(fā)射極引出線和基極引出線（有的沒有）。制作材料一般為半導(dǎo)體硅，管型為NPN型，國(guó)產(chǎn)器件稱為3DU系列。

《光電信號(hào)檢測(cè)》光電晶體管原理性結(jié)構(gòu)圖

《光電信號(hào)檢測(cè)》正常運(yùn)用時(shí)，集電極加正電壓。集電結(jié)為反偏置，發(fā)射結(jié)為正偏置，集電結(jié)為光電結(jié)。當(dāng)光照到集電結(jié)上時(shí)，集電結(jié)即產(chǎn)生光電流Ip向基區(qū)注入，同時(shí)在集電極電路即產(chǎn)生了一個(gè)被放大的電流Ic。

Ic＝Ie＝（1＋β）Ipβ為電流放大倍數(shù)。因此，光電晶體管的電流放大作用與普通晶體管在上偏流電路中接一個(gè)光電二極管的作用是完全相同的。

《光電信號(hào)檢測(cè)》光電三極管的應(yīng)用

P42圖3-33光電三極管開關(guān)電路

《光電信號(hào)檢測(cè)》光電晶體管的靈敏度比光電二極管高，輸出電流也比光電二極管大，多為毫安級(jí)。但它的光電特性不如光電二極管好，在較強(qiáng)的光照下，光電流與照度不成線性關(guān)系。所以光電晶體管多用來作光電開關(guān)元件或光電邏輯元件。光電晶體管的伏安特性曲線

《光電信號(hào)檢測(cè)》幾種國(guó)產(chǎn)3DU型光電三極管的特性

《光電信號(hào)檢測(cè)》3.2.6陣列式或象限式結(jié)型光電器件（光伏器件組合器件）利用集成電路技術(shù)使2個(gè)至幾百個(gè)光電二極管或光電池排成一行，集成在一塊集成電路片子上，即成為陣列式的一維光電器件，也可以使光電二極管或光電池制成象限式的二維光電器件。

《光電信號(hào)檢測(cè)》這兩種器件中，襯底是共用的，而各光敏元都是獨(dú)立的，分別有各自的前極引出線。這種器件的特點(diǎn)是，光敏元密集度大，總尺寸小，容易作到各單元多數(shù)一致，便于信號(hào)處理。就目前的應(yīng)用看，兩個(gè)并列的光電二極管或光電池，可用來辨別光點(diǎn)移動(dòng)的方向。2～4個(gè)并列的光敏元，可用來收集光點(diǎn)移動(dòng)的相位信息。幾十個(gè)至幾百個(gè)或更多并列的光敏元，可用來攝取光學(xué)圖象或用作空間頻譜分析。象限式光電器件可用來確定光點(diǎn)在二維平面上的位置坐標(biāo)。多用于準(zhǔn)直、定位、跟蹤或頻譜分析等方面。

《光電信號(hào)檢測(cè)》3.2.7光電位置探測(cè)器（PSD，PositionSensitiveDetectors）PSD是利用離子注入技術(shù)制成的一種可確定光的能量中心位置的結(jié)型光電器件，有一維的和二維的兩種。當(dāng)入射光是一個(gè)小光斑，照射到光敏面時(shí)，其輸出則與光的能量中心位置有關(guān)。這種器件和象限光電器件比較，其特點(diǎn)是，它對(duì)光斑的形狀無嚴(yán)格要求，光敏面上無象限分隔線，對(duì)光斑位置可連續(xù)測(cè)量。

《光電信號(hào)檢測(cè)》

《光電信號(hào)檢測(cè)》1）一維PSD如圖所示，PSD的受光面為P-Si，同時(shí)也是個(gè)均勻電阻層。設(shè)1、2兩電極間距離為2L。如果入射光點(diǎn)位于A點(diǎn)，則電極1、2輸出的光電流與A點(diǎn)至電極1、2的距離成反比，有I1=I0·(L-x)/2LI2=I0·(L+x)/2Lx=L·(I2-I1)/(I2+I1)式中，I0=I1+I2。

利用上式即可確定光斑能量中心對(duì)于器件中心的位置。

《光電信號(hào)檢測(cè)》2）二維PSD二維PSD有兩種形式，一種是單面型的如圖a所示，在受光面上設(shè)有兩對(duì)電極，A、B為x軸電極，C、D為y軸電極，E為背面襯底共用電極，用它可對(duì)正面各電極進(jìn)行反偏置。設(shè)IA～I(xiàn)D為電極A～D的光電流，則光點(diǎn)能量中心的位置坐標(biāo)為

x=(IA-IB)/(IA+IB)y=(IC-ID)/(IC+ID)

《光電信號(hào)檢測(cè)》另一種是雙面型的，如圖b所示，正面與背面之間是一個(gè)PN結(jié)，正面和背面都是均勻電阻層。x軸電極A、B安在正面的受光面上，y軸電極C、D垂直于x軸安在背面。光點(diǎn)產(chǎn)生的光電流分為正面與背面兩部分。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，反偏壓是加在正面電極與背面電極之間（信號(hào)電極與偏置電極不獨(dú)立）。設(shè)IA～I(xiàn)D分別為電極A～D的光電流，代入上式即可求得光點(diǎn)能量中心位置。

《光電信號(hào)檢測(cè)》需要指出，上面的計(jì)算公式都是近似式，在器件中心附近是正確的，而距離器件中心較遠(yuǎn)接近邊緣部分時(shí)誤差較大。對(duì)于二維PSD，雙面型的比單面型的位置誤差小。這可能是因?yàn)閤、y軸分開設(shè)置減少了彼此干擾的緣故。

《光電信號(hào)檢測(cè)》3.1.8光電開關(guān)與光電耦合器

光電開關(guān)和光電耦合器都是由發(fā)光端和受光端組成的組合件。光電開關(guān)不封閉，發(fā)光端與受光端之間可以插入調(diào)制板。光電耦合器則是把發(fā)光元件與受光元件都封閉在一個(gè)不透光的管殼內(nèi)。

《光電信號(hào)檢測(cè)》光電開關(guān)與光電耦合器結(jié)構(gòu)示意圖a)光電開關(guān)

b)光電耦合器

《光電信號(hào)檢測(cè)》發(fā)光端與受光端彼此獨(dú)立，完全沒有電的聯(lián)系，兩端之間的電阻一般都在1011Ω以上。光電開關(guān)多用于光電計(jì)數(shù)、報(bào)警、安全保護(hù)、無接觸開關(guān)，及各種光電控制等方面。光電耦合器多用于電位隔離、電平匹配、抗干擾電路、邏輯電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、長(zhǎng)線傳輸、過流保護(hù)，及高壓控制等方面。

《光電信號(hào)檢測(cè)》電流傳輸比:

《光電信號(hào)檢測(cè)》3.3光伏器件的特性總結(jié)闡述各種結(jié)型光電器件的類似特性這類器件在原理上都相同，所以在性質(zhì)上也都類似。1．光電特性

器件的光電特性一般是指光電流與照度之間的函數(shù)關(guān)系，不過有時(shí)也表示為其它輸出量與照度的函數(shù)關(guān)系。器件的光電特性主要決定于材料，同時(shí)也與結(jié)構(gòu)和使用條件（負(fù)載大小、所加電壓高低）有關(guān)。

《光電信號(hào)檢測(cè)》

硅光電池的

2DUA硅光電二極管

光電特性曲線

在零偏壓下的光電特性曲線

《光電信號(hào)檢測(cè)》硅光電二極管在反偏為15V時(shí)的光電特性曲線

硒光電池光電特性曲線

《光電信號(hào)檢測(cè)》由圖可見，器件的光電特件不僅與材料有關(guān)，同時(shí)也與光照范圍、負(fù)載大小、外加電壓等條件有關(guān)。負(fù)載影響：負(fù)載電阻一定時(shí)，照度低時(shí)光電流與照度有良好的線性關(guān)系，照度高時(shí)線性關(guān)系則變差。在相同照度范圍內(nèi)，負(fù)載電阻小比負(fù)載電阻大時(shí)線性關(guān)系好。在其它條件都相同的情況下，加反偏壓比不加反偏壓時(shí)，線性范圍寬。

《光電信號(hào)檢測(cè)》2．光譜特性

器件的光譜特性多用相對(duì)靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線表示。硅、鍺光電二極管的光譜特性曲線

《光電信號(hào)檢測(cè)》硅光電池的光譜特性曲線

砷化鎵光電池的光譜特性曲線1-普通硅光電池

2-淺結(jié)硅光電池

《光電信號(hào)檢測(cè)》由圖可見，器件的光譜特性主要決定于材料，同時(shí)與結(jié)深和溫度（見溫度特性）略有關(guān)系。

3．溫度特性

溫度對(duì)器件的開路電壓Uoc、短路電流Isc、暗電流Id、光電流Ip及單色光靈敏度都有影響。

《光電信號(hào)檢測(cè)》在不同溫度下硅光電池的隨溫度的變化曲線

2CU光電二極管光電流伏安特性曲線（在1000lx時(shí)）

《光電信號(hào)檢測(cè)》4．噪聲、信噪比與噪聲等效功率1）噪聲

結(jié)型光電器件的噪聲主要是電流散粒噪聲和電阻的熱噪聲。電流散粒噪聲是結(jié)區(qū)釋放非平衡載流子的隨機(jī)性引起的，其噪聲電流均方值的計(jì)算式為I2In＝2qIΔfq：電子電量I：通過PN結(jié)電流的平均值

Δf：測(cè)試系統(tǒng)帶寬

《光電信號(hào)檢測(cè)》電阻的熱噪聲是由于電阻中電子的熱運(yùn)動(dòng)引起的，其噪聲電流均方值的計(jì)算式為I2Rn＝(4kT/R)·Δfk：波耳茲曼常數(shù)T