光電子學(xué)第四章

光電子學(xué)第四章第一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日1.光伏型探測(cè)器概述利用半導(dǎo)體PN結(jié)光伏效應(yīng)制成的光電探測(cè)器。品種多: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。和光電導(dǎo)探測(cè)器不同，光伏探測(cè)器的工作特性要復(fù)雜一些。通常有光電池和光電二極管之分，即有兩種工作模式。兩種工作模式，光電導(dǎo)和光伏式，它們由外偏壓電路決定。第二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日光電轉(zhuǎn)換原理

短路光電流:PN結(jié)受光照射時(shí)，即使沒有外加偏壓，PN結(jié)自身也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開路電壓，這時(shí)如果將PN結(jié)兩端短接，便有短路電流通過回路。光子電極電極耗盡層SiO2p+nn+PN結(jié)光伏探測(cè)器的典型結(jié)構(gòu)第三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日光伏探測(cè)器的工作模式一個(gè)PN結(jié)光伏探測(cè)器等效為一個(gè)普通二極管和一個(gè)恒流源(光電流源)的并聯(lián)，圖(a,b)。它的工作模式則由外偏壓回路決定。在零偏壓時(shí)(圖c)，稱為光伏工作模式。當(dāng)外回路采用反偏壓V時(shí)(圖d)，即外加P端為負(fù)n端為正的電壓時(shí)，稱為光導(dǎo)工作模式。VuiiD(a)(b)(c)(d)i第四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日兩種工作模式的比較光導(dǎo)模式工作時(shí)，光電二極管加反偏壓，可以大大提高器件的頻率特性。此外反偏壓可增加長(zhǎng)波端靈敏度及擴(kuò)展線性區(qū)上限。但反偏產(chǎn)生的暗電流引起較大的散粒噪聲，且頻率低于1KHz時(shí)還有1/f噪聲，這又限制了探測(cè)能力的下限。因光伏式二極管無偏壓工作，故暗電流造成的散粒噪聲小，且無1/f噪聲，有高得多的信噪比。光伏式二極管主要應(yīng)用于超低噪聲、低頻及儀器方面。光導(dǎo)式二級(jí)管則主要用來探測(cè)高速光脈沖和高頻調(diào)制光。第五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日2.PN結(jié)光電二極管電流特性簡(jiǎn)介第六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日2.1擴(kuò)散電流是PN結(jié)光電二極管的基本電流假定材料由厚P薄N組成，P、N之間是空間電荷區(qū)。PxnxsOxp空間電荷區(qū)Nx第七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日第八頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日第九頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日第十頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日第十一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日第十二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日第十三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日PN結(jié)光生電流波長(zhǎng)短于λco的紅外輻射光電二極管吸收電子-空穴對(duì)發(fā)生在空間電荷區(qū)兩側(cè)P型區(qū)或N型區(qū)的一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)e的范圍內(nèi)發(fā)生在空間電荷區(qū)電子-空穴對(duì)被強(qiáng)電場(chǎng)分開在外電路中產(chǎn)生電流電子-空穴對(duì)中只有那些通過擴(kuò)散進(jìn)入空間電荷區(qū)的才會(huì)在那里被電場(chǎng)分開而對(duì)外電路貢獻(xiàn)光電流第十四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日第十五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日3.響應(yīng)率與探測(cè)率響應(yīng)率：描述探測(cè)器靈敏度的參量，表征輸入信號(hào)和輸出信號(hào)關(guān)系的參量。探測(cè)率：表示探測(cè)器的探測(cè)能力，是等效噪聲功率的倒數(shù)。第十六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日第十七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日4.噪聲1.約翰遜噪聲在無偏壓及外來光照射的熱平衡條件下，光電二極管均方噪聲電流即為零偏壓電阻R0的約翰遜-奈奎斯特噪聲為第十八頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日2.散粒噪聲第十九頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日第二十頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日第二十一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日3.1/f噪聲與光電流及擴(kuò)散電流基本無關(guān)與表面漏電流Is大致呈正比第二十二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日4．常用的光伏探測(cè)器簡(jiǎn)介(1)硅光電池：也稱太陽電池或光伏電池，價(jià)格便宜，光電轉(zhuǎn)換效率高，光譜響應(yīng)寬，頻率特性好，壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性好，耐高能輻射，適合近紅外探測(cè)。第二十三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日（2）PIN硅光電二極管：載流子的擴(kuò)散時(shí)間和電路時(shí)間常數(shù)大約同數(shù)量級(jí)，是決定光電二極管響應(yīng)速度的主要因素。為了改善頻率特性，就得設(shè)法減小載流子擴(kuò)散時(shí)間和結(jié)電容，于是人們提出加一層中間本征層。第二十四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日（3）異質(zhì)結(jié)光電二極管：異質(zhì)結(jié)是由兩種不同的半導(dǎo)材料形成的P-N結(jié)，P-N結(jié)兩邊是由不同的基質(zhì)材料形成的，第二十五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日（4）雪崩光電二極管（APD）。以上光電二極管都沒有內(nèi)部增益，即增益≤１。雪崩二極管有內(nèi)部增益，增益可達(dá)102～104。它是利用雪崩管在高的反向偏壓下發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)而制成的光電探測(cè)器。第二十六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日（5）Schottky勢(shì)壘光電二極管。這是一種由金屬和半導(dǎo)體接觸所制成的光電二極管，所以這種光電二極管也稱為金屬半導(dǎo)體光電二極管。要求反偏壓工作，光從金屬一側(cè)入射。為使透光性好，金屬是用真空鍍膜技術(shù)制成的金屬膜，厚度只有幾十埃。第二十七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日(6)光電三極管：具有內(nèi)增益，但獲得內(nèi)增益的途徑不是雪崩效應(yīng)，而是利用一般晶體管的電流放大原理。第二十八頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日（7）InSb光伏探測(cè)器：InSb材料既可作光電導(dǎo)探測(cè)器，也可制成P-N結(jié)光伏探測(cè)器。是在3～5um波段內(nèi)常用