《光电技术(第2版)》第2章光电探测器2

（一）基本结构与原理
硅光电二极管
分为 以P型硅为衬底的（国产型号2DU系列） 以N型硅为衬底的（国产型号2CU系列）
光电二极管的电流方程
PN结的电流方程为
qU
I ID (e kT 1)
硅光电二极管伏安特性曲线
式中：U是加在二极管两端的电压，T为温度，k为 玻耳兹曼常数，q为电子电量。
ID和U均为负值，且 U kT / q 时（室温下很容易 满足）的电流称为反向电流或暗电流。
出功率和转化效率。即把受光面做得较大， 或把多个光电池作串、并联组成电池组，与 镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站等无 输电线路地区的电源供给。
2、光电池用作检测元件
利用其光敏面大，频率响应高，光电流 与照度线性变化，适用于开关和线性测量等。
3 、光电池零伏偏置电路
A是高输入阻抗放大器，Ri 是光生伏特器件内阻，
光敏面小，势垒电容小，响应快，但工艺困难。
（2）扩散层PN结光电二极管： 耗尽层厚度小于结的任一边的扩散长度，工作 区是结两边的扩散区，光电流主要由扩散流 引起。
（3） 耗尽层型PN结光电二极管
耗尽层厚度大于结的任一边的扩散长度，光 电转换主要在耗尽层内，光电流主要由漂移 电流引起的。有很高的频率响应。
结构：为了实现雪崩过程，基片杂质浓度 很高，使之容易碰撞电离；
片子厚度较薄，保证较高的电场强度
三种雪崩光电二极管结构示意图
影响雪崩光敏二极管工作的因素:
（1）雪崩过程伴有一定的噪声，并受温度 的影响较大；
（2）表面材料的缺陷使PN结各电场分布不 均，局部先击穿使漏电流变大，增强了噪声；
（3）工作偏压必须适当。
最佳工作点在B 处，接近雪崩点 附近。 为了压低暗电流， 可把工作点左移 一些。
APD暗电流和光电流与偏置电压的关系曲线
噪声大是APD目前的一个主要缺点。
由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别 是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增 大到放大器的噪声水平，以至无法使用。
（四）光电二极管的应用 1、反向偏置电路
Uo Isc R f
只适合微弱辐射探测信号检测，线性较好
（六）硅光电池组合件
将几个光电池排成一行，集成在一块集成电路片 子上，即成为阵列式的一维光电器件，也可以将几个 光电池制成象限式的二维光电器件。
这时衬底是共用的，而各光敏元都是独立的，分 别有各自的前极引出线。这种器件的特点是，光敏元 密集度大，总尺寸小，容易作到各单元多数一致，便 于信号处理。
光电三极管得时间响应与集电极电流得关系曲线
1、伏安特性
光电三极管的伏安特性曲线
2、光电三极管的输出电路与微变等效电路
光电三极管电路
集成光电器件
为提高光电三极管的频率响应、增益、减小体积， 有时将光电二极管、光电三极管或三极管制作在一 个硅片上，构成集成光电器件。
集成光电器件
四、特殊形式的结型光电器件
二、 光电二极管
1、与普通二极管相比: 共同点：一个PN结，单向导电性。 不同点： （1）受光面大，PN结面积更大，PN结深度较浅； （2）表面有防反射的SiO2保护层； （3）外加负偏压。
2、与光电池相比： 共同点：均为一个PN结，利用光生伏特效应， SiO2 保护膜 不同点： （1）结面积比光电池的小，频率特性好； （2）光生电势与光电池相同，但电流比光电池小； （3）可在零偏压下工作，更常在反偏压下工作。
Si蓝 Si
80
60
40
20
2000 4000 6000 8000 10000 12000
6、温度特性：
U oc (mV )
I sc (mA )
600 U oc
400
I sc
2.0
1.9
200
1.8
T 20 0 20 40 60 80 100
（五）应用
1、光电池用作太阳能电池 把光能直接转化成电能，需要最大的输
（1）和差电路 4象限硅光电池的坐标线与基准线成0°时，常采
用和差电路。
输出的偏离信号分别为
ux K[(u1 u2 ) (u3 u4 )] uy K[(u1 u4 ) (u2 u3)]
为了消除自身总能量的变化对测量结果的影响， 用除法电路。
ux
K
(ห้องสมุดไป่ตู้1 u2 ) u1 u2
(u3 u4 ) u3 u4
3DU型硅光电三极管
正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结
为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。当 光照到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区 注入，同时在集电极电路即产生了一个被放大的电 流Ic〔＝Ie＝（1＋β）Ip〕，β为电流放大倍数。因 此，光电晶体管的电流放大作用与普通晶体管在上 偏流电路中接一个光电二极管的作用是完全相同的。
结型光电池，是在N型（或P型）半导体表面上 扩散一层P型（或N型）杂质，形成PN结。
入射光线
N P
电极() 电极()
硅光电池
注意： 1、上、下电极区分 2、上电极栅指状目的 3、受光表面涂保护膜的目的
N (P) P(Si)
(a)
上电极(前极) 下电极(后极)
P(B) N (Si)
(b)
工作原理
0.4
4 0.3
3
Isc
0.2
2
1
0.1
0 2000 4000 6000 8000 10000
E(Lx)
2、伏安特性：光电流与电压的关系。
硅光电池的伏安特性曲线
3、输出功率
PL
I
2 L
RL
讨论：若RL＝0， PL＝0； 若RL＝， PL＝0，存在最 佳负载电阻，使得负载可以获得最大输出功率Pmax。 可以通过求导方法求最佳RL，但工程上用经验公式。当负 载电阻为最佳负载电阻时
（4）PIN型（2DUL型）光电二极管
PIN管结构示意图 在P、N型之间加进了较厚的本征半导体I型层， 内电场基本上集中于I层上， PN结间距拉大， 结电容变小；提高响应速度；
PIN型光电二极管结构与外形图
由于耗尽层变宽，从而展宽了光电转换的有 效工作范围；
增加了吸收层厚度，改善了对长波光的吸 收，提高了灵敏度，增大了长波响应率。
（5）频率特性
是半导体光电器件中最好的一种，与下列因素 有关：
结电容（小于20µµF) 和杂散电容 光生载流子在薄层中的扩散时间及PN结中的漂
移时间
要提高频率响应必须做到以下几点： （1）合理的结面积（小的结面积可使Cj减小，
但相同光照下，光电流也较小）； （2）尽可能大的耗尽层厚度； （3）适当加大使用电压； （4）减小结构所造成的分布电容。
阵列式
象限式
（3）按用途分 太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低） 测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等）
（三）符号及电路
I
U RL
Ip Ij
I
U RL
符号 连接电路
等效电路
（四）特性参数
I sc
Ip
eE h
U oc
ln E h
kT I0
Isc(mA/ cm2)
Uoc (V )
U oc
5
4、等效电路
光电二极管的输出电路及等效电路：由等效 图可知：
i S UL iRL SRL
i
Cj
RL
计算上限频率
（三）其他类型的光电二极管 1、光电二极管的分类 按材料
硅光电二极管 锗光电二极管 化合物光电二极管 按结特性： PN结（扩散层、耗尽层）、PIN结 、异质结、 肖特基结
2 、 几种常见的光电二极管 （1）肖特基结光电二极管：
uy
K
(u1 u4 ) (u2 u3 ) u1 u2 u3 u4
（2）直差电路
4象限硅光电池的坐标线与基准线成45°时，常 采用直差电路。
ux
K
u1
u1 u2
u3 u3
u4
uy
K
u1
u2 u2
u4 u3
u4
象限测量存在的问题
光刻分割区有盲区，微小光斑受限制。 测量范围受限制，光斑不能全部落入某一象限。 测量精度受光强漂移影响。 非线性（常做为对准、瞄准用）。
当光作用于PN节时，耗尽区内的光生电子与空 穴在内建电场力的作用下分别向N区和P区运动，在 闭合的电路中产生输出电流IL，且在负载电阻上产 生电压降U。
U IL RL
PL ILU
qU
qIL RL
IL IP ID (e kT 1) IP ID (e kT 1)
PL：负载电阻所获功率； IP：光生电流； ID：暗电流；
（二）光电池的分类
（1）按材料 硅光电池：光谱响应宽，频率特性好 硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内 薄膜光电池：CdS增强抗辐射能力 紫光电池：PN结0.2~0.3 µm，短波峰值600nm
按基底材料不同分 2DR（P型Si为基底） 2CR（N型Si为基底）
（2）按结构分
阵列式：分立的受光面 象限式：参数相同的独立光电池 硅蓝光电池：PN结距受光面很近
光电晶体管的灵敏度比光电二极管高，输出电
流也比光电二极管大，多为毫安级。但它的光电特 性不如光电二极管好，在较强的光照下，光电流与 照度不成线性关系。所以光电晶体管多用来作光电 开关元件或光电逻辑元件。
一般来说光电三极管的响应时间要比光电二极管得 响应时间长得多。 增大输出电流可以提高光电三极管得频率特性。
U Um (0.6 ~ 0.7)UOC
Im IP Se,
Ropt
Um Im
(0.6 ~ 0.7)UOC Se,
Pm ImUm (0.6 ~ 0.7)UOC IP
4、转换效率 光电池的输出功率与入射辐射通量之比。