结型光电探测器分解79页PPT

光电检测领域应用
光功率检测
结型光电器件作为光电探测器，能够 快速响应光功率的变化，用于实时监 测光网络的传输状态。
光谱分析
结合光谱仪，结型光电器件可以对不 同波长的光信号进行探测和分析，用 于光谱分析和物质成分检测。
光电控制领域应用
光控开关
结型光电器件可以实现高速的光控开关功能，用于光信号的路由、分束和合束 等控制。
本的结型光电器件。
集成化与模块化的探索
03
未来研究将进一步探索结型光电器件的集成化与模块化技术，
以满足大规模光电系统集成和光电信息处理的需求。
05
CATALOGUE
结型光电器件的制备与工艺
材料选择与制备
01
02
03
材料纯度
选择高纯度的材料，以减 少杂质和缺陷对器件性能 的影响。
材料匹配
确保材料之间的晶格常数 和热膨胀系数相匹配，以 减小应力集中和热失配。
生物医学
结型光电器件在生物医学领域具有广泛的应用， 如光学成像、光谱分析等。
结型光电器件的历史与发展
早期研究
20世纪60年代，随着半导体材料 和光学技术的发展，人们开始研 究结型光电器件。
技术进步
随着材料、工艺和设计的不断改 进，结型光电器件的性能不断提 高，应用领域不断扩大。
未来展望
随着物联网、人工智能等技术的 快速发展，结型光电器件在未来 的信息社会中将发挥更加重要的 作用。
1 2
结构设计
优化器件结构，提高光电器件的性能和稳定性。
界面工程
优化界面质量，减少界面态和缺陷，提高载流子 输运效率。
3
工艺调控
通过精细调控工艺参数，实现性能优化和提升。
06

改写为
ILSEEI0(eqU /k T 1 ) (4-4)
第二十一页，共161页。
结型光电器件工作原理
• 当负载电阻RL断开(IL=0)时,P端对N端的电压称 为开路电压,用UOC表示,由式(4-2)得
UOCkqTln1(IIP0 )
一般情况下,IP>>I0,所以
(4-5)
UOC kqTlnII(P 0)kqTlnS(IE0E)
2）如果工作在反偏置状态,无光照时结电阻很大,电 流很小;有光照时,结电阻变小,电流变大,而且流过它的光
电流随照度变化而变化。这种状态称为光电导工作模式。
第十八页，共161页。
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结型光电器件工作原理
•光照下PN结的电流方程
• 有光照时,如图 (a)所示。若PN结外电路 •接上负载电阻RL,此时
•在PN结内会出现两种
第二十七页，共161页。
4.2 硅光电池
硅光电池结构如图(a)所示。图(b)为光电池的电路
符号。
为便于透光和减小串联电阻,一般硅光电池的输出
电极多做成如图 (c)的形式。
第二十八页，共161页。
4.2 硅光电池
• 硅光电池的工作原理如图 (a)所示,由此可写出 硅光电池的电流方程,即
IL IP ID IP I0 ( e q/k U T 1 )
光电检测 第四章 结 型光电器件
第一页，共161页。
• 半导体结型光电器件利用光生伏特效应工作。
包括： ——光电池;
•
——光电二极管，光电晶体管；
•
——PIN管；
•
——雪崩光电二极管；
•
——象限式光电器件；
•
——位置敏感探测器(PSD)；

计量起伏噪声(以起伏噪声电压 n为(t)例,噪声电流 i类n (似t) )
n (t) 0噪声电压平均值得瞬间振幅与相位随时间呈无规则变化
___
n2 均方值完全确定,表示单位电阻上所消耗得噪声平均功率
___
n2 —计量噪声电压大小
___
n2 —起伏噪声电压有效值
____记__为_____V_ n2
光电导探测器
利用光电导效应可以制成各种用途得光电元件,如光敏电阻(光 电导探测器)、光电管等。其中光敏电阻具有体积小、坚固耐用、 价格低廉、光谱响应范围宽等优点,广泛用于微弱辐射信号得探 测领域。
#
光电导探测器
光电导效应
本征半导体:
光电导增量
e(nn pp )
n和p
分别就是电子与空穴得迁移率
i
生得具有电量为e得光电子数量
量子效率
Ip / e
单位时间内光子所激励得光电子数
Pi /h
单位时间内入射到探测器表面得光子数
代表入射到探测器得单个光子所能产生得光电子数目
#
光电探测器得性能参数
时间常数
探测器得惰性:
当入射光功率发生突然变化时(如开始或停止照射),光电探测器
得输出总不能完全跟随输入而变化。通常用时间常数 来衡 量
在阶跃输入光功率条件下,光电探测器输出电流 为
is
当is
(t
)
i
[1
exp(t 时,(稳态值
/
)]
)
称is (为t)参数
频率响应
——探测器得响应度随入射光调制频率得变化特征 多数探测器得响应度与调制频率得关系为
(f )
0
1
(1+4 2f 2 2 ) 2

t 响应速度受三个因素的限制：载流子的扩散时间
t ，耗尽层中漂移时间 diff
dr
和耗尽层电容C与负载电阻R之乘积所决定的RC时间常数。
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8.3光敏二极管
6、光敏二极管的一般特性 c、噪声特性 噪声源：热噪声、散粒噪声 热噪声-主要负载； 散粒噪声-信号光电流，背景光电流，反向饱和电流
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8.2光敏电阻
1 、 光敏电阻简介
特点：
•光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）； •偏置电压低，工作电流大； •动态范围宽，既可测强光，也可测弱光； •光电导增益大，灵敏度高； •无极性，使用方便； •在强光照射下，光电线性度较差 •光电驰豫时间较长，频率特性较差。
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本征半导体的光电导效应。当光子能量E光大于或等于禁带宽度Eg时，光 子把价带中的电子激发到导带，出现自由电子和自由空穴时，从而使材料的
电阻率降低。电导率增加。
E光 =
hc
1240
Eg
1240
Eg
引入长波限λ0，若波长长于λ0， 即无本征吸收
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8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理
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8.2光敏电阻
4、光敏电阻的参数与特性 b.响应灵敏度 能够产生光致导电的光主要是波长接近光谱响应峰值的光，这种
光能把电子直接由价带激发导导带。但是，实际上，光把光电导体
中的杂质和晶格缺陷所形成的能级中的电子激发到导带的情况是很
多的，而这些能级与导带间的宽度比禁带宽度要窄的多。这就意味
着，光电导体对波长长于峰值波长的光也具有响应灵敏度，而且，

*
PIN 光电二极管
(1)结构与工作原理： 为改善PN结耗尽层只有几 微米，长波长的穿透深度 比耗尽层宽度还大，大部 分入射光被中性区吸收， 使光电转换效率低，响应 时间长，响应速度慢的特 性，在PN结中设置一层掺 杂浓度很低的本征半导体 （称为I），这种结构便是 PIN光电二极管。
P+
I
N+
耗尽层
c
hc Eg
• 量子效率的光谱特 性取决于半导体材 料的吸收系数 α (λ)
0.2 0 0.7 0.9 1.1
10%
1.3
1.5
1.7
PIN响应度、量子效率 与波长的关系
3. 响应时间及频率特性
当光电二极管具有单一的时间常数 前沿和脉冲后沿相同，且接近函数 exp(t / 0 ) 和 exp(t /0 ) ， 由此得到脉冲响应时间为 2 . 2 r f 0
R
P+
N+
PIN光电二极管原理图
抗反射膜
电极
Ⅱ(N) 掺杂浓度很低； P P+和N+掺杂浓度很高 Ⅱ(N) 。 且I层很厚，约有 N 5~5 0μm，吸收系数 电极 很小，入射光很容易进 PIN光电二极管结构 入材料内部被充分吸收 而产生大量的电子-空 穴对 ,因而大幅度提高 P+层和N+层很薄，吸 了光电转换效率，两侧
0
时，其脉冲
具有一定时间常数的光电二极管，对于幅度一定 ，频率为 f c 的正弦调制信号，截止频率 2 f 1 0.35
fc
20

r
谢谢！
响应度分为电压响应度和电流响应度
• 电压响应度Rv
光电探测器件输出电压与入射光功率之比 • 电流响应度RI

2
(W )
4.探测度D与归一化探测度D*
• 探测度D 为噪声等效功率的倒数，即
• 归一化探测度D*
1 D NEP
由于D与探测器的面积Ad 和放大器带宽 Δ f乘积的平方根成正比，为消除这一影 响，定义： D*越大的探测器其探测能力越强。
1 1 / 2 D DAf ( ) d * N E P
出下降到稳定值所需要的时间。
2.量子效率
量子效率：是指每入射一个光子光电探测器所释放 的平均电子数。它与入射光能量有关。其表达式
为:
I /e P / h
式中，I是入射光产生的平均光电流大小，e是电子 电荷，P是入射到探测器上的光功率。I/e为单位时 间产生的电子数,P/hυ 为单位时间入射的光子数。
光电探测器
光电检测器件
光子器件
真空器件
光电管 光电倍增管 真空摄像管 变像管 像增强管
热电器件
固体器件
光敏电阻 热电偶/热电堆 热辐射计/热敏电 阻 热释电探测器
光电池
光电二极管 光电三极管
光纤传感器
电荷耦合器件 CCD
光电探测器的种类
光电探测器能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信 号的转换。对光检测器的基本要求是：
+ +
E
收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽 层，因而光生电流中漂移分量占支配地位， 从而大大提高了响应速度。还可以通过控制 耗尽层的厚度，来改变器件的响应速度。
为使入射光功率有效转换成光电流，它须在耗尽区内被半 导体材料有效吸收，故要求耗尽区足够厚、材料对入射光 的吸收系数足够大。在厚度W内被材料吸收的光功率可表 W 示为 ： P W P 1 e

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四、光伏探测器的性能参数
1、响应率 2、噪声 3、比探测率 4、光谱特性 5、频率响应及响应时间 6、温度特性
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1、响应率
由此可知，光伏探测器的响应率与器件的工作温度 及少数载流子浓度和扩散有 关，而与器件的外偏压无关，这是与光电导探测器的不相同的。
编辑版pppt
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3.光电三极管
利用雪崩倍增效应可获得具有增益的半导体光电二极管（APD）,而采用一 般晶体管放大原理，可得到另一种具有电流内增益的光伏探测器，即光电三 极管。它与普通的双极晶体管十分相似，都是有两个十分靠近的P-N结—发 射结和集电结构成，并均具有电流放大作用。为了充分吸收光子，光电三极 管则需要一个较大的受光面，所以，它的响应频率远低于光电二极管。
第四象限：零偏压光伏工作模式。
编辑版pppt
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有光照时，若PN结外电路接上负载电阻 ,如图所示，
在PN结内将出现两种方向相反的电流：一种是光激 发产生的电子-空穴对形成的光生电流 ,它与光照有关， 其方向与PN结方向饱和电流 相同;另一种是光生电流 流过负载电阻 产生电压降，相当于在PN结施加正向 偏置电压，从而产生正向电流 ，总电流 是两者之差， 编辑即版pp流pt 过负载的总电流为： 10
在p-n结施加正向偏置电压，从而产生电 流ID。
流过负载的总电流是两者之差：
编辑版pppt
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（2）反向偏置的光电导工作模式 无光照时电阻很大，电流很小；有光照时，电阻
变小，电流变大，而且流过它的光电流随照度变 化而变化。类似光电导器件。
编辑版pppt
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（3）正向偏置的工作模式 呈单向导电性，和普通二极管一样，光电 效应无法体现。

6、光敏二极管的一般特性
a、量子效率 为每个入射光子所激发的电子空穴对数。
I ph q ( )
式中， I ph是光生电流，()是波长为 （ 对应光子能量为 h）的光子通量。
b、 响应度 R()为光电流对入射光功率之比。
R() I ph I ph q (m) ( A / W ) P ()hv hv 1.24
8 半导体光电探测器
2021/4/24
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本章内容
• 1.半导体光电探测器概述 • 2.光敏电阻 • 3.光敏二极管
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8.1 半导体光电探测器概述
光电探测器是对各种光辐射进行接收和探测的器件。
光电探测器
光电发射器件：真空光电二极管，光电倍增管等
半导体光电探测器
光导型（PC）:各种光敏电阻
本征半导体的光电导效应。当光子能量E光大于或等于禁带宽度Eg时，光 子把价带中的电子激发到导带，出现自由电子和自由空穴时，从而使材料的
电阻率降低。电导率增加。
E光 =
hc
1240
Eg
1240
Eg
引入长波限λ0，若波长长于λ0， 即无本征吸收
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8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理
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8.3光敏二极管
4、光敏二极管的伏安特性
由图可见，在低反压下电流随光电 压变化非常敏感。这是由于反向偏压 增加使耗尽层加宽、结电场增强，它 对于结区光的吸收率及光生裁流子的 收集效率影响很大。当反向偏压进一 步增加时，光生载流子的收集已达极 限，光电流就趋于饱和。这时，光电 流与外加反向偏压几乎无关，而仅取
t 响应速度受三个因素的限制：载流子的扩散时间

Ｐ区一侧呈现负电荷，Ｎ区一侧呈现正电荷，因此空间电荷 区出现了方向由Ｎ区指向Ｐ区的电场，由于这个电场是载流子扩 散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场。它对多 数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。
内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带 来两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是P区和N区的 少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）一旦靠近PN结，便 在内电场的作用下漂移到对方，这种少数载流子在内电场作用 下有规则的运动称为漂移运动，结果使空间电荷区变窄。
光电子发射探测器光电子发射效应或外光电效应金属氧化物或半导体表面光子能量大于逸出功材料内束缚能级的电子逸出表面自由电子光辐射光电导探测器光电导效应或内光电效应半导体材料光子能量大于禁带宽度材料内不导电束缚状态的电子空穴自由电子空穴光辐射电导率变化光伏探测器光生伏特效应或内光电效应光伏探测器光生伏特效应或内光电效应金属氧化物或半导体表面光子能量足够大材料内束缚能级的电子逸出表面电子空穴对光辐射光电磁探测器光电磁效应或内光电效应光电磁探测器光电磁效应或内光电效应垂直磁场中的半导体材料光子能量足够大本征吸收产生电子空穴对载流子浓度梯度光辐射光磁电动势光电池光电二极管雪崩光电二极管pin管及光电晶体管光生电动势选择性探测器即光子波长有长波限
♥ 选择性探测器，即光子波长有长波限。波长长
于长波限的入射辐射不能产生所需的光子 效应，因此无法被探测。
♥ 波长短于长波限的入射辐射，功率一定时，波
长越短，光子数越少，因此光子探测器的理论 响应率应正比于波长。
热探测器（光热效应）
光辐射
材料产生温升
热探测器
物理性质变化
温差电动 （温差电效应）
热电偶
因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少 子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄， 内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。