光电转换模块

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3.2.1光伏探测器的分类

（1）光电池

光电池是一种无需外加偏压就能将光能转换成电能的光伏探测器。光电池可以分为两大类：太阳能光电池和测量光电池。太阳能光电池主要用作电源，对它的要求是转换效率高、成本低，由于它具有结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、在空间能直接利用太阳能转换电能的特点，因而不仅仅成为航天工业上的重要电源，还被广泛地应用于供电困难的场所和人们日常生活中。测量光电池的主要应用时作为光电探测用，即在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号，对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好、寿命长，被广泛应用在光度、色度、光学精密计量和测验试中。

光电池是用单晶硅组成的，在一块N 型硅片上扩散P 型杂质，形成一个扩散n p +结；或在P 型硅片扩散N 型杂质，形成p n +结，在焊上两个电极。P 端为

光电池正极，N 端为负极，一般在地面上应用作光电探测器的多为n p +型。p

n +型硅光电池具有较强的抗辐射能力，适合空间应用，作为航天的太阳能电池。

（2）光电二极管

随着光电子技术的发展，光信号在探测灵敏度、光谱响应范围及频率特性等方面要求越来越高。光电二极管的工作原理同光电池一样，都是基于P -N 结的光伏效应工作的。但是，它与光电池相比有所不同：掺杂浓度较低，电阻率较高，结区面积小，通常多工作于反偏置状态。因此，光电二极管的内建电场很强，结区较厚，结电容小，因而频率特性比光电池好，但其光电流比光电池肖达多，一般多为微安级。硅光二极管基本结构如下图所示：

图3-5 硅光二极管的结构

硅光二极管是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把射到它表面的光转化为电能，因此，可用在光电探测器和光通信等领域。特点：当它照射光时会流过大致与光量成正比的光电流. 用途：1.作传感器用时,可广泛用于光量测定和视觉信息,位置信息的测定等. 2.作通信用时,广泛用于红外线遥控之类的光空间通信,光纤通信等. 3.紫蓝硅光电池是用于各种光学仪器，如分光光度计、比色度计、白度计、亮度计、色度计、光功率计、火焰检测器、色彩放大机等的半导体光接收器；紫蓝硅光电池具有光电倍增管，光电管无法比拟的宽光谱响应，它特别适用于工作在300nm-1000nm光谱范围的各种光学仪器对紫蓝光有较高的灵敏度、器件体积小、性能稳定可靠，电路设计简单灵活，是光电管的更新换代产品。目前也有可以使用到190-1100nm的产品,但紫外能量弱一些,光谱带宽不能太小,已经有很多厂家在紫外可见分光光度计上用了。

（3）其它光电二极管

A、PIN光电二极管

在P-N结之间加一本征层（I层）,这种器件称为PIN光电二极管，又称耗尽层型光电二极管。只要适当控制本征层厚度，使它近似等于反偏压下耗尽层宽度，就可以使相应波长范围和频率相应得到改善。PIN硅光电二极管使常用的耗尽层光伏探测器。它是采用高阻纯硅材料及离子漂移技术形成一个没有杂质的本征层，

左右其结构如下：

厚度为500m

图3-6 PIN 光电二极管结构

为了更好的使用方便及更好发挥光电二极管在系统中的最佳性能，设计和制作PIN -FET 微型组件是发展趋势。这种器件是含有小面积、小电容的光电二极管与高输入阻抗的场效益管前置放大器组合体，其中所有引线长度及杂散电容都做得非常小。由于电容小，，输入阻抗高，可以大大降低热噪声，这种组件还具有供电电压低，工作十分稳定，使用方便的特点。PIN 光电二极管的上述优点，使它在光通信、光雷达及其它要求快速光电自动控制系统中得到非常广泛的应用。

B 、雪崩光电二极管（APD ）

普通的硅光电二极管和PIN 光电二极管是没有内增益的光伏探测器，而在光探测器系统中的实际应用中，大多是对微光信号进行探测，采用具有内增益的光探测器将有助于对微弱光信号的探测。雪崩光电二极管是具有内增益的光伏探测器，它是利用光生载流子在高电场区内的雪崩效应而获得光电流增益的，它具有灵敏度高，相应快等优点。

用于制作雪崩二极管的材料主要是硅和锗，实际的器件具有极短的响应时

间，即数以千兆的相应频率，高达3210~10的增益，所以在光纤通讯、激光测距、

激光雷达和光纤传感器等领域得到了广泛的应用。与PIN 光电二极管比较，在同样负载条件下，前者具有高灵敏度。由于具有内增益可以大大降低对前置放大器的要求，但需要上百伏的工作电压。此外，雪崩光电二极管的性能与入射光功率有关，通常当入射光功率在1nW 至几个W μ时，倍增电流与入射光具有较好的线性关系，但入射光功率过大，倍增系数M 反而会降低，从而引起光电流的

畸变。测量表明，只有当入射光功率W 510-≤时光电流二次谐波畸变才小于

增透膜

金属接触

I 层

基片

—60dB 。因此，在实际探测系统中，当入射光功率较小时，多采用APD ，，此时，雪崩增益引起的噪声贡献不大。相反，在入射光功率较大时，雪崩增益引起的噪声占主要优势，并可能带来光电流失真，这时采用APD 带来的好处不大，采用PIN 管更为恰当。因此，在具体使用中两种器件各具特点，应视系统的要求来选择。

（4）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。

光电三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通三极管，因此，结构与一般晶体管相类似，但也有特殊地方。如图所示，图e 、b 、c 分别表示光电三极管的发射极、基极和集电极。正常工作时保证基极—集电极结（b -c 结）为反偏压状态，并作为受光结。

光电三极管的工作有两个过程：一个光电转换；二是光电流放大。光电转换与一般光电二极管相同，当集电极加上相对发射极为正向电压而基极开路时，则基极—集电极结处于反偏状态。无光照时由于激发而产生的少数载流子，电阻从基极进入集电极，空穴则从集电极移向基极，在外电路中有电流流过。当无光照射基区时，在该区产生电子-空穴对，光生电子在内电场作用下漂移到集电极，形成电流。与此同时，空穴则留在基区，使基极的电位升高，发射极便有大量的电子经基极流向集电极，总的集电极电流为

(1)c P P P I I I I ββ=+=+ （3-12）

图3-7光电三极管的结构及工作原理

3.2.2导引头中光电探测器的选择

对于光电探测器的选择，必须符合一些基本的条件，特别是激光制导系统，有些条件就更为重要了，综合考虑本文选择使用用硅PIN 光电二极管，具体考虑因素以及原因如下：

（1）响应快：光从P -N 结的N 侧垂直入射，且穿透深度不超过结区，则光电流主要是N 区及结区光生空穴电流所成。N 区光生空穴扩散至结区所需要的时间与扩散长度和扩散系数有关。以N 型硅为例，当空穴扩散距离为几微米时，则只需扩散时间n τ约910-s 。

（2）噪声低：光伏探测器的噪声主要包括器件中光生电流的散粒噪声、暗

电流噪声和器件的热噪声，其均方噪声电流2N i 为：

d

N R f kT f qI i ?+?=422 （3-13） 式中，I 为流过PIN 结的总电流，它与器件的工作及光照有关，d R 为器件电阻，因反偏工作时d R 相当大，热噪声可忽略不计，故光电流和暗电流引起的

散粒噪声是主要的，则式可表示为: f I I q i s D N ?+=)(22

通过器件的电流只有热激发暗电流D I 。当器件在零偏置时，流过P -N 结的

电流包含正向和反向的暗电流+D I 与-D I 。它们对总电流的贡献为零，而对噪声的

e hv b

n p R L

hv c

b V A

n e

C

贡献是叠加的，则均方噪声电流为：

f I I q i D D N ?+=-+)(22 （3-14）

一般情况下D D D I I I ==-+,故f qI i N ?=22。

同理，可以写出负偏压工作的光伏探测器的暗电流噪声，显然它只有零偏压工作时的一半。

（3）探测率高。导引头中光电探测器的探测率与导引头中光电探测器内在噪声有着线性关系，因此，硅PIN 光电二极管也比较好。

（4）上升时间好。（5）线性度相对于其他的光电探测器也更加好。