光电子器件第二章结型光电探测器

第2章结型光电探测器2.1.光伏效应光伏现象一导体材料的“结效瓯如:雪崩二极管ncmla^l (calhcxie)p-la>rer Oration/ / region□contact(anoda)光照下u1.24a(pim)=光照零偏p 〃结产生开路电压的效应光照反偏光电信号是光电流A结型光电探测光电二极管器的工作原理空2. 2. 硅光电池光电池是一种不需加偏蚤电压就能把光能直接转换成电能的PN结光电器件，按光电池的功用可将其分为煎类*即太阳能光电池和测量光电池。

K /太卩聆总光电池主要用作向负载提供电源，对它的要求主要是光电转换效率高、成本低。

由于总具有结构简单、体积小、重量轻、髙可靠性、寿命长、可在空间直接将太阳能转换成电能的特点，因此成为航天工业中的重要电源，而且还被广泛地应用于供电困难的场所和一些日用便携电器中。

测量光电池的主要功能是作为光电探测，即在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号，此时对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性高、寿命长等。

它常被应用在光度、色度、光学精密计量和测试设备中。

1•用途a.b.作光电探测器使用红外辐射探测器光电读出光电耦合作为电源使用人造卫星野外灯塔微波站§2.2光电池•光电池能直接将光通量转变为电动势，实际为电压源结构和工作原理硼扩冃攵层p 型电极 光电池的结构原理图光光电池有方形圆形三角形环形等P —+ N-+ O——丄p N-------------------------------- ___________________+性1・硅光电池的基本结构和工作原理按硅光电池衬底材料的不同奇分为2DR 型和2CR 型。

如图3・9 (a)所示为2DR 型硅 光电池，它是以P 型硅为衬底(即在本征型硅材料中掺入三价元素硼或镣等)，然后在衬底 上扩散磷而形成N 型层并将其作为受光面。

硅光电池的受光面的输出电极多做成如图3・9 (b)所示为硅光电池的外形图，图中所示的 梳齿状或“E”字型电极，其目的是减小硅光电池的内电阻。

电极~~INP 电极 ⑹ (b)图3-9硅光电池结构、外型与电路符号(a)结构 (b)外型 (c)符号 电极2.硅光电池工作原理如图3-10所示，当光作用于PN 结时，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，在闭合的电路中将产生如图所示的输出电澈，且负载电 阻坨上产宰压降为仏显然、N 结获得的偏置电匡码光电池输出电流g 与负载电阻坨 有关，即SS・ Av /V图3-10硅光电池工作原理图U=(R L (3-16)当以输出电流的L 为电流和电压的正方向时，可以 得到如图3・11所示的伏安特性曲线。

IHri ~I•电子 O 空穴从曲线可以看出，负载电阻R L所获得的功率为(3-17)其中，光电池输出电流“应包括光生电流/p、扩散电流与暗电流等三部分，即4C2^OC-34C4图3-11光电池的伏安特性曲线——光电池的输出短路电流——无光照时PN结反向饱和电流——电子电量--- 玻尔兹曼常数热力学温度——光电池开路输出电压1•光电特性°丄1.0 0.80.60.40.2Gc 光电池光电特性100806040202•光电池的光谱特性光电池的光谱特性3•光电池的频率特性001X8060 40 2000 7500顶00 4500项005光电池的频率特性4.光电池的光电转换效率光电池取输邮祿与入射辐射通量之比定义%光电池的光电转换效率，+为r|。

当负载禺阻为最佳贺载电阻R opt fl/光电池输出最大功率t辐射通量之比定义班电池的最大光由转轶城率，记%〃m。

/ /显然，光电池的最大兎电转换效率(3-24)式中是于材料有关的光谱光电转换效率，表明光电池的光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN 结。

和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此其频率特性特别好.光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几P A 到几十pA。

光电二极管的P-N结装在管的顶部，上面有一个透镜制成的窗口，以便入射光集中在P-N结；光电二极管使用时往往工作在反向偏置状态。

光电二极管的电路连接图SiO2 氟化硅内层金底板按材料分，光电二极管有硅.锹碑化稼、锂化乍光电二极管等许多种，目前在可见光区应用最广泛的是硅光电二极管。

国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。

2CU系列以N-Si为衬底，2DU 系列以P-Si为紂底口2CU系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线（环极——减少暗电流和噪声等影响）.硅光电二极管有2CUA〜D系列、2DU1〜4系列。

光输入T —14 ? °+Q U R 0输岀——0 ——0光电二极管的符号与光电特性的测量电路(a)符号(b)光电特性的测量电路外形光变化-电流变化光电转换器 光敏特性(b)硅光电二极管光电二极管的伏安特性照度增大(a) (d)无光音电流有光光电接收二极管状态光电流（恒流）光电流与照度线性关系光电二极管阵列检测器元件■国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同,分为2CU和2DU两种系列。

■2CU系列以N-Si为衬底,2DU系列以P-Si为衬底■2CU系列光电二极管只有两个引出线,■而2DL係列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极夕卜, 还设了一个环极。

■硅光电二极管结构示意图■ 2DU管加环极的目的是为了减少暗电流和噪声。

为了减小暗电流,设置一个N+-Si的环把受光面(N-Si )电银電位里高的电位上,为表面漏甫子流提$条术经巔载即可达到电源的通路。

这样,即可达到减小流过负载的暗电流、减小噪声的目的°丄如塁使甩阳环极悬空，除了暗电流、噪声大些外,其它性能均不燮影响。

生一仝和？Si导电类型祖同的导电层,从而也就不可能出现表面漏电流,所以不需要加环极。

■光电二极管的用法只能有两种。

■ 一种是不加外电压,直接与负载相接。

■ a）不加外电源b）加反向外电源c） 2DU环极接法■实际上,不是不能加正向电压,只是正接以后就与普通二极管一样，只有单向导电性,而表现不出它的光电效应。

■加反向电压时，伏安特性曲线常画成如下图所示的形式。

■与硅光电池的伏安特性曲线图比较f有两点不同。

于纵轴反转了_下 < 变为上图但)。

这里是以横轴的正向代表负电压，这样处理对于以后的电路设计很方便。

■二是因为开路电压U°c—般都比外加的反向电压小很多 < 二者比较可略而不计 < 所以实用曲线常画为上图(b)的形式。

■微变等效电路与频率特性:■光电二极管的等效电路可表达如下:■图b为考虑到光电二极管结构.功能后画出的微变等效电路 ,其中Ip为光电流,V为理想二极管,Cf为结电容,Rsh为漏电阻＜ Rs为体电阻＞R L为负载电阻；向电压＜Rsh很大，Rs很小，所以图b中的V. R sh. Rs都可以■图d又是从图c简化来的,因为C很小，除了高频情况要考虑它的分流作用外,在低频情况下,它的阻抗很大,可不计。

■因此具体应用时多用图d和图c两种形式。

■流过负载的交变电流复振幅为：3 :入射光的调制圆频率f co = 2nf f伪入射光的调制频率。

T = CfR]厶的模量为可见,厶是频率的函数 < 随着入射光调制频率的増加而减小。

当0=1/T■时,这时f = 1/27TT称为上限截止频率,或称为带宽。

几种国产2CU型硅光电二极管的特性參数名称单位最离工作电压U a…/v喑电流巾•/UA/（PA 屮W“）悄电客/PF响应时鳳/«18试条件型号、"'、b<0.2^AE<imW-m*au=u皿駅g皿gh 9阪V U=UfllM R尸咖2CU[A10>80>0.5^6IB aCUiB• 's>80>0.5<510*7 2CU1C30 .G2>80Ms<52CUiD，40G2>80>O・B<5io-7 2CU占旬•<0.2>0.6<510-? 2C（J2A -,... ^ •10>30>0.5<6 ..2CU J B20 '；!• >30>0.5<5lo;7 2CU,C30:s !>04<62CU5B -40<0；l>so>0・5<510 2CU2E50>30 ->0.5<5lh2.4其他类型的光生伏特器件•PIN型光电二极管为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，消除在PN结外光生载流子的扩散运动时间，常采用在P区与N区之间生成I型层，构成如图3・6 (a)所示的PIN结构光电二极管，PIN结构的光电二极管与PN结型的光电二极管在外形上没有什么区别，都如图3・6 (b)所示。

PIN光电二极管在反向电压作用下，耗尽区扩展到整个半导体，光生载流子只产生漂移电流，因此，它的时间响应只取决于厂与厂,在10冬左右。

管脚% dr RC(a) (b)图3-6 PIN光电二极管结构与外形图(a)结构：(b)外形图PIN光电二级管价带P型层很薄使光子很快进入I区I区电阻很大可加较高电压高的电阻使暗电流明显减小，这些产生的光生电子一空穴对将立刻被电场分离并作快速漂移运动I区加入增大了耗尽层厚度减小了结电容CJ,提高了量子效率漂移时间约为相当于f= 1 KMHzP 区一边失去空穴，留下带负电的杂质离子，N 区一边失去电子，留下带正电的 杂质离子，在PN交界面形成空间电荷，即在交界处形成了很薄的空间电荷区，在该 多数载流子已扩散到对方而复合掉，即消耗尽了，耗尽层的电阻率很高。

扩 耗尽层越宽，PN 结内电场越强，加速了光电子的定向运动，大大减小了漂 因而提高了响应速度。

PIN 结光电二极管仍然具有一般PN 结光电二极管的线入射光照射在P 层上，由于P 层很薄，大量的光被较厚的I 层吸收，激发较多的载流子形成光 电流；又PIN 结光电二极管比PN 结输出端 偏压.° ' =光电二极管施加较高的反偏置电压， 使其耗尽层加宽。

当P 型和N 型半导 体结合后，在交界处形成电子和空 穴的浓度差别，因此，N 区的电子要fzzr SZj )1/ 归弋7兀导带 价带向P 区扩散，P 区空穴向N 区扩散。

劉7-2 3 P 朗光迫二荻營kr A区域中, 散越强, 移时间, 性特性最大特点：频带宽，可达10GHzo另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。

由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。