第3章-半导体光电检测器件及应用ppt课件.ppt

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1、第第3章章 半导体光电检测器件及应用半导体光电检测器件及应用3.1 3.1 光敏电阻光敏电阻v光敏电阻是光电导型器件。v光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉（CdS），锑化铟（InSb）等。v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。光敏光敏电阻电阻 (LDR) (LDR) 和它的和它的符号符号： 符号符号3.1.1 光敏电阻的结构及其工作原理光敏电阻的结构及其工作原理v光敏电阻结构光敏电阻结构：在一块均匀光

2、电导体两端加上：在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。有窗口的金属或塑料外壳内。v工作机理工作机理：当入射光子使半导体中的电子由价：当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。入射入射光光pR本征型和杂质型光敏电阻本征型和杂质型光敏电阻v本征型光敏电阻本征型光敏电阻：当入射光子的

3、能量等于或大于半导体材料的禁带宽度EgEg时，激发一个电子空穴对，在外电场的作用下，形成光电流。v杂质型光敏电阻杂质型光敏电阻：对于型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能E E 时，将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下，形成光电流。v本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。价带导带电子空穴Eg价带导带电子空穴施主光电导与光电流光电导与光电流v光敏电阻两端加电压（直流或交流）无光照时，阻值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻）急剧减少在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成光电流（亮电流）。v光电流：亮电流和暗电流之

4、差：I光 = IL - Idv光电导：亮电流和暗电流之差：g = gL - gdv无光照，暗电导率：v光照下电导率：pnqpqn000pnpqnqpppnnn00v光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。v光电流与光照强度电阻结构的关系。其中，v附加光电导率附加光电导率, ,简称光电导：简称光电导：v光电导相对值：光电导相对值：v要制成附加光电导相对值高的光敏电阻要制成附加光电导相对值高的光敏电阻应使应使p p0 0和和n n0 0小，因此光敏电阻一般采用禁带宽度大的材料或在小，因此光敏电阻一般采用禁带宽度大的材料或在低温下使用低温下使

5、用。pnpqnq00000()npnpnpnpnpnnpnpv当光照稳定时，光生载流子的浓度为：v无光照时，光敏电阻的暗电流为：v光照时，光敏电阻的光电流为：00npg 000npdqUA npUAILL（）LpnqUALAUIpnP)(v光敏电阻的基本结构光敏电阻的基本结构 光敏电阻在微弱辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比；在强辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l 的二分之三次方成反比；都与两电极间距离l 有关。 根据光敏电阻的设计原则可以设计出如图所示的3种基本结构，（a）所示光敏面为梳形的结构。 3.1.2 光敏电阻特性参数光敏电阻特

6、性参数v光电特性光电特性v伏安特性伏安特性v频率特性和时间响应频率特性和时间响应v温度特性温度特性 实际上，光敏电阻在弱辐射到强辐射的作用下，它的光电特性可用在“恒定电压”作用下流过光敏电阻的电流Ip 与作用到光敏电阻上的光照度E 的关系曲线来描述。 光敏电阻在黑暗的室温条件下，由于热激发产生的载流子使它具有一定的电导，该电导称为暗电导 。当有光照射在光敏电阻上时，它的电导将变大，这时的电导称为光电导。电导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏。这个特性称为光敏电阻的光电特性。 光电特性光电特性光电流与入射光照度的关系：光电流与入射光照度的关系：v光电导灵敏度光电导灵敏度: 光电导光电导g与照度与

7、照度E之比之比.：入射通量光敏面积，:AAgEggS不同波长的光，不同波长的光，光敏电阻的灵敏光敏电阻的灵敏度是不同的。度是不同的。在选用光电器件在选用光电器件时必须充分考虑时必须充分考虑到这种特性。到这种特性。 如图所示的特性曲线反应了流过光敏电阻的电流Ip 与入射光照度E 之间的关系，由图可见它是由直线性渐变到非线性的。 在恒定电压的作用下，流过光敏电阻的光电流Ip为：EUSUgIgP式中Sg为光电导灵敏度，E为光敏电阻的照度。显然，当照度很低时，曲线近似为线性；随照度的增高，线性关系变坏，当照度变得很高时，曲线近似为抛物线形。(1)弱光时，弱光时，=1，光电流与照度成线性关系；，光电流与

8、照度成线性关系；(2)强光时，强光时， =0.5，光电流与照度成抛物线；，光电流与照度成抛物线；强光照强光照下下，光照增强的同时，载流子浓度不断的增，光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）（冷却可以改善） ：外加电压，欧姆接触为电压指数光电导，照度指数光USUESIgg) 1(:) 15 . 0(:光敏电阻随光度量变化的光电特性，可用一个的指光敏电阻随光度量变化的光电特性，可用一个的指数伽玛（数伽

9、玛（）来描述，并定义）来描述，并定义为光电转换因子。为光电转换因子。在弱光照下，光电流与在弱光照下，光电流与E 具有良好的线性关系具有良好的线性关系在强光照下则为非线性关系在强光照下则为非线性关系其他光敏电阻也有类似的性质。其他光敏电阻也有类似的性质。v光电导增益光电导增益 光电导增益反比于电极间距的平方。光电导增益反比于电极间距的平方。v量子效率：光电流与入射光子流之比。量子效率：光电流与入射光子流之比。：电极间距：外加电压，：迁移率，：载流子寿命，量子产额，lbbUlUG:2伏安特性伏安特性v在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的电压关系的电压关系v

10、光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，其伏安特性曲线为直线。其伏安特性曲线为直线。v不同光照度对应不同直线不同光照度对应不同直线v光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律，对多数光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律，对多数 半导体，当半导体，当 电场强度超过电场强度超过 （强（强光时），不遵守欧姆光时），不遵守欧姆 定律。硫化镉例外，其定律。硫化镉例外，其伏安特性在伏安特性在100多伏就不成线性了。多伏就不成线性了。v光照使光敏电阻发热，使得在额定功耗内工光照使光敏电阻发热，使得在额定功耗内工作，其最高使用电压由其耗散功率所决定，作，其最高使用电压由其耗散功率所决定，

11、而功耗功率又和其面积大小、散热情况有关。而功耗功率又和其面积大小、散热情况有关。厘米伏410受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压，电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线图中虚线为允许功耗曲线由此可确定光敏电阻正常工作电压。由此可确定光敏电阻正常工作电压。v光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。只有光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。只有PbS光敏光敏电阻的频率特性稍好些，可工作到几千赫。电阻的频率特性稍好些，可工作到几千赫。v另外，光敏电阻时间常数与输入光的照度有关，照度越大，另外，光敏电阻时间常数与输

12、入光的照度有关，照度越大，光敏电阻越小，导致弛豫时间越小。例如：光敏电阻越小，导致弛豫时间越小。例如：E=0.11(lx)时时,tr=1.4(s); E=10(lx)时时,tr=66(ms); E=1000(lx)时时,tr=6(ms)。频率特性v光敏电阻的时间响应特性较差v材料受光照到稳定状态，光生载流子浓度的变化规律：v停止光照，光生载流子浓度的变化为：00(1 exp()tppp 为稳态光生载流子浓度0exp()tpp 响应时间响应时间温度特性温度特性 光敏电阻为多数载流子导电的光电器件，具有复杂的温度特性。 图中所示为典型CdS与CdSe光敏电阻的温度特性曲线。以室温（25）的相对光电

13、导率为100%，观测光敏电阻的相对光电导率随温度的变化关系，可以看出光敏电阻的相对光电导率随温度的升高而下降，光电响应特性随着温度的变化较大。 温度特性曲线温度特性曲线 光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。温度光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。温度的变化，引起温度噪声，导致其灵敏度、光照特性、响的变化，引起温度噪声，导致其灵敏度、光照特性、响应率等都发生变化。应率等都发生变化。温度的变化也会影温度的变化也会影响光谱特性曲线。例如：响光谱特性曲线。例如：硫化铅光敏电阻，随着硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动。峰值将向短波方向移动。所以，为了

14、提高灵敏度，要采取制冷措施，尤其是红所以，为了提高灵敏度，要采取制冷措施，尤其是红外探测器。因为杂质型半导体极易受温度影响。外探测器。因为杂质型半导体极易受温度影响。光敏电阻的特点光敏电阻的特点v1、优点：、优点：v灵敏度高，光电导增益大于灵敏度高，光电导增益大于1，工作电流，工作电流大，无极性之分大，无极性之分v光谱响应范围宽，尤其对红外有较高的光谱响应范围宽，尤其对红外有较高的灵敏度灵敏度v所测光强范围宽，可测强光、弱光所测光强范围宽，可测强光、弱光v2、不足：、不足：v强光下光电转换线性差强光下光电转换线性差v光电导弛豫时间长光电导弛豫时间长v受温度影响大受温度影响大v由伏安特性知，设计

15、负载时，应考虑由伏安特性知，设计负载时，应考虑额定功耗额定功耗v进行动态设计时，应考虑光敏电阻的进行动态设计时，应考虑光敏电阻的频率特性频率特性光敏电阻参数光敏电阻参数v使用材料使用材料：硫化镉（：硫化镉（CdS），硫化铅（），硫化铅（PbS），锑化），锑化铟（铟（InSb），碲镉汞（），碲镉汞（HgCdTe），碲锡铅），碲锡铅（PbSnTe）。）。v光敏面光敏面：1-3 mmv工作温度工作温度：-40 80 oCv温度系数温度系数： 1v极限电压极限电压：10 300Vv耗散功率耗散功率： 100 Wv时间常数时间常数：5 50 msv光谱峰值波长光谱峰值波长：因材料而不同，在可见：因材料而

16、不同，在可见/红外远红外红外远红外v暗电阻暗电阻：108 欧姆欧姆v亮电阻亮电阻：104 欧姆欧姆v典型光敏电阻典型光敏电阻 1、硫化镉（C Cd dS S）光敏电阻 Cd dS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段范围内的灵敏度最高，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制，照相机的自动测光等。 Cd dS光敏电阻的峰值响应波长为0.52m，CdSe光敏电阻为0.72m，一般调整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在0.520.72m范围内。 2、硫化铅（PbS）光敏电阻 PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件。 Pb

17、S光敏电阻在2m附近的红外辐射附近的红外辐射的探测灵敏度很高，因此，常用于火灾火灾的探测等领域。 PbS光敏电阻的光谱响应和比探测率等特性与工作温度有关，随着工作温度的降低其峰值响应波长和长波长将向长波方向延伸，且比探测率D*增加。例如，室温下的PbS光敏电阻的光谱响应范围为13.5m，峰值波长为2.4m，峰值比探测率D*高达11011cmHzW-1。当温度降低到（195K）时，光谱响应范围为14m，峰值响应波长移到2.8m，峰值波长的比探测率D*也增高到21011cmHzW-1。 3、锑化铟（InSb） 光敏电阻 InSb光敏电阻是35m光谱范围内的主要探测器件之一。 InSb材料不仅适用于

18、制造单元探测器件，也适宜制造阵列红外探测器件。 InSb光敏电阻在室温下的长波长可达7.5m，峰值波长在6m附近，比探测率D*约为11011cmHzW-1。当温度降低到77K（液氮）时，其长波长由7.5m缩短到5.5m，峰值波长也将移至5m，恰为大气的窗口范围，峰值比探测率D*升高到21011cmHzW-1。 4、Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件 Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件是目前所有红外探测器中性能最优良最有前途的探测器件，尤其是对于48m大气窗口波段辐射的探测更为重要。 Hg1-xCdxTe系列光电导体是由HgTe和CdTe两种材料的晶体混合制造的，其中x标明Cd元素含量的

19、组分。在制造混合晶体时选用不同Cd的组分x，可以得到不同的禁带宽度Eg，便可以制造出不同波长响应范围的Hg1-xCdxTe探测器件。一般组分x的变化范围为0.180.4，长波长的变化范围为130m。 光敏电阻的应用v基本功能：根据自然光的情况决定是否开灯。v基本结构：整流滤波电路；光敏电阻及继电器控制；触电开关执行电路v基本原理：光暗时，光敏电阻阻值很高，继电器关，灯亮；光亮时，光敏电阻阻值降低，继电器工作，灯关。照明灯自动控制电路K220V灯常闭CdS3.2.1 3.2.1 光电池光电池v光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成电光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成电能的一种器件。能

20、的一种器件。vPN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向子拉向n区，光生空穴拉向区，光生空穴拉向p区，相当于区，相当于PN结上加结上加一个正电压。一个正电压。v半导体内部产生电动势（光生电压）；如将半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短结短路，则会出现电流（光生电流）。路，则会出现电流（光生电流）。3.2 3.2 光生伏特器件光生伏特器件光电池的结构特点v光电池核心部分是一个光电池核心部分是一个PN结，一般作成面结，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的

21、入射光。积大的薄片状，来接收更多的入射光。v在在N型硅片上扩散型硅片上扩散P型杂质（如硼），型杂质（如硼）， 受光面是受光面是P型层。型层。v或在或在P型硅片上扩散型硅片上扩散N型杂质（如磷），型杂质（如磷）， 受光面是受光面是N型层。型层。v受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用。用和保护作用。v上电极做成栅状，为了更多的光入射。上电极做成栅状，为了更多的光入射。v由于光子入射深度有限，为使光照到由于光子入射深度有限，为使光照到PN结上，实际使用的光电池制成薄结上，实际使用的光电池制成薄P型或薄型或薄N型。型。光电池等效电路光电池等效电路RdIP

22、为光电池等效电路中的恒流源；Is为光电池等效二极管反向饱和电流；q为电子电荷量；V为光电池输出电压；Rd为光电池等效电路中串联电阻，很小，可以忽略： 1)(expdLsPLRIVkTqIII1expkTqVIIIsPL当 IL=0 时, 得到开路电压：当 V=0 时, 得到短路电流：Isc与入射光强度成正比；开路电压Voc与入射光强度的对数成正比。) 1ln(sPocIIqkTVSLIIPsc光电池的特性v1、伏安特性、伏安特性 无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。体二极管相同。 有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与有光照时，沿电流轴方向

23、平移，平移幅度与光照度成正比。光照度成正比。 曲线与电压轴交点称为开路电压曲线与电压轴交点称为开路电压VOC，与电，与电流轴交点称为短路电流流轴交点称为短路电流ISC。光电池伏安特性曲线光电池伏安特性曲线反向电流随光照度的增加而上升反向电流随光照度的增加而上升IU照度增加照度增加2、光电池的输出功率 负载所获得的功率为 PL=IL 2RL 显然，负载电阻RL所获得的功率PL与负载电阻的阻值有关，当RL=0（电路为短路）时，U=0，输出功率PL=0；当RL=（电路为开路）时，IL=0，输出功率PL=0；RL0时，输出功率PL0。显然，存在着最佳负载电阻Ropt，在最佳负载电阻情况下负载可以获得最

24、大的输出功率Pmax。 通过对 上式求关于RL的1阶倒数，当RL=Ropt时，求得最佳负载电阻Ropt的阻值。 在实际工程计算中，常通过分析输出特性曲线得到经验公式，即，当负载电阻为最佳负载电阻时，输出电压 U=Um =(0.60.7)Uoc而此时的输出电流近似等于光电流，即e,ie,PM)1 (SehcqIId其中，S 为硅光电池的电流灵敏度。 i硅光电池的最佳负载电阻Ropt为 e,ocmmopt0.7)(0.6SUIUR 从上式可以看出硅光电池的最佳负载电阻Ropt与入射辐射通量有关，它随入射辐射通量的增加而减小。 负载电阻所获得的最大功率为 Pm= Im Um=(0.60.7)UocI

25、pv3、时间和频率响应、时间和频率响应 硅光电池频率特性硅光电池频率特性好好 硒光电池频率特性差硒光电池频率特性差 硅光电池是目前使用最广泛的光电池硅光电池是目前使用最广泛的光电池 v要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL；v光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越大则结电容越大则结电容Cj越大，在给定负载时，时间常数就越越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。开路电压下降大约开路电压下降大约2 2 3mV/3mV/

26、度度短路电流上升大约短路电流上升大约1010-5-5 1010-3-3mA/mA/度度n4 4、温度特性、温度特性 随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，开路电压下降，短路电流上升。光电池做探测器件时，动，开路电压下降，短路电流上升。光电池做探测器件时，测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿。测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿。5 5、光谱响应、光谱响应度度v硅光电池硅光电池 响应波长响应波长0.4-1.10.4-1.1微米，微米， 峰值波长峰值波长0.8-0.90.8-0.9微米。微米。v硒光电池硒光电池 响应波长响应波长0.34-0

27、.750.34-0.75微米，微米， 峰值波长峰值波长0.540.54微米。微米。6、光电池的光照特性、光电池的光照特性连接方式：开路电压输出连接方式：开路电压输出-(a) 短路电流输出短路电流输出-(b)光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。生电动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时趋于饱和。时趋于饱和。光照特性光照特性-开路电压输出：非线性开路电压输出：非线性( (电压电压-光强光强)

28、)，灵敏度高；，灵敏度高；短路电流输出：线性好短路电流输出：线性好( (电流电流-光强光强) ) ，灵敏度低；，灵敏度低；开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）。出）。v负载负载RL的增大线性范围也越来越小。的增大线性范围也越来越小。v因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在适当的光照范围内使用在适当的光照范围内使用。光电池的应用v1、光电探测器件光电探测器件 利用光电池做探测器有频率响应高，光电流随利用光电

29、池做探测器有频率响应高，光电流随光照度线性变化等特点。光照度线性变化等特点。v2、将太阳能转化为电能、将太阳能转化为电能 实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成电实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成电池组池组。硅太阳能电池v硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。电池、非晶硅太阳能电池。v单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23%,而规模生产的单晶硅太阳能电池而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为其效率为15%。v多晶硅半导体材料的价格比较低廉多晶硅半导体材料的价格比较

30、低廉,但是由于它存在着但是由于它存在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为的实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效工业规模生产的转换效率率为为10%。非晶硅太阳能电池v非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺, 具具有较多的优点有较多的优点,例如例如:沉积温度低、衬底材料价格较低沉积温度低、衬底材料价格较低廉廉,能够实现大面积沉积。能够实现大面积沉积。 v非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大,是单晶硅的是单晶硅的40倍倍,1微米厚的非晶

31、硅薄膜微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大约可以吸引大约90%有用的有用的太阳光能。太阳光能。v非晶硅太阳能电池的稳定性较差非晶硅太阳能电池的稳定性较差, 从而影响了它的迅从而影响了它的迅速发展。速发展。 化合物太阳能电池 v三五族化合物电池和二六族化合物电池。三五族化合物电池和二六族化合物电池。v三五族化合物电池主要三五族化合物电池主要有有GaAs电池电池、InP电池、电池、GaSb电池等电池等;v二六族化合物电池主要有二六族化合物电池主要有CaS/CuInSe电池、电池、CaS/CdTe电池等。电池等。v在三五族化合物太阳能电池在三五族化合物太阳能电池中中,GaAs电池的转换效电池的转换效率最高

32、率最高,可达可达28%;GaAs砷砷化化镓镓太阳能电池太阳能电池vGa是其它产品的副产品是其它产品的副产品,非常稀少珍贵非常稀少珍贵;As 不是稀有元素不是稀有元素,有毒。有毒。vGaAs化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池,这这是由于是由于GaAs具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率。率。 vGaAs 化合物太阳能电池虽然具有诸多优点化合物太阳能电池虽然具有诸多优点,但是但是GaAs材材料的价格不料的价格不菲菲,因而在很大程度上限制了因而在很大程度上限制了用用GaAs电池的普电池的普及。及。 太阳能v太

33、阳能特点：太阳能特点： 无枯竭危险；无枯竭危险；绝对干净；绝对干净；不受资源分布地域的不受资源分布地域的限制；限制；可在用电处就近发电；可在用电处就近发电；能源质量高；能源质量高；使使用者从感情上容易接受；用者从感情上容易接受；获取能源花费的时间短。获取能源花费的时间短。v要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能发电能光电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。同现在的电网联网。 在耗尽层 形成漂移电流。 内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动 把光信号转换为电信号的功能，

34、是由半导体PN结的实现的。 如果光子的能量大于或等于带隙( hf Eg )当入射光作用在PN结时 发生受激吸收电子和空穴的扩散运动PN结界面 内部电场 漂移运动 能带倾斜 v 光敏二极管光敏二极管3.2.2 光电二极管与光电三极管光电二极管与光电三极管 在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下， 形成和漂移电流漂移电流相同方向相同方向的扩散电流扩散电流。 漂移电流漂移电流分量和扩散电流扩散电流分量的总和即为光生电流光生电流。当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应光电效应。 当连接的电路闭合时，N

35、区过剩的电子通过外部电路流向P区。同样，P区的空穴流向N区， 便形成了光生电流光生电流。 当入射光变化时，光生电流随之作线性变化线性变化，从而把光信号光信号转换成电信号电信号。 这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子 - 空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极管光电二极管(PD)。 光敏二极管结构光敏二极管结构v光敏二极管与普通二极管一样有一个光敏二极管与普通二极管一样有一个PN结，属于结，属于单向导电性的非线形元件。外形不同之处是在光电单向导电性的非线形元件。外形不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，二极管的外壳上有一个

36、透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换。实现光电转换。v为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，即即PN结面积比普通二极管大得多，以扩散层作为结面积比普通二极管大得多，以扩散层作为它的受光面。它的受光面。v为了提高光电转换能力，为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极结的深度较普通二极管管浅。浅。v与光电池相比：与光电池相比：v共同点：均为一个共同点：均为一个PN结，利用光生伏特效结，利用光生伏特效 应，应， SiO2保护膜保护膜v不同点：不同点：v（1）结面积比光电池的小，频率特性好）结面积比光电池的小，频率特性好 （2）光生电势与光电

37、池相同，但电流比光电）光生电势与光电池相同，但电流比光电 池小池小v（3）可在零偏压下工作，更常在反偏压下工）可在零偏压下工作，更常在反偏压下工作作光电二极管（光敏二极管）光电二极管（光敏二极管）光敏二极管符号光敏二极管符号 光敏二极管接法光敏二极管接法 外加反向偏压外加反向偏压v可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用负偏压情况下使用v大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，电子电子空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵敏度。的灵敏度。v增

38、加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响特性。响特性。v但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加大反向偏压，因为它还受到加大反向偏压，因为它还受到PN结反向击穿电压等结反向击穿电压等因素的限制。因素的限制。v光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光谱光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光谱响应在可见到近红外区中，光电检测中应用多。响应在可见到近红外区中，光电检测中应用多。扩散型扩散型P-i-N硅光敏二极管硅光敏二极管扩散型扩散型P-i-N硅光敏二极管和雪崩光敏二极管硅光敏二极管和雪崩光敏二极

39、管v选择一定厚度的选择一定厚度的i层，具有高速响应特性。层，具有高速响应特性。在在P和和N半导半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征体材料之间加入一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体半导体层，组成的这种层，组成的这种P-I-N结构的二极管就是结构的二极管就是PIN 二极管。二极管。 vi层所起的作用层所起的作用:(1)为了取得较大的为了取得较大的PN结击穿电压，必结击穿电压，必须选择高电阻率的基体材料，这样势必增加了串联电阻，须选择高电阻率的基体材料，这样势必增加了串联电阻，使时间常数增大，影响管子的频率响应。使时间常数增大，影响管子的频率响应。 而而i层的存在，使击穿电压不再受到基体

40、材料的限制，层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可选择低电阻率的基体材料。这样不但提高了击穿从而可选择低电阻率的基体材料。这样不但提高了击穿电压，还减少了串联电阻和时间常数。电压，还减少了串联电阻和时间常数。v (2)反偏下，耗尽层较无反偏下，耗尽层较无i层时要大得多，从而使结电容层时要大得多，从而使结电容下降，提高了频率响应下降，提高了频率响应。PIN管的最大特点是：管的最大特点是：频带宽，可达频带宽，可达10GHz。另一特点是线性输出范围宽。另一特点是线性输出范围宽。缺点缺点: 由于由于I 层的存在，管子的输出电流小，一般层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。

41、多为零点几微安至数微安。雪崩光敏二极管雪崩光敏二极管v由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩管具有高的增益带宽乘积和极快的时间响应特管具有高的增益带宽乘积和极快的时间响应特性。性。v通过一定的工艺可以使它在通过一定的工艺可以使它在1.06微米波长处的微米波长处的量子效率达到量子效率达到30，非常适于可见光及近红外，非常适于可见光及近红外区域的应用。区域的应用。v 当光敏二极管的当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压时，结上加相当大的反向偏压时，在结区产生一个很高的电场，使进入场区的光生在结区产生一个很高的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，通

42、过碰撞使晶格原子电载流子获得足够的能量，通过碰撞使晶格原子电离，而产生新的电子离，而产生新的电子空穴对。空穴对。v新的电子新的电子空穴对在强电场的作用下分别向相反空穴对在强电场的作用下分别向相反方向运动在运动过程中，又有可能与原子碰撞方向运动在运动过程中，又有可能与原子碰撞再一次产生电子再一次产生电子空穴对。空穴对。v只要电场足够强，此过程就将继续下去，达到载只要电场足够强，此过程就将继续下去，达到载流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二极管的反向流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二极管的反向工作偏压略低于击穿电压。工作偏压略低于击穿电压。雪崩光电二极管的雪崩光电二极管的倍增电流、噪声与偏压的关系曲线倍

43、增电流、噪声与偏压的关系曲线v在偏置电压较低时的在偏置电压较低时的A点以左，不发生雪崩过程；点以左，不发生雪崩过程；v随着偏压的逐渐升高，倍增电流逐渐增加从随着偏压的逐渐升高，倍增电流逐渐增加从B点到点到c点增加很快，属于雪崩倍增区；点增加很快，属于雪崩倍增区；v偏压再继续增大，将发生雪崩击穿；同时噪声也显偏压再继续增大，将发生雪崩击穿；同时噪声也显著增加，如图中著增加，如图中c点以右的区域。点以右的区域。v因此，最佳的偏压工作区是因此，最佳的偏压工作区是c点以左，否则进入雪点以左，否则进入雪崩击穿区烧坏管子。崩击穿区烧坏管子。由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变由于击穿电压会随温度漂

44、移，必须根据环境温度变化相应调整工作电压化相应调整工作电压。v雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响应快，带宽可达响应快，带宽可达100GHz。是目前响应最快的一种。是目前响应最快的一种光敏二极管。光敏二极管。v不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐射信号的探测方向被广泛地应用。辐射信号的探测方向被广泛地应用。v在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必敏区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保持

45、更高的工艺和保证结面的平整。须保持更高的工艺和保证结面的平整。v其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。大。雪崩光电二极管与光电倍增管比较雪崩光电二极管与光电倍增管比较v体积小v结构紧凑v工作电压低v使用方便v但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大v故光电倍增管更适宜于弱光探测光敏二极管阵列光敏二极管阵列 v将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起，用来将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起，用来同时探测被测物体各部位提供的不同光信息，并将同时探测被测物体各部位提供的不同光信息，并将这些信息转换为电信号的器件这些信息转换为电信号的器件。象限

46、探测器象限探测器象限探测器有二象限和四象限探测器，又分光电象限探测器有二象限和四象限探测器，又分光电二极管象限探测器和硅光电池象限探测器。二极管象限探测器和硅光电池象限探测器。象限探测器是在同一块芯片上制成两或四个探测象限探测器是在同一块芯片上制成两或四个探测器，中间有沟道将它们隔开，因而这两或四个探器，中间有沟道将它们隔开，因而这两或四个探测器有完全相同性能参数。测器有完全相同性能参数。当被测体位置发生变化时，来自目标的辐射量使当被测体位置发生变化时，来自目标的辐射量使象限间产生差异，这种差异会引起象限间信号输象限间产生差异，这种差异会引起象限间信号输出变化，从而确定目标方位，同时可起制导、

47、跟出变化，从而确定目标方位，同时可起制导、跟踪、搜索、定位等作用。踪、搜索、定位等作用。光敏三极管（光电三极管光敏三极管（光电三极管）v光电三极管是由光电二极管和一个晶体三极管构成光电三极管是由光电二极管和一个晶体三极管构成，相当于在晶体三极管的基极和集电极间并联一个光相当于在晶体三极管的基极和集电极间并联一个光电二极管。电二极管。v同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。窗口，以接收光线照射。v日前用得较多的是日前用得较多的是NPNNPN和和PNPPNP两种平面硅光电三极管两种平面硅光电三极管。NPN光电三极管结构原理简图

48、光电三极管工作原理光电三极管工作原理vNPN光电三极管（光电三极管（3DU型），使用时光电二极管的型），使用时光电二极管的发射极接电源负极，集电极接电源正极。发射极接电源负极，集电极接电源正极。v 光电三极管不受光时，相当于普通三极管基极开光电三极管不受光时，相当于普通三极管基极开路的状态。集电结路的状态。集电结(基基集结集结)处于反向偏置，基极处于反向偏置，基极电流等于电流等于0，因而集电极电流很小，为光电三极管，因而集电极电流很小，为光电三极管的暗电流。的暗电流。v当光子入射到集电结时，就会被吸收而产生电子当光子入射到集电结时，就会被吸收而产生电子空穴对，处于反向偏置的集电结内建电场使电子

49、漂空穴对，处于反向偏置的集电结内建电场使电子漂移到集电极，空穴漂移到基极，形成光生电压，基移到集电极，空穴漂移到基极，形成光生电压，基极电位升高极电位升高。v如同普通三极管的发射结如同普通三极管的发射结(基基发结发结)加上了加上了正向偏置，当基极没有引线时，集电极电流正向偏置，当基极没有引线时，集电极电流就等于发射极电流。就等于发射极电流。v这样晶体三极管起到电流放大的作用这样晶体三极管起到电流放大的作用。v由于光敏三极管基极电流是由光电流供给，由于光敏三极管基极电流是由光电流供给，因此一般基极不需外接点，所以通常只有集因此一般基极不需外接点，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。电极和发射极

50、两个引脚线。v光电三极管与光电二极管相比，具有较高的输出光电光电三极管与光电二极管相比，具有较高的输出光电流，但线性差流，但线性差v线性差主要是由电流放大倍数线性差主要是由电流放大倍数b b的非线性所致的非线性所致v在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。以作开关元件使用。光电三极管的光照特性光敏三极管的伏安特性光敏三极管的伏安特性 硅光电三极管的光电流在毫安量级，硅光电二极管的光电流在硅光电三极管的光电流在毫安量级，硅光电二极管的光电流在微安量级。微安量级。 在零偏压时硅光电三极管没有光电流输出，但硅光电二极管有在零偏压时