第六章光电接收器件优秀PPT.ppt

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1、第六章光电接收器件第一页，本课件共有73页1.光电导器件的工作原理光电导器件的工作原理光电导器件就是把光生载流子引起的电阻变化作为电信号进行检测的器件。光电导器件可以分为本征型和掺杂型两种。掺杂型的光电导器件主要用作红外线检测用的光接收器件用。1）本征型光电导器件的工作原理6.1 光电导器件光电导器件第二页，本课件共有73页机理：光照射将引起半导体中的电子和空穴增加，电子和空穴的增加导致了电导率的增加。其中，q为电子电荷大小；、为电子和空穴的迁移率；迁移率；分别为电子和空穴产生的速率。电导率的变化，引起通过其的电流大小的变化。V为加在器件两端的电压。第三页，本课件共有73页从这个式子中，我们可

2、以看到，光电流产生的大小与几个部分有关：1）外加电压大小；2）器件的参数：横截面和长度大小；3）器件材料，即其本身的性能有关光电流的变化量为：下面引入光电导增益的概念：称G为光电导增益。第四页，本课件共有73页光电导增益的大小与1）载流子寿命（正比）2）载流子渡越时间（反比）：电极间距的平方（正比）；迁移率（反比）第五页，本课件共有73页6.光电导器件的各种参数光电导器件的各种参数)光特性表征光照下光敏器件的输出量，如电阻、电压或电流等量与入射辐射之间之间的关系。该特性将指导我们在选用光敏器件时，确定其工作点和线性范围。)灵敏度又称为响应度。它表示器件将光辐射能转化成电能的能力。具体定义为：器

3、件产生的输出电信号与引起该信号的输入光辐射通量之比。输出电信号由器件及偏置电路的特性决定，既可以是电流，也可以是电压，如电流表示的光灵敏度为：第六页，本课件共有73页)光谱响应光敏器件对某个波长光辐射的响应度或灵敏度叫做单色灵敏度或光谱灵敏度。而把光谱灵敏度随波长的关系曲线叫做光谱响应或光谱特性。)量子效率光敏器件的量子效率是指器件吸收辐射后，产生的光生载流子数与入射辐射光子数之比第七页，本课件共有73页)光敏器件的噪声当器件无光照时，输出电压或电流的均方值或均方根值叫噪声。)噪声等效功率D噪声等效功率（noiseequivalentpower，）又称为等效噪声输入它的值等于信噪比等于时的入射

4、光功率的大小它标志器件探测光辐射的极限水平)光敏器件的探测率该特性也是光敏器件探测极限水平的表示形式，它是噪声等效功率的倒数.第八页，本课件共有73页)光敏器件的归一化探测率由于器件特性与其光敏面面积大小、检测电路的带宽等因素有关，为将光敏器件特性建立在统一比较的基础上，引入“归一化探测率”的概念，又称“比探测率”。第九页，本课件共有73页它表示单位面积的器件，在放大器带宽为条件下的探测率。的检测值与实际测量条件有关所以在给出值的同时，一定要给出附加检测条件例如：表示是以k黑体为目标，调制频率为，带宽为的条件下所获得的值3.常用光敏电阻及其特性常用光敏电阻及其特性光电导器件的主要作用是用于光信

5、号检测。根据被测光的波长范围，及各种器件的特性，许多光电导器件是分别被使用的。第十页，本课件共有73页第十一页，本课件共有73页第十二页，本课件共有73页这两种器件是用于可见光和红外区域最广泛的光电导器件。CdS光敏电阻可在人视觉接近的范围内灵敏地工作，其线性度和温度特性都很好，但缺点是响应速度不快，约几十毫秒。CdS常用于照相机或专门的测光表中。而CdSe的响应与白炽灯或氖灯的光源的输出具有良好的匹配，线性度和温度特性都不太好，但其响应速度快，几个毫秒。所以CdSe光敏电阻常用作光电开关使用。第十三页，本课件共有73页此外，还有应用于低温环境下的，如：本征型半导体：HgCdTe；掺杂型的：G

6、e：Au、Ge：Zn、Si：Ga等。2）PbS和PbSe在波长范围为的近红外线范围内应用。这两者的特点是：都是本征光电导器件，检测精度高，可在室温下使用，所以被广泛地应用。第十四页，本课件共有73页光电二极管和光电导器件都是利用内光电效应的光接收器件，所不同的是：光电二极管是利用PN结在光辐射作用下产生的光伏效应制成的。而光电导器件是利用光生载流子引起的电流变化作为了电信号附加在外部偏压上而被检测出来。主要有光电池、光电二极管、光电三极管等。对于二极管而言，由于它利用的是PN结的内部电场，所以往往使用反向电压。6.2 光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理第十五页，本课件共有73页一定温度下

7、半导体中电子和空穴的热运动是不能引起载流子净位移，从而也就没有电流。但漂移和扩散可使载流子产生净位移，从而形成电流。载流子的输运载流子的输运扩散与漂移扩散与漂移载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点向浓度低的点运动。1 扩散：扩散：第十六页，本课件共有73页迁移率（电子迁移率n，空穴迁移率p），的大小主要决定于晶格振动及杂质对载流子的散射作用。2 漂移：漂移：载流子在外电场外电场作用下，电子向正电极方向运动，空穴向负电极方向运动称为漂移。讨论漂移运动的重要参量讨论漂移运动的重要参量：第十七页，本课件共有73页上图为光注入，非平衡载流子扩散示意图。光在受照表面很薄一层内即被吸收掉。受光部分将产生

8、非平衡载流子，其浓度随离开表面距离x的增大而减小，因此非平衡载流子就要沿x方向从表面向体内扩散，使自己在晶格中重新达到均匀分布。第十八页，本课件共有73页光注入，非平衡载流子扩散示意图光注入，非平衡载流子扩散示意图第十九页，本课件共有73页扩散流面密度j与浓度梯度dN(x)/dx成正比：j=-DdN(x)/dxD为扩散系数，表征非平衡载流子扩散能力。式中负号表示扩散流方向与浓度梯度方向相反。光生的非平衡载流子复合有光后，在复合前扩散的距离有远近之分，从而形成N(x)分布曲线。L表示非平衡载流子复合前在半导体中扩散的平均深度。第二十页，本课件共有73页在电场中多子、少子均作漂移运动，因多子数目远

9、比少子多，所以漂移流主要是多子的贡献。对于漂移对于扩散在扩散情况下，如光照产生非平衡载流子，此时非平衡少少子子的浓度梯度最大，所以对扩散流的贡献主要是少子。第二十一页，本课件共有73页电中性的P型半导体电中性N型半导体在内电场的作用下，载流子产生漂移，但随着载流子运动的进行，界面间电场的增高，反过来促使漂移运动加强，这一对立运动在一定温度和条件下达到平衡。从而形成稳定的内电场。空穴电子积累负电荷积累正电荷扩散内电场电子空穴漂移1）内电场的形成1.PN结光伏效应的产生结光伏效应的产生第二十二页，本课件共有73页当光照射光电二极管pn结部位时，只要入射光的能量大于半导体禁带宽度时，就产生本征激发，

10、激发便产生电子-空穴对，P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子。由于受到pn结的阻挡作用，不能通过结区。而在内电场的作用下，P区中的电子驱向N区，空穴驱向P区。这样在P区就积累了多余的空穴，N区积累了多余的电子。从而产生了附加的与内电场相反的电场。该附加电场对于外电路来说，将产生由P到N方向的电动势。当外接电路时，将有光电流通过，这就是光伏效应光伏效应。2）附加电场的形成第二十三页，本课件共有73页图6-3障层光电效应原理当光照PN结端面时，由于光子的入射深度有限，不会得到好的效果，实际的光伏效应器件都制成薄P型或N型，入射光垂直于结表面入射，从而增加了光伏效应的效率。第二十四页，本课件共有7

11、3页2 光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理第二十五页，本课件共有73页图6-5光电二极管的电压-电流特性第二十六页，本课件共有73页第二十七页，本课件共有73页图6-5和图6-6的伏安特性为：结型光电器件工作在伏安特性的第四象限时，称为光伏电池或光电池。第四象限的电压为正，电流为负，这表示与图6-4所示的电流正方向相反，意味着发出功率或产生电流。若外接一电阻作为其负载，就可将光能转换成电能。第二十八页，本课件共有73页一般工作状态下，将负载电阻接在光电（敏）二极管上，并加上反向电压后使用，光照射后的光电流将通过负载电阻以信号的形式被检测出来。3.光电二极管的性能参数光电二极管的性能参数第

12、二十九页，本课件共有73页2)灵敏度为了提高光电二极管的灵敏度，需要照射的光子尽可能多地激发产生电子-空穴对。因此必须增大耗尽层的宽度和少数载流子的扩散长度。3)响应速度1)光电转换效率提高光电转换效率的方法还有：采用波长较长的光照射，（因波长较长的光透入性能比较好，可达到体内较深的地方）；另外，还可采用少数载流子寿命比较长的材料（可降低体内载流子复合速度）第三十页，本课件共有73页4 主要应用主要应用通常用来制造光学仪器。与发光二极管（LED）组合可组成光电耦合器，可用于传感器电路中，可测量长度、位置、数量等，以及微弱光信号的检测等。常用的光电二极管的材料是Si和Ge。但它们的主要缺点是在常

13、温下，暗电流比较大。还有具有PN结的InSb和InAs等。5 光晶体管的作用光晶体管的作用光晶体管的作用与是光电二极管一样的，只是两者性能上稍微有些不同，有些情况下可以互换使用。第三十一页，本课件共有73页1）工作原理与光电二极管相类似，只是它还利用少数载流子扩散的晶体管放大作用来提高其增益。但反过来就影响了其响应速度。光晶体管的结构与普通结型晶体管相同。见书P44图6.52)使用3)在发射极-集电极之间加上与结型晶体管相同方向的4)偏压，即发射极正向偏压，集电极加反向偏压。基极浮空5)，基区作为光的接收部位，可增大其面积，以提高效率。第三十二页，本课件共有73页6.3 高速光电二极管高速光电

14、二极管 1）优点）优点：响应速度快、灵敏度高。2）分类：pin光电二极管和雪崩二极管（APD）。高速光电二极管由于具有响应速度非常快这样的优点，所以常用在高频响应的光应用领域中。v注意：高速光电二极管的原理与普通的光电二极管原理是一样的。6.3.1 pin 管的结构和作用管的结构和作用 其结构如书p45上的图6.6。第三十三页，本课件共有73页在pn结的耗尽层区域内具有本征区域（i层），i层载流子浓度非常低，是一个高阻层。高阻层起的作用：在pn结上加上反向偏压后，它将成为具有较强内部电场的区域，因此，通过加入这个高阻层i层，扩大了携带电信号的光生载流子的产生空间；降低了影响频率响应的pn结的电

15、容量。结果就是提高了灵敏度和响应速度。形成光电流由两部分组成：1）光照下，在i区产生电子-空穴对，电子和空穴在强电场下分离，电子向n区移动第三十四页，本课件共有73页式中，W为i层的厚度；为载流子的漂移速度。高速光电二极管的响应速度是由光生载流子在i层漂移区内的渡越时间决定的。响应的截止频率（响应速度的上限）与I层厚度的关系如下式：而空穴向p区移动，并以光电流形式向外流出，2）还有一部分光电流是由于光进入到了n区里，产生了空穴，空穴进入i层内，同样也产生漂移。第三十五页，本课件共有73页第三十六页，本课件共有73页 1）制作P-N结的材料，可以是同一种半导体（同质结），也可以是由两种不同的半导

16、体材料或金属与半导体的结合（异质结）。“结合”指一个单晶体内部根据杂质的种类和含量的不同而形成的接触区域，严格来说是指其中的过渡区。2）结有多种：P-N结、P-I结、N-I结、P+-P结、N+-N结等。I型指本征型，P+、N+分别指相对于p、n型半导体受主、施主浓度更大些。v补充一点：第三十七页，本课件共有73页PINuPIN的结构：的结构：作用有三个：1增加光子在其内的吸收2耗尽层具有很高的电场强度3耗尽层宽度增加，可使结电容减小，利于高频响应。PIN结构第三十八页，本课件共有73页u光电流的产生光电流的产生第三十九页，本课件共有73页6.3.2 雪崩二极管雪崩二极管它是利用pn结当加的反向

17、偏压接近击穿时，发生载流子碰撞雪崩电离，以获得光生载流子倍增的器件。在给pn结加上反向电压后，它几乎不会有电流流过，但如果反向电压增大到一定值后，反向电流迅速增大的现象称为pn结击穿，发生击穿时的电压称为反向击穿电压。击穿现象中，电流增大的原因不是因为由于迁移率的1.pn结击穿结击穿第四十页，本课件共有73页增大，而是由于载流子数目的增加。到目前为止，pn击穿共有三种：雪崩击穿、隧道击穿和热电击穿。第四十一页，本课件共有73页光子照射电子-空穴对，当pn结反向电压足够高时，它们在结内高电场作用下，获得足够高的动能，在定向运动过程中与晶体原子碰撞产生新的电子-空穴对，新产生的电子和空穴又在电场中

18、获得足够能量，通过碰撞再产生电子和空穴如此下去，像雪崩一样迅速反应而激发出大量的载流子，使初始的光电流大大增加。2.雪崩碰撞电离原理：雪崩碰撞电离原理：产生第四十二页，本课件共有73页 3.结构结构见书上p47图6.7。由一个结与一个层和层构成。高电阻漂移层对应pin管的i层，结果是在层和结内将产生非常强的电场。第四十三页，本课件共有73页 4.APD增加灵敏度的原因增加灵敏度的原因它的光电流的产生主要包含哪几部分?1）当加上反向偏压后，在层和结内会产生非常强的电场，在结内的载流子被加速，就导致雪崩碰撞电离现象的产生，从而，对于每个入射的光子将产生更多的载流子，此耗尽层也称为雪崩区。占光电流的

19、主要部分。2）与pin管的i层一样，层内产生的电子-空穴对因为强电场而分离，电子向层漂移，空穴向p+层漂移，形第四十四页，本课件共有73页成光电流。3）当然，还有少部分的光电流的产生是由层内的少数载流子-电子的扩散长度内所产生的。p+1）因为强反向电场引起的载流子漂移加快，响应速度提高，从能带图上还可以很形象的看出。2）增加层，主要是因为拉长了光生少数载流子在此区间的漂移空间，使得载流子在加速度的作用下，空间越大，最后载流子的漂移速度增加了。5.响应速度提高的原因响应速度提高的原因第四十五页，本课件共有73页6 优、缺点优、缺点缺点：伴有噪声，并受温度的影响较大。工作偏压必须适当，过小时，增益

20、太小；过大时，噪声大，而且过高可能使管子被击穿。优点：具有高速响应特性，和很高的灵敏度特性。第四十六页，本课件共有73页7光电二极管的工作特性光电二极管的工作特性光电二极管的主要特性参数包括响应度、量子效率、响应带宽、APD的倍增系数及噪声等。这里仅讨论响应度和量子效率。-响应度：响应度表征了光电二极管的能量转换效率，其定义为式中，Pin为入射到光电二极管上的光功率，Ip为光电二极管在该入射光功率下产生的光电流，R的单位为AW。第四十七页，本课件共有73页（4-9）式中，波长的单位取m，可见响应度随波长增加而增大。-如果=0.85m，=0.8，R=0.55A/W，表明1mW的功率入射到该光电二

21、极管上，可以产生0.55mA的光电流。量子效率：光电二极管的量子效率的定义为式中，波长的单位取m，可见响应度随波长增加而增大。-如果=0.85m，=0.8，R=0.55A/W，表明1mW的功率入射到该光电二极管上，可以产生0.55mA的光电流。于是,可得:第四十八页，本课件共有73页8 应用应用1）举例-激光测距仪先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管光电传感器上。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。此应用就利用了雪崩光电二极管的高灵敏度，即放大第四十九页，本课件共有73

22、页从宏观来看，光纤通信主要包括光纤光缆、光电子器件及光通信系统设备等三个部分。光电子器件包括有源器件和无源器件。有源器件有光源（发光二级管、激光器）、光电检测器（光电二极管、雪崩光电二极管）和光放大器（光纤放大器、半导体激光放大器、光纤喇曼放大器）以及由这些器件组成的各种模块等。功能能检测极其微弱的光信号；同时，还有高的响应速度，因为光在空气中的传播速度极快，即t很小，所以要求花在检测器件上的时间与之相比是可以忽略的。2）应用）应用2-光通信光通信第五十页，本课件共有73页基本光纤系统的构成第五十一页，本课件共有73页原理：应用：例如报警系统：例如中地毯加入此系统；核辐射中。2第五十二页，本课

23、件共有73页第五十三页，本课件共有73页肖特基光电二极管肖特基光电二极管背对背肖特基光电二极管结构第五十四页，本课件共有73页光子探测器的基本原理光子探测器的基本原理第五十五页，本课件共有73页6.4 摄像器件摄像器件6.4.1 摄像器件的种类摄像器件的种类1.什么是摄像器件?见书上：主要任务就是把接收到的2.光图像信息转换成电信号（模拟量）2.种类1维排列的线条传感器2维排列的图象传感器按照排列方式第五十六页，本课件共有73页按照像素结构和电信号的扫描转移方式CMOS型优点：能把整个系统集成到一块芯片上功耗低、可缩小尺寸，降低成本缺点：成像质量不如CCD好CCD型-电荷耦合器件 CCD和CM

24、OS在制造上的主要区别是CCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上，工作原理没有本质的区别。第五十七页，本课件共有73页3.CMOS型摄像器件型摄像器件4.CMOS：互补金属氧化物半导体 感光像元有三种结构：1）光敏二极管型无源结构，无源结构由一个反向光敏二极管和一个开关组成。2）光敏二极管型有源结像素结构，在前者基础上加了一个有源放大器。3）光栅型有源结构，其结构见书p49图6.8第五十八页，本课件共有73页源极：作为光接收部分。栅极：接扫描脉冲控制线，作用是将由于光照作用产生的载流子作为电荷积聚起来，在来脉冲后，将电荷转移给漏极。漏极：电信号的输出端。

25、信号电荷在光栅下积分，输出前，将扩散点复位，然后改变光栅脉冲，收集光栅下的信号电荷转移到扩散点，复位电压水平与信号电压之差就是输出信号。第五十九页，本课件共有73页4.CCD 结构及作用结构及作用1）结构包括两部分：一是进行光电转换的光接收部分；二是转移电信号的称为CCD移位寄存器的电荷转移部分。2)光接收部分3)si光电二极管阵列。在其上加上反向电压而形成耗尽层。第六十页，本课件共有73页3）电荷转移方式见书图6.94）应用CCD是一种感光半导体芯片，用于捕捉图形，广泛运用于扫描仪、复印机以及无胶片相机等设备。与胶卷的原理相似，光线穿过一个镜头，将图形信息投射到CCD上。但与胶卷不同的是，C

26、CD既没有能力记录图形第六十一页，本课件共有73页数据，也没有能力永久保存下来，甚至不具备“曝光”能力。所有图形数据都会不停留地送入一个“模-数”转换器，一个信号处理器以及一个存储设备(比如内存芯片或内存卡)。CCD有各式各样的尺寸和形状，最大的有22平方英寸。1970美国贝尔实验室发明了CCD。二十年后，人们利用这一技术制造了数码相机，将影像处理行业推进到一个全新领域。目前，大部分的DC使用CCD，它是由大量的光敏元件组成，这些光敏元件按矩阵的形式排列，通常以百万第六十二页，本课件共有73页（megapixel）像素为单位的，我们说的这个就是相机的分辨率，也就是它由多少感光组件组成。光线透过

27、镜头照射到CCD上，并被转换成电荷，每个元件上的电荷量取决于它所感受的光照强度。当你按动快门，CCD将各个元件的信息传送到A/D上，变成数字信号，数字信号经过一定格式压缩后存入缓存内，一张照片就产生了。5）线扫描与平面扫描第六十三页，本课件共有73页DC成像过程图示第六十四页，本课件共有73页传输（移位）寄存器传输（移位）寄存器传输门（选送门）感光基元1123N传输门（选送门）1输出门放大器输出信号控制信号图6.3线扫描传感器第六十五页，本课件共有73页电荷耦合平面阵的工作原理电荷耦合平面阵的工作原理与线阵相似，但感光基元排列成矩阵矩阵形式，工作时先将奇奇数列数列感光基元的内容顺序送进垂直传输

28、寄存器垂直传输寄存器，然后再送进水水平传输寄存器平传输寄存器。水平传输器的内容送进放大器后就得到1帧隔行的视频信号。对偶数列感光基元重复以上过程就可得到另一帧隔行的视频信号。将这2帧视频信号合起来就得到歌行扫描电视的1场（f，frame）NTSC制的扫描速度是30f/s，PAL制的扫描速度是25f/s。第六十六页，本课件共有73页感光基元传输门垂直传输寄存器感光基元传输门垂直传输寄存器输出门放大器水平传输（移位）寄存器传输门输出电压信号第六十七页，本课件共有73页第六十八页，本课件共有73页第六十九页，本课件共有73页第七十页，本课件共有73页习习 题题1.两块相同的半导体材料，厚度分别为：2.3.若垂直入射光强度相同，测得两块材料的出射光强分别为4.求材料该波长光的吸收系数。第七十一页，本课件共有73页2 2在在 GaAs GaAs的本征吸收限上，对的本征吸收限上，对8um8um的光的吸收系的光的吸收系数为数为 ，试求这种光的透入深度（光，试求这种光的透入深度（光强为强为 时的深度）时的深度）第七十二页，本课件共有73页3300K下GaAs的禁带宽度为1.43ev，试求出本征吸收的长波限。为什么实际观察到的本征吸收限是一条指数衰减的曲线？第七十三页，本课件共有73页