光电子学第四章精.ppt

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1、光电子学第四章第1页，本讲稿共29页1.光伏型探测器概述光伏型探测器概述利用半导体利用半导体PN结光伏效应制成的光电探测器。结光伏效应制成的光电探测器。品种多品种多:各种光电池、各种光电池、光电二极管、光电二极管、光电晶体管、光电场效应管、光电晶体管、光电场效应管、PIN管、雪崩光电二极管、光可控硅、管、雪崩光电二极管、光可控硅、阵列式光电器件、象限式阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器（光电器件、位置敏感探测器（PSD）、光电耦合器件等。）、光电耦合器件等。和光电导探测器不同，光伏探测器的工作特性要复杂一些。通常和光电导探测器不同，光伏探测器的工作特性要复杂一些。通常有光电池和光电

2、二极管之分，即有两种工作模式。有光电池和光电二极管之分，即有两种工作模式。两种工作模式，光电导和光伏式，它们由外偏压电路决定。两种工作模式，光电导和光伏式，它们由外偏压电路决定。第2页，本讲稿共29页光电转换原理光电转换原理 短路光电流短路光电流:PN结受光照射时，即使没有外加偏压，结受光照射时，即使没有外加偏压，PN结自身也会产生结自身也会产生一个开路电压，这时如果将一个开路电压，这时如果将PN结两端短接，便有短路电流通过回路。结两端短接，便有短路电流通过回路。光子光子电极电极电极电极耗尽层耗尽层SiO2p+nn+PN结光伏探测器的典型结构结光伏探测器的典型结构第3页，本讲稿共29页光伏探测

3、器的工作模式光伏探测器的工作模式 一个一个PN结光伏探测器等效为一个普通二极管和一个恒流源结光伏探测器等效为一个普通二极管和一个恒流源(光电流源光电流源)的并联，图的并联，图(a,b)。它的工作模式则由外偏压回路。它的工作模式则由外偏压回路决定。在零偏压时决定。在零偏压时(图图 c)，称为光伏工作模式。当外回路采用，称为光伏工作模式。当外回路采用反偏压反偏压V时时(图图d)，即外加，即外加P端为负端为负n端为正的电压时，称为光导端为正的电压时，称为光导工作模式。工作模式。VuiiD(a)(b)(c)(d)i第4页，本讲稿共29页两种工作模式的比较两种工作模式的比较 光导模式工作时，光电二极管加

4、反偏压，可以大大提高器光导模式工作时，光电二极管加反偏压，可以大大提高器件的频率特性。此外反偏压可增加长波端灵敏度及扩展线件的频率特性。此外反偏压可增加长波端灵敏度及扩展线性区上限。但反偏产生的暗电流引起较大的散粒噪声，且性区上限。但反偏产生的暗电流引起较大的散粒噪声，且频率低于频率低于1KHz时还有时还有1/f噪声，这又限制了探测能力的下限。噪声，这又限制了探测能力的下限。因光伏式二极管无偏压工作，故暗电流造成的散粒噪声小，因光伏式二极管无偏压工作，故暗电流造成的散粒噪声小，且无且无1/f噪声，有高得多的信噪比。噪声，有高得多的信噪比。光伏式二极管主要应用于超低噪声、低频及仪器方面。光光伏式

5、二极管主要应用于超低噪声、低频及仪器方面。光导式二级管则主要用来探测高速光脉冲和高频调制光。导式二级管则主要用来探测高速光脉冲和高频调制光。第5页，本讲稿共29页2.PN结光电二极管电流特性简介结光电二极管电流特性简介第6页，本讲稿共29页2.1 扩散电流扩散电流是是PN结光电二极管的基本电流结光电二极管的基本电流假定材料由厚假定材料由厚P薄薄N组成，组成，P、N之间是空间电荷区。之间是空间电荷区。PxnxsOxp空空间间电电荷荷区区Nx第7页，本讲稿共29页第8页，本讲稿共29页第9页，本讲稿共29页第10页，本讲稿共29页第11页，本讲稿共29页第12页，本讲稿共29页第13页，本讲稿共2

6、9页PN结光生电流结光生电流波长短于波长短于co的红的红外辐射外辐射光电二极光电二极管吸收管吸收电子电子-空穴对空穴对发生在空间电发生在空间电荷区两侧荷区两侧P型型区或区或N型区的型区的一个长度为一个长度为Le的范围内的范围内发生在空发生在空间电荷区间电荷区电子电子-空穴空穴对被强电场对被强电场分开分开在外电在外电路中产路中产生电流生电流电子电子-空穴对中只有那些通过扩散进入空空穴对中只有那些通过扩散进入空间电荷区的才会在那里被电场分开而对外间电荷区的才会在那里被电场分开而对外电路贡献光电流电路贡献光电流第14页，本讲稿共29页第15页，本讲稿共29页3.响应率与探测率响应率与探测率响应率：描

7、述探测器灵敏度的参量，表征输入信响应率：描述探测器灵敏度的参量，表征输入信号和输出信号关系的参量。号和输出信号关系的参量。探测率：表示探测器的探测能力，是等效噪声功探测率：表示探测器的探测能力，是等效噪声功率的倒数。率的倒数。第16页，本讲稿共29页第17页，本讲稿共29页4.噪声噪声1.约翰逊噪声约翰逊噪声在无偏压及外来光照射的热平衡条件下，光电二极管在无偏压及外来光照射的热平衡条件下，光电二极管均方噪声电流即为零偏压电阻均方噪声电流即为零偏压电阻R0的约翰逊的约翰逊-奈奎斯特噪奈奎斯特噪声为声为第18页，本讲稿共29页2.散粒噪声散粒噪声第19页，本讲稿共29页第20页，本讲稿共29页第2

8、1页，本讲稿共29页3.1/f噪声噪声与光电流及扩散电流基本无关与光电流及扩散电流基本无关与表面漏电流与表面漏电流Is大致呈正比大致呈正比第22页，本讲稿共29页4常用的光伏探测器简介常用的光伏探测器简介(1)硅光电池：也称太阳电池或光伏电池，价格便宜，硅光电池：也称太阳电池或光伏电池，价格便宜，光电转换效率高，光谱响应宽，频率特性好，寿命长，光电转换效率高，光谱响应宽，频率特性好，寿命长，稳定性好，耐高能辐射，适合近红外探测。稳定性好，耐高能辐射，适合近红外探测。第23页，本讲稿共29页（2）PIN 硅光电二极管：载流子的扩散时间和电路时间常数大约硅光电二极管：载流子的扩散时间和电路时间常数

9、大约同数量级，是决定光电二极管响应速度的主要因素。为了改善频同数量级，是决定光电二极管响应速度的主要因素。为了改善频率特性，就得设法减小载流子扩散时间和结电容，于是人们提出率特性，就得设法减小载流子扩散时间和结电容，于是人们提出加一层中间本征层。加一层中间本征层。第24页，本讲稿共29页（3）异质结光电二极管：异质结是由两种不同的）异质结光电二极管：异质结是由两种不同的半导材料形成的半导材料形成的P-N结，结，P-N结两边是由不同的基结两边是由不同的基质材料形成的，质材料形成的，第25页，本讲稿共29页（4）雪崩光电二极管（）雪崩光电二极管（APD）。以上光电二极管都没有内部增）。以上光电二极

10、管都没有内部增益，即增益益，即增益。雪崩二极管有内部增益，增益可达。雪崩二极管有内部增益，增益可达102104。它。它是利用雪崩管在高的反向偏压下发生雪崩倍增效应而制成的光电是利用雪崩管在高的反向偏压下发生雪崩倍增效应而制成的光电探测器。探测器。第26页，本讲稿共29页（5）Schottky势垒光电二极管。这是一种由金属和半导体接触所势垒光电二极管。这是一种由金属和半导体接触所制成的光电二极管，所以这种光电二极管也称为金属半导体光电制成的光电二极管，所以这种光电二极管也称为金属半导体光电二极管。二极管。要求反偏压工作，光从金属一侧入射。为使透光性好，要求反偏压工作，光从金属一侧入射。为使透光性

11、好，金属是用真空镀膜技术制成的金属膜，厚度只有几十埃。金属是用真空镀膜技术制成的金属膜，厚度只有几十埃。第27页，本讲稿共29页(6)光电三极管：具有内增益，但获得内增益的途径不是雪崩效应，而是利用一般晶体管的电流放大原理。第28页，本讲稿共29页（7）InSb光伏探测器：光伏探测器：InSb材料既可作光电导探测材料既可作光电导探测器，也可制成器，也可制成P-N结光伏探测器。是在结光伏探测器。是在35um波波段内常用的高性能红外探测器。段内常用的高性能红外探测器。（8）Hg1-xCdxTe光伏探测器光伏探测器：近：近20年来在红外探测年来在红外探测器方面最卓越约成绩是器方面最卓越约成绩是HgCdTe探测器的研制成功探测器的研制成功及投入使用。改变组份及投入使用。改变组份x就可以改变就可以改变HgCdTe探测探测器的工作波段。器的工作波段。第29页，本讲稿共29页