半导体光电器件完整.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,半导体光电器件,3.1,光电导型光电探测器件,一、概述,二、光敏电阻的结构,三、光敏电阻的工作原理,四、光敏电阻的特性,五、光敏电阻的特点,六、注意事项,一、概述,光电导型光电探测器件是,利用,光电导效应,制成的均质型光电探测器件。,典型的光电导器件为,光敏电阻,。,常用的光敏电阻有,CdS,硫化镉、,CdSe,硒化镉、以及,TeCdHg,碲镉汞等。其中,CdS,是,工业应用,最多的,，而,PbS,硫化铅主要用于,军事装备,。,Hg,1-x,Cd,x,Te,碲镉汞系列光敏电阻,是目前所有探测器中性能最优良最有前途的探测器。,光电导效应,：半导体受到光照射后，其内部,产生光生载流子,，使半导体中载流子数,显著增加,在外电场的作用下，半导体的电流增大，电导增大而电阻减小的现象。,一、概述,在光电导体中，由于配制,Cd,组分,(x,量,),的不同,，可得到不同的禁带宽度,Eg,，从而制造出波长响应范围不同的,Hg,1-x,Cd,x,Te,碲镉汞,探测器。常用的有,1-3m,、,3-5m,、,8-14m,三种波长范围的探测器，所以对,大气窗口波段,的探测非常重要。,性质：,光敏电阻在光照下会,改变自身的电阻率,;,没有极性，只要把它当作,阻值随光照强度而变化的可变电阻,来对待即可,;,在,电子电路、仪器仪表、光电控制、计量分析以及光电制导,等领域得到了广泛的应用。,太阳能庭院灯，草坪灯，验钞机，石英钟，音乐杯，礼品盒，迷你小夜灯，光声控开关，路灯自动开关以及各种光控玩具，光控灯饰，灯具,二、光敏电阻的结构,光敏电阻电路符号,三、光敏电阻的工作原理,无光照射时：,导带基本为空，电阻率很高。,有光照时：,本征半导体：,a,杂质半导体,:b,本征半导体,杂质半导体,四、光敏电阻的特性,1,、光电导灵敏度,R,2,、光谱响应特性,3,、光照特性,4,、伏安特性,5,、响应特性（频率特性）,6,、前历效应,7,、温度特性,8,、暗电阻和亮电阻,9,、噪声,按灵敏度定义（响应的变化量与输入的变化量之比），可得,其中：,g,：光电导，单位为西门子,S,（,-1,）。,E,：光照度，单位为勒克斯（,lx,）。,R,：单位为西门子,/,勒克斯（,S/lx,）,A:,光敏面积,:,光通量,1,、光电导灵敏度,R,2,、光谱响应特性,光谱响应特性是指光敏电阻的,输出光电流,I,与入射光波长 之间的关系。,性质：,不同的制作材料,对同一入射波长的光吸收是不同的；,即使是同一材料，,对不同波长,的光吸收也是不同的；,可见，,输出光电流值,与,光波长,密切相关。,各种光敏电阻的光谱特性可查阅有关的手册和产品说明书。,不同材料的光谱相应特性,3,、光照特性,定义：,光敏电阻的光照特性：指的是,光电流与光通量或照度之间的关系。,光电流,I,与外加直流电压,V,和,入射光通量 或照度,E,之间的关系可用下面关系式表示,或,k,为光敏电阻材料决定的常数,V,为,外加直流电源电压,为系数，其值一般在,0.5-1,。,光敏电阻的光照特性,4,、伏安特性,伏安特性：在一定光照下，光敏电阻的,光电流,与,所加电压,的曲线关系,暗电导,Gd,，即无光照射时，该曲线的斜率。其倒数为暗电阻,Rd,。,无光照时的情况,光敏电阻的伏安特性曲线,因此硅光电池在光度学、辐射测量、光学精密计量和测试及激光参数测量等方面得到了广泛应用。,光电池中最典型的是同质结硅光电池。,为了减少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2，Si3N4，SiO2MgF2等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀的保护作用。,暗电导Gd，即无光照射时，该曲线的斜率。,3）光敏电阻的光谱特性与温度有关，温度低时，灵敏范围和峰值波长都向长波方向移动，可采取冷却灵敏面的办法来提高光敏电阻在长波区的灵敏度。,光电转换机理也是光生伏特效应。,光电池中最典型的是同质结硅光电池。,值得注意的是短路电流等于光电流，且与入射光照呈线性关系。,与材料、结构、光敏面积大小有关。,暗电导Gd，即无光照射时，该曲线的斜率。,2、测光范围宽，灵敏度高，无极性之分。,温度特性是指光电二极管在偏压（-50V）和照度不变的情况下，光电流和暗电流随温度的变化情况。,5、响应特性（频率特性）,按灵敏度定义（响应的变化量与输入的变化量之比），可得,光敏电阻受光照后或被遮光后，回路电流并不立即增大或减小，而是有一定响应时间。,亮电阻：有光照射时的电阻值，其值与光照大小有关。,1、体积小，偏置电压低，光谱响应范围宽；,5、响应特性（频率特性）,5,、响应特性（频率特性）,光敏电阻受光照后或被遮光后，回路电流并不立即增大或减小，,而是有一定响应时间,。,原因,：,光敏电阻是,依靠非平衡载流子效应工作,的，非平衡载流子的产生与复合,都有一个时间过程,，这个时间过程在一定程度上影响了,光敏电阻对变化光照的响应。,照度愈强，响应时间愈短；暗处放置的时间愈长，响应时间也相应延长。,改善措施,实际应用中，尽量,提高使用照明度,，降低所加电压、施加适当偏置光照、使光敏电阻不是从完全暗状态开始受光照,.,5,、响应特性（频率特性）,光照度越大，其,响应特性越好，惰性越小,6,、前历效应,前历效应：是指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。,分类：,暗态前历,亮态前历,暗态前历效应,是指,光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态前历越长，光电流上升越慢,，其效应曲线如下图所示。一般，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越严重。,亮态前历效应,光敏电阻测试或工作前已处于亮态,，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的,一种滞后现象,。,一般，亮电阻由,高照度,状态变为,低照度,状态达到稳定值时所需的时间要比由,低照度,状态变为,高照度,状态时短。,7,、温度特性,灵敏度、光照特性、响应率、光谱响应率、峰值波长、长波限,都将发生变化，而且这种变化缺乏一定的规律。,随着温度的升高光电导值下降，随着温度的下降光电导值增大，而与照度无关。,光敏电阻的温度特性,8,、暗电阻和亮电阻,暗电阻：无光照射时，光敏电阻值的大小。其值一般为几十千欧到几兆欧。,亮电阻：有光照射时的电阻值，其值与光照大小有关。,9,、噪声,光敏电阻的固有噪声主要有三种：热噪声（,1000Hz,左右）、,产生,-,复合噪声（,100Hz,以上）、,及噪声（,100Hz,以下）,噪声随调制频率的分布关系,五、光敏电阻的特点,1,、体积小，偏置电压低，光谱响应范围宽；,2,、测光范围宽，灵敏度高，无极性之分。,3,、时间常数一般为,10,-2,10,-7,秒，特制的可达,10,-10,秒；响应时间长，频率特性差。,4,、强光线性差，受温度影响大。,5,、实际应用中，在紫外和可见光区，光敏电阻的优点不突出，主要用在自动相机和控光系统中。在,红外区,它的响应相对比较快、响应率较高，机械性能好，因而得到广泛应用。,六、使用中应注意：,1,）当用于模拟量测量时，因光照指数,与光照强弱有关，只有在,弱光照,下光电流与入射光通量成线性关系。,2,）用于,光度量测试仪器,时，必须对光谱特性曲线进行修正，保证其与人眼的光谱光视效率曲线符合。,3,）光敏电阻的,光谱特性,与,温度,有关，温度低时，,灵敏范围,和峰值波长都向,长波,方向移动，可采取冷却灵敏面的办法来提高光敏电阻在长波区的灵敏度。,六、使用中应注意：,4,）光敏电阻的,温度特性,很复杂，电阻温度系数有正有负，一般说，光敏电阻不适于在高温下使用，温度高时输出将明显减小，甚至无输出。,5,）光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有少数品种能超过,1000Hz,。,6,）设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的,额定功耗,，负载电阻值不能很小。,7,）进行动态设计时，应意识到光敏电阻的前历效应。,第三章 半导体光电器件,3.2,势垒型光电探测器件,3.2,势垒型光电,(,光伏,),探测器件,3.2.1,概述,3.2.2,光电池,3.2.3,光电二极管,3.2.4,光伏探测器的使用要点,3.2.1,概述,利用半导体,PN,结光伏效应制成的器件称为,光伏器件,，也称结型光电器件,(,光敏电阻为匀质型,),。,常见的光伏器件：,光电池、光电二极管、,光电晶体管、光电场效应管、,PIN,管、雪崩光电二极管,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,光电二极管,之分，也就是说，光伏探测器有着,不同,的工作模式。,3.2.2,光电池,一、概述,二、符号、连接电路、等效电路,三、光电池的特性参数,一、概述,光电池的基本结构就是一个,PN,结,（零偏状态）。,按,材料,分，有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料的光电池等。按,结构,分，有同质结和异质结光电池等。,光电池中最典型的是,同质结硅光电池,。,国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成,2CR,系列和,2DR,系列两种。,2CR,系列硅光电池是以,N,型硅为衬底,，,P,型硅为受光面的光电池。受光面上的电极称为,前极或上电极,，为了,减少遮光,，前极多作成梳状。衬底方面的电极称为后极或下电极。,为了,减少反射光，增加透射光,，一般都在受光面上,涂有,SiO,2,或,MgF,2,，,Si,3,N,4,，,SiO,2,MgF,2,等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀的保护作用。,N,（,P,）,P,（,Si,）,P,（,B,）,N,（,Si,）,上电极（前极）,下电极（后极）,（,a,）,2DR,（,b,）,2CR,目前最受重视的是,硅光电池,与,硒光电池,。,硅光电池,：硅光电池具有,性能稳定，寿命长，光谱响应范围宽,，,频率特性好,和能,耐高温,等优点。因此硅光电池在光度学、辐射测量、光学精密计量和测试及激光参数测量等方面得到了广泛应用。,硒光电池,：光谱响应曲线和人眼的光谱光视效率曲线的形状很相似，其,光谱响应峰值波长与人眼的光谱光视效率的峰值相重合,，且硒光电池价廉，因而在一些与人眼视觉有关系的光学器件中，在测量与控制应用中，多用硒光电池。但应指出，硒光电池,稳定性很差。,硅光电池,:,它是在,N,型硅片上扩散硼形成,P,型层,，并用电极引线把,P,型和,N,型层引出，形成正负电极。,SiO,2,为防止表面反射光，提高转换效率。,-,+,R,L,P,N,防反射膜,(SiO,2,),p,n,+,-,SiO,2,PN,结,硅光电池结构示意,二、符号、连接电路、等效电路,光电池等效为一个,普通晶体二极管,和一个,恒流源,（光电流源）的并联。,I,光电流,I,j,普通二极管的结电流,I,U,R,L,U,R,L,I,p,I,j,符号 连接电路 等效电路,三、光电池的特性参数,伏安特性,光照特性（光电特性）,光谱特性,频率特性,温度特性,光敏电阻的光照特性：指的是光电流与光通量或照度之间的关系。,光敏电阻的固有噪声主要有三种：热噪声（1000Hz左右）、,5、实际应用中，在紫外和可见光区，光敏电阻的优点不突出，主要用在自动相机和控光系统中。,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。,光照度越大，其响应特性越好，惰性越小,光谱响应特性是指光敏电阻的输出光电流I与入射光波长 之间的关系。,光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。,1）当用于模拟量测量时，因光照指数与光照强弱有关，只有在弱光照下光电流与入射光通量成线性关系。,50 100 150 200 T（0C）,暗处放置的时间愈长，响应时间也相应延长。,温度特性是指光电二极管在偏压（-50V）和照度不变的情况下，光电流和暗电流随温度的变化情况。,伏安特性,输出电流和电压和负载电阻的变化曲线。,二极管的伏安特性,由等效电路图可知,暗电流：当光通量为零时，是光电池加反向偏压后出现的暗电流,a,、当光电池,短路,时，即,U=0,，则 此时,I,称为短路电流，用 表示。值得注意的是短路电流等于光电流，且与入射光照呈线性关系。,b,、当光电池,开路,时，即,I=0,时，则,此时,U,称为开路电压，用 表示。,U,I,p,I,j,R,L,I,光照特性,硅光电池光照特性,硅光电池光照特性与负载电阻的关系,定义：,硅光电池,光照特性,是指,光生电动势（开路电压）、光电流、与照度,之间的关系。,性质：,1,、光生电动势（开路电压）、与照度呈,非线性,关系,2,、光电流与照度之间呈,线性,的关系,3,、光照特性与负载大小关系：,E,相同，负载增大，光电流变小，光照特性的线性区也变小。,光谱特性,光谱特性主要取决于所用,材料与制作工艺,（如结的深浅），也与使用温度有关。,、硒光电池与人眼特性很接近,、硅蓝光电池的结深比较浅，结距受光面很近，,减少,了短波长的光在透过受光表面时的吸收,损耗,，提高了短波长到达结的几率。,频率特性,当光照射光电池时，由于载流子在,PN,结区内扩散、漂移、产生复合需要时间过程。,与材料、结构、光敏面积大小有关。,光电池的响应时间由,PN,结的电容和,R,L,决定，在要求更高的频率特性探测电路中，选用小面积的光电池较有利，同时选择合适的负载电阻。,温度特性,、温度特性,U,oc,和,I,sc,随温度,的变化情况。,、一般,U,oc,（负温度系数）下降约,23mv/,。,C,、,I,sc,（正温度系数）上升约,78uA/,。,C,、值得注意的是，光电池受强光照射时，必须考虑光电池的工作温度。,Se50,。,C,，,Si200,。,C,时，器件损坏。,3.2.3,光电二极管,一、概述,二、分类,三、工作模式,四、表示符号及电路接法,五、工作特性,一、概述,光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个,PN,结,。光电转换机理也是,光生伏特效应,。,它和光电池相比，重要的不同点是,结面积小,，因此它的频率特性特别好；且结的工作状态不同，光电池工作于,零偏状态,，光电二极管工作于,反偏状态,光生电势与光电池相同，但输出电流比普遍光电池小，一般,为数微安到数十微安,。,光电二极管目前多用,硅或锗,制成，但锗器件暗电流温度系数远大于硅器件。工艺也不如硅器件成熟，虽然他的响应波长大于硅器件，但实际应用仍不如硅器件。所以主要介绍硅光电二极管。,二、分类,、按,材料,分，光电二极管有硅、砷化稼、锑化锢、铈化铅光电二极管等许多种。,、按,结构,分，也有同质结与异质结之分。其中最典型的还是同质结硅光电二极管。,、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，,2CU,系列光电二极管只有两个引出线；,2DU,系列以,P-Si,为衬底，而,2DU,系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，还设了一个环极。,2DU,管加环极的目的是为了减少暗电流和噪声。,当管子,加反偏压,时，从前极流出的暗电子流，除了有,PN,结的,反向漏电子流,外，还有通过表面感应电子层产生的漏电子流，从而使从前极流出的暗电子流增大。,为了减小暗电流,，设置一个,N+-Si,的环把受光面（,N-Si,）包围起来，并从,N+-Si,环上引出一条引线（环极），使它接到比前极电位更高的电位上，为,表面漏电子流提供一条不经过负载即可达到电源的通路,。,减小流过负载的暗电流、减小噪声,2DU,管子,因为是以,N-Si,为衬底，虽然受光面的,SiO2,防反射膜中也,含有少量的正离子,，而它的静电感应不会使,N-Si,表面产生一个和,P-Si,导电类型相同的导电层，从而也就不可能出现表面漏电流，所以不需要加环极。,2CU,管子,三、工作模式,硅光电二极管是,反偏的光电导工作模式,。,无光照射时,，给结加适当的反向电压，反压加强了内建电场，势垒增大，流过结的电流（称反向饱和电流）很小，它（,反向电流,）是由,少数载流子,的漂移运动形成的，称之为光电二极管的,暗电流,。,有光照射时,，当满足条件 时，则在结产生,光生载流子,被内建电场拉开，,电子向,N,区漂移,，,空穴向,P,区漂移,，在外加电场的作用下形成了以少数载流子漂移运动为主的光电流，,光电流比无光照射时的反向饱和电流大得多。光照越强，光生载流子越多，光电流越大；反之则越小。,四、表示符号及电路接法,2CU,电路接法,2DU,电路接法,表示符号,1,、硅光电二极管在电路图中的表示符号,、,2CU,电路接法,、,2DU,电路接法,五、工作特性,光照特性,伏安特性,光谱特性,频率特性,噪声,用法,光照特性,负载电阻,R,较小,，且外加,反向偏压也较小,时，光电流与入射光功率呈现较好的线性关系。,光生电流随外加反偏压的增大趋向饱和，此时，光电流大小仅取决与光照强度。,光照特性线性好，适用于,检测,5,10,15,20,0 50 100 150 200 250,照度,/lx,Ip/A,硅光电二极管反向偏压（,15V,）时的光照特性,伏安特性,伏安特性指,反向偏压与光电流之间的关系,当,不加反向偏压,时，与光电池的作用相同。,反向偏压较低,时，光电流随光电压变化非常敏感，这是由于反向偏压增强了内建电场，对结区光生载流子的收集率影响很大；,0,E1,E2,反向电压,反向电流,E2,E1,I(A),U(V),硅光电二极管的,伏安特性,反向偏压进一步加大,时，光生载流子的收集已达极限，光电流就趋于饱和，此时光电流与外加反向偏压几乎无关，仅取决于入射光功率。,a),不加外电源,b),加反向外电源,c)2DU,环极接法,光谱特性,光电二极管的,光谱响应特性主要取决于,禁带宽度、结构、工艺都相关。,0 4000 8000 12000 16000,20,40,60,80,I,（,%,）,100,Si,Ge,光电二极管的,光谱响应,温度特性,-40 -20 0 20 40 60 T,（,0,C,）,20,40,60,80,I,（,A,）,0,2CU,2DU,光电二极管光电流与,温度之间的关系曲线,10,-3,10,-2,10,-1,10,0,50 100 150 200 T,（,0,C,）,I,d,（,A,）,2DU,2CU,光电二极管暗电流与,温度之间的关系曲线,温度特性是指光电二极管在,偏压（,-50V,）和照度不变,的情况下，光电流和暗电流随温度的变化情况。光电二极管受温度影响最大的是暗电流。,频率特性,光电二极管的频率特性，主要由,光生载流子的渡越时间（光生载流子向结区扩散和在结电场中载流子的漂移）和时间常数 的乘积,来决定的。,噪声,光电二极管的噪声来自,散粒噪声与热噪声,.,弱光照射时，散粒噪声小于热噪声，强光照射时，散粒噪声大于热噪声，,热噪声是由,导体或半导体中载流子随机热激发的波动而引起的无偏压下的起伏电动势、或起伏电流。,由于粒子的随机性出现而构成的噪声。,光电二极管的用法,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。,另一种是,加反向电压,，如图所示。,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。,1,）光伏探测器加电压使用时，光电结必须加,反向电压,，即,P,端与外电源的低电位相接。,2,）使用时对入射光强范围的选择应视用途而定。,用于开关电路或逻辑电路时光照可以强些。,用于模拟量测量时，光照不宜过强。因为,光照弱,些，负载电阻小些，加反偏压使用时，,光电线性好,，反之则差。,3.2.4,光伏探测器使用要点,感谢观看,