光电检测器件分解.pptx

光电检测技术第二章光电检测器件2第二章 光电检测器件光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件。它的性能对光电系统的性能影响很大，如缩小系统的体积、减轻系统的重量、增大系统的作用距离等。它在军事上、空间技术和其他的科学技术以及工农业等生产上得到广泛应用。根据光电检测器件对辐射的作用方式的不同(或说工作机理的不同)，可分为光子检测器件和热电检测器件可分为光子检测器件和热电检测器件两大类。两大类。3第二章 光电检测器件热电检测器件常用的有；热释电探测器、热敏电阻、热电偶和热电堆等。它们的特点是：响应波长无选择性。即它对从可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感；响应慢。即吸收辐射产生信号需要的时间长，一般在几毫秒以上。4第二章 光电检测器件光子检测器件就是我们通常所说的光电检测器件。这种器件可分两大类；电真空或光电发射型检测器件，如光电管和光电倍增管；固体或半导体光电检测器件，如光导型(光敏电阻)和光伏型(光电池与光电二、三极管等)检测器件。它们的特点是：响应波长有选择性。因这些器件都存在某一截止波长0，超过此波长，器件无响应；响应快。一般为纳秒到几百微秒。本章主要介绍光子检测器件(下面均称光电检测器件)，下一章再介绍热电检测器件。5第二章 光电检测器件2.1光电检测器件的基本特性参数2.2真空光电探测器件2.3半导体光电检测器件2.4各种光电检测器件的性能比较和应用选择62.1 光电检测器件的基本特性参数一、有关响应方面的特性参数1响应度(或称为灵敏度)电压响应度：电流响应度：式中，i为入射光的辐通量或光通量2光谱响应度S()光谱响应度的值愈大表示探测器愈灵敏。73、积分响应度S积分响应度表示探测器对连续辐射通量的反应程度。对包含有各种波长的辐射光源式中，0、1分别为光电探测器的长波限和短波限。84响应时间响应时间是描述光电探测器对入射辐射响应快慢的一个参数。即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。把从10上升到90峰值处所需的时间称为探测器的上升时间，而把从90下降到10处所需的时间称为下降时间。95频率响应光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应，其表达式为式中，S0为频率是零时的响应度；为时间常数(等于RC)。当S(f)/S0=0.707时，可得到放大器的上限截止频率：显然，时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽。10二、有关噪声方面的特性参数噪声电压(流)随时间而起伏，按时间取平均值为零。但它们的均方根不等于零，这个均方根电压(流)称为探测器的噪声电压(流)。111热噪声(约翰逊噪声)定义：载流子无规则的热运动造成的噪声。式中，R是导体阻抗的实部，k是玻尔兹曼常数，T是导体的绝对温度，f是测量系统的噪声带宽。热噪声存在于任何电阻中；热噪声与温度成正比；与频率无关，是一种白噪声（一）光电检测器件的噪声122散粒噪声或称散弹噪声，即穿越势垒的载流子的随机涨落(统计起伏)所造成的噪声。式中，IDC是流过器件的电流直流分量(平均值)；q为电子电荷。散粒噪声也是白噪声。133产生复合噪声载流子的产生率与复合率在某个时间间隔也会在平均值上下起伏。这种起伏导致载流子浓度的起伏，从而也产生均方噪声电流。其表达式为式中，I是流过器件的平均电流；为载流子平均寿命；t漂为载流子在器件两电极间的平均漂移时间，f为频率。因此，这种噪声不是白噪声。如果频率很低，且满足2f1时，此时有：则产生复合噪声为白噪声。1441/f噪声或称闪烁噪声或低频噪声。这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在，当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。其经验公式为式中，Kf为与元件制作工艺、材料尺寸、表面状态等有关的比例系数；与流过元件的电流有关，通常2；与元件材料性质有关，其值在0.81.3间，大部分材料1;与元件阻值有关，一般在1.41.7之间。当其它参数不变时，INf与1/f成比例，所以称为1/f噪声。显然，频率越低，噪声越大，故也称低频噪声。这种噪声不是白噪声，而属于“红”噪声，相当于白光的红色部分。15（二）衡量噪声的参数1信噪比(S/N)信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。它是在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比，即利用S/N 评价两种光电器件性能时，必须在信号辐射功率相同的情况下才能比较。但对单个光电器件，其S/N 的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关。如果入射辐射强，接收而积大，S/N 就大，但性能不一定就好。因此用S/N 评价器件有一定的局限性。162等效噪声输入(ENI)它定义为器件在特定带宽内(1Hz)产生的均方根信号电流恰好等于均方根噪声电流值时的输入通量。此时，其它参数，如频率、温度等都应加以规定。这个参数在确定光电探测器件的探测极限时使用。3噪声等效功率(NEP)或称最小可探测功率Pmin。它定义为S/N=1时入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦)。即：NEP在ENI单位为瓦时与之等效。一个良好的探测器件NEP约为1011W。NEP越小，器件的性能越好。174、探测率D与归一化探测率D*D=1/NEPD越高，器件性能越好。为了在不同带宽内对测得的不同的光敏面积的探测器件进行比较，使用参数归一化探测率(比探测率)D*式中，A为光敏面积；f为测量带宽。5暗电流Id即光电检测器件在没有输入信号和背景辐射时所流过的电流(加电源时)。18三、其他参数1、量子效率()定义：量子效率是在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。单个光量子的能量为和h=hc/，单位波长的辐射通量为e，波长增量d以内的辐射通量为ed，所以在此窄带内每秒钟的入射光量子数为19而每秒钟产生的光电子数为：其中，Is为信号电流，q为电子电荷。因此量子效率一般()反映的是入射辐射与最初的光敏元的相互作用，通常()1，此时我们一般使用增益或放大倍数这个参数。202线性度线性度是描述探测器的光电特性曲线输出信号与输入信号保持线性关系的程度。光电探测器线性区的下限一般由器件的暗电流和噪声因素决定，上限由饱和效应或过载决定。光电探测器的线性区还随偏置、辐射调制及调制频率等条件的变化而变化。线性度通常用非线性误差来度量：式中，max为实际响应曲线与拟合直线之间的最大偏差；I1、I2分别为线性区中的最小和最大响应值。213工作温度光电探测器工作温度不同时，性能有变化，例如象HgCdTe探测器一类的器件在低温(77K)工作时，有较高的信噪比，而锗掺铜光电导器件在4K左右时，有较高的信噪比，但如果工作温度升高，它们的性能逐渐变差，以致无法使用。所以，工作温度就是指光电探测器最佳工作状态时的温度，它是光电探测器的重要性能参数之一。222.2 真空光电检测器件2.1光电检测器件的基本特性参数2.2真空光电探测器件2.3半导体光电检测器件2.4各种光电检测器件的性能比较和应用选择232.2 真空光电检测器件一、光电发射材料纯金属材料表面吸附一层其他元素原子的金属半导体材料光电发射材料从光电子发射效应原理可知，一个良好的光电发射材料应具备下述条件；光吸收系数大；光电子在体内传输过程中受到的能量损失小，使其逸出深度大；表而势垒低，使表面逸出几率大。24满足上述条件的材料就会得到较高的量子效率。金属对上述条件都不满足。因此量子效率较低。大多数金属的光谱响应都在紫外或远紫外区，只能适应对紫外灵敏的光电器件。半导体光发射材料的量子效率比金属大得多，而光发射波长延伸至可见光和近红外波段范围。70年代以后，在半导体光电发射材料的基础上发展了一种负电子亲和势光电阴极，长波限延伸至1.6m。量子效率明显提高。25（一）常用的经典光电发射材料1银氧铯(Ag-O-Cs)阴极图2.2.1Ag-O-Cs光电阴极光谱响应特性整个可见光及近红外都是灵敏的。这是红外段唯一可用的经典光电发射材料，长波限可达1.2m，量子效率极低，暗电流大。1934年研制的第一支红外变象管就采用这种阴极。从图2.2.1可知它有两个峰值。一个在紫外区0.35m，另一个在近红外区0.8m处。262锑铯(CsSb)阴极量子效率高，在蓝光区峰值量子效率高达30，比AgOCs的效率高30倍。在可见区，它的积分响应度可达70-150A/lm。长波限在0.7m左右，并可延伸，但光谱响应范围较窄，对红光和红外不灵敏图2.2.2 CsSb光电阴极光谱响应特性273多碱光电阴极(1)锑钾钠阴极，响应度可达50100A/lm,在0.4m处的量子效率达25，能耐高温(达150左右)。(2)锑钾钠铯阴，极限值响应度波长在0.42m附近，响应度为230A/lm左右，长波限在0.85m，在较宽的光谱区具有较高的量子效率。这是一种具有更高稳定性、疲劳效应很微小的器件，尽管工艺复杂，成本高，但还是被广泛使用。284紫外光电阴极探测紫外辐射关键在于采用什么合适的窗口材料，可使紫外辐射透过而射向光电阴极。碲化铯对太阳和地表辐射不敏感。在紫外区，它有有限宽的响应范围(100280nm)。长波限在290320nm。29（二）负电子亲和势材料光电子的逸出功=Eg+EA,其中EA被称为电子亲和势。若设法减小EA甚至降低到负值，则光电发射阈值可以大大减小，从而延长了阈波长的范围，另外量子效率也大为提高。获得负电子亲和势材料的原理是设法在材料表面出现能带弯曲。1963年Simon根据半导体物理的研究，首先提出了负电子亲和势（NEA）理论，1965年J.J.Scheer和J.V.Lar首先研制出GaAs-Cs(镓砷-铯)NEA阴极，开创了新一代光电阴极的新局面。30EA2Eg1SiCs2OEA1Eg2E0EC2EV2Ef2EC1EV1Ef1EA2Eg1SiCs2OEg2E0EC2EV2EC1EV1EAeEd例如Si-Cs2O光电阴极，它在P型Si的基质材料上涂一层极薄的Cs，经特殊处理而形成N型Cs2O本来P型Si的发射阈值1=EA1+Eg1。现在由于表面存在N型薄层，使耗尽区的电位下降，表面电位降低Ed。光电子在表面附近受到耗尽区内建电场的作用，从Si的导带底部漂移到Cs2O的导带底部。此时，电子只需克服EA2就能逸出表面。对于P型Si的光电子需克服的有效亲和势为EAe=EA2-Ed,由于EdEA2，所以形成了负电子亲和势。31NEA阴极的特点为：高吸收，低反射性质，高量子效率，(max)50%60%光谱响应可达1m以上；“冷”电子发射光谱能量分布较集中，接近高斯分布光谱响应较为平坦；暗电流小，从室温冷却到-20时，暗电流下降3个数量级；在可见、红外区，能获高响应度(积分响应度可达2A/lm)，紫外区不突出；工艺复杂，售价昂贵。32二、光电倍增管（PMT）光电倍增管(PMT)是一种建立在光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上的、把微弱入射光转换成光电子，并获倍增的重要的真空光电发射器件。33（一）PMT的基本结构和原理由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。入射光光电阴极第一倍增极阳极第三倍增极34（二）PMT的基本特性参数1.光谱响应度光电倍增管的光谱响应曲线与光电阴极的光谱响应曲线相同。主要取决于光电阴极材料的性质。光电倍增管的阴极电流光谱响应度为：其中，ik()是波长为的阴极电流；()是波长为的量子效率；PI()是波长为的入射光功率。阳极积分电流响应度为：其中，G是PMT的放大倍数（增益）。35阴极积分光谱响应度：阳极积分光谱响应度：362.放大倍数(电流增益)在一定的工作电压下，光电倍增管的阳极电流和阴极电流之比称为管子的放大倍数M或电流增益G。M(或G)ia/ik式中，ia为阳极电流；ik为阴极电流。图2.2.4 光电倍增管阳极灵敏度和放大倍数随工作电压而变化的函数关系曲线1最大灵敏度 2典型放大倍数 3典型灵敏度 4最小灵敏度373暗电流Id光电倍增管的暗电流是指无光照时光电倍增管的输出电流。w引起暗电流的因素：(1)光电阴极和第一倍增极的热电子发射。这是PMT的主要暗电流。(2)极间漏电流。由于光电倍增管各极绝缘强度不够或极间灰尘放电引起漏电流。(3)离子和光的反馈作用。由于抽真空技术限制，管内总存在一些残余气体，它们被运动电子碰撞电离，电离的电子经放大形成暗电流。这些离子打在管壁上产生荧光再反射至阴极造成光反馈，形成暗电流38(4)场致发射电极上的尖端、棱角、粗糙边缘在高电压下发生。(5)放射性同位素和宇宙射线的影响因PMT的光窗材料含K40(钾)，它衰变产生一种发光的粒子；宇宙射线中的介子穿过光窗而成为光子。它们射到光电阴极上而产生的一种暗电流(可采用一种无钾的石英窗来大大减弱)。39w减少暗电流Id的方法主要：（1）选好PMT的极间电压。避开光反馈、场致发射及宇宙射线等造成的不稳定状态的影响。（2）在阳极回路中加上与暗电流相反的直流成分来补偿；（3）在倍增输出电路中加一选频或锁相放大滤掉暗电流；（4）利用冷却法减小热电子发射等。404.伏安特性入射辐射通量越大，阳极电流越大，且饱和电压也越大;PMT工作范围宽、线性好。PMT的阳极伏安特性415时间特性和频率响应由于PMT是光电发射型器件，其时间常数非常小（最快0.23ns）而有很高的频率响应。但输出的光电子还是有一定的渡越时间，而且如果在结构上没有补偿，从光电阴极边缘发射的光电子与从中央发射的光电子到达阳极的渡越时间会有差别，这个时间差就叫渡越时间离散。426.PMT的噪声PMT的噪声主要有散粒噪声和负载电阻的热噪声。PMT的散粒噪声为：式中，为二次电子发射系数；M为PMT的放大倍数；IDK为阴极的平均电流。负载电阻的热噪声为:一般来说，选PMT总是使热噪声远小于器件固有的散粒噪声。由此可得出RL的选择原则(或范围)即：例如，当IDK=10-10A，M105时，算出在室温下RL0.05。一般RL都比0.05大很多倍。所以，PMT主要考虑散粒噪声，而不考虑热噪声。1437.PMT的最小可探测功率Pmin(即NEP)式中，Sk=Sa/M为PMT的阴极灵敏度44（三）PMT的供电电路1、分压电路w对直流信号，采用线性分压w对脉冲信号，采用非线性分压2、供给电源w要求供给电源非常稳定wPMT馈电方法：阳极接地的负高压接法；阴极接地的正高压接法D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12K-1kVCRL45（四）PMT的输出电路PMT可作为理想的电流源，其等效电路为：其中，CL为输出电容，约为100pF；i(t)RLCLU(t)462.3 半导体光电检测器件2.1光电检测器件的基本特性参数2.2真空光电探测器件2.3半导体光电检测器件2.4各种光电检测器件的性能比较和应用选择47一、光敏电阻（一）光敏电阻的结构及工作原理光敏电阻是光电导型器件。它是在绝缘材料上装梳状光电导体封闭在金属或塑料外壳内，再在两端连上欧姆接触的电极而成。为避免外部干扰，入射窗口装有透明保护窗，起特殊滤光作用(对所需光谱透明)。目前光敏电阻一般采用Eg较大的材料，如金属的硫化物和硒化物等，使得在室温下能获得较大的暗电阻；采用N型材料（因np，增益大些）。48当入射光子使电子由价带跃升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，因此电阻显著减小，电导增加。若连接电源和负载电阻，即可输出电信号，一般有光照时的电阻称为亮电阻。此时可得出光电导g与光电流I光的表达式为式中，gL为亮电导；gd为暗电导，IL为亮电流；Id为暗电流49（二）光敏电阻的特性参数1增益G由1.3知，光敏电阻的增益为其中，为量子产额；为载流子寿命；为迁移率；U为外加电压，l为光敏电阻两极间距。由此看出，只要和的乘积足够大或电极间距足够小(l和U要兼顾考虑)即可使G增大502、灵敏度除了常用的电流灵敏度与电压灵敏度以外，光敏电阻还有以下几个灵敏度(1)光电导灵敏度Sg式中，A为光敏面积；为入射光通量。由欧姆定律，得：所以：此即弱光照时的线性关系。51(2)电阻灵敏度SR显然R越大越好。(3)比灵敏度S比令523光电特性光敏电阻的光电流I光与输入辐射通量有下列关系式：式中，为光敏材料决定的常数；U为电源电压；为0.51之间的系数。弱光照时，1，即线性光电导；强光照时,0.5，即抛物线性光电导。图2.3.1 CdS的光电特性曲线I光534.伏安特性图2.3.2 光敏电阻的伏安特性w使用时，应不使电阻的实际功耗超过额定值。在设计负载电阻时，应不使负载线与额定功耗线相交。w光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，故曲线为直线。545、温度特性光敏电阻的温度特性很复杂。图2.3.3为CdS(硫化镉)和CdSe(硒化镉)光敏电阻的温度特性。光敏特性受温度影响较大，为了提高性能的稳定性、降低噪声、提高探测率，图2.3.3 光敏电阻的温度特性采用专门的冷却装置冷却灵敏面的办法十分必要。556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。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的影响。具体表现在稳定光照下阻值有明显的漂移现象。一般变化的百分比为567.时间和频率响应光敏电阻的时间常数比较大，所以其上限额率f上低。另外，光敏电阻的时间特性与输入光的照度、工作温度有明显的依赖关系。例如，随着输入光照度的增加，光敏电阻的上升时间越来越小。图2.3.4 光敏电阻的频率特性曲线578噪声如图2.3.5，当工作频率f1kHz时，主要为1/f噪声；当1kHzf1MHz时，主要是热噪声。由于光敏电阻时间常数大，一般工作在低频段，所以主要表现为1/f噪声。图2.3.5 光敏电阻的噪声58（三）光敏电阻的应用光敏电阻的优点：有灵敏度高、工作电流大(达数毫安)、光谱响应范围与所测光强范围宽、无极性使用方便光敏电阻缺点：响应时间长、频率特性差、强光线性差与受温度影响大。主要用在红外的弱光探测与开关控制。59例如：照相机的电子快门电路，可用于自动控制曝光时间。当SW闭合时，DT的线圈通电使快门打开。通过快门进入相机的光使胶片感光，也使光敏电阻Rp的值下降对电容C充电，BG1导通，BG2与BG3也随之导通，使BG4截止，DT断电而关闭快门。图2.3.6 相机的电子快门电路60二、光电池光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转变成电能的一种器件。硒光电池因光谱特性与人眼视觉很相近，频谱较宽，故多用于曝光表及照度计。硅光电池是目前转换效率最高(达到17)，几乎接近理论极限的一种光电池。薄膜光电池把CdS(硫化镉)等材料制成薄膜结构，以减轻重量、简化陈列结构，提高抗辐射能力和降低成本。61紫光电池把硅光电池的PN结减薄至结深为0.20.3m，光谱响应峰值移到60nm左右,来提高短波响应，以适应外层空间使用。异质结光电池利用不同禁带宽度的半导体材料做成异质PN结，入射光几乎全透过宽禁带材料一侧，而在结区窄禁带材料中被吸收，产生电子-空穴对。利用这种“窗口”效应提高入射光的收集效率，以获得高于同质结硅光电池的转换效率理论上最大可达30%，但目前因工艺尚未成熟，仍低于硅光电池。62（一）光电池的结构硒光电池：在铝片上覆盖一层P型硒蒸发一层镉，加热后生成N型硒化镉N型硒化镉与P型硒形成PN结电极引线(+)电极引线(-)最后涂上半透明保护层，焊上电极63硅光电池：用单晶硅组成，在一块N型硅片上扩散P型杂质(如硼)，形成一个扩散P+N结；或在P型硅片扩散N型杂质(如磷)，形成N+P结，再焊上两个电极。P端为光电池正极，N端为负极一般在地面上，用作光电探测器的多为P+N型。N+P型硅光电池具有较强的抗辐射能力，适合空间应用，作为航天的太阳能电池。64（二）光电池的特性参数1、输出特性、输出特性图2.3.7 光电池伏安特性曲线IscVoc无光照时，与普通二极管相同；有光照时沿电流轴方向平移。平移幅度与光照度成正比。65其中，q为电子电荷；k为波耳兹曼常数；T为绝对温度；V为光电池的输出电压；IL为等效电路中的恒流源，即光电流；Is为等效二极管反向饱和电流；Rd为等效电路中串联电阻，上式右边第二项为普通二极管伏安特性方程RdRL图2.3.8 光电池等效电路光电池的等效电路如图2.3.8所示。其伏安特性曲线方程为：66通常，Rd很小，于是有：又所以：其中，S为光电灵敏度(A/lx或mA/mW)；L为入射光强度(lx或mW)67图2.3.9 Voc、Isc随入射光强变化曲线图2.3.10 Voc、Isc随受光面积A变化曲线VocISCISCVocVoc(mV)ISC(mA)ISC(mA)Voc(mV)68w当光电池两端接某一负载RL时，输出电流与照度的关系如图2.3.11所示。图2.3.11 输出电流与照度关系69w设流过RL的电流为ILS，其上的电压降为VLS，则RL上产生的电功率PLVLSILS，PL与入射光功率之比称为光电池的转换效率。图2.3.12 VLS、ILS和PL随RL的变化曲线RM称为最佳负载，它随光照度而变化70I(mA)O0V(mV)50600ISCw光电池的伏安特性曲线如图所示wRL负载线过原点，斜率为RL负载线PLVLILVMIMPMVocPQ712、光谱特性光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。204060801000.40.60.81.01.20.2I /%12/m1硒光电池2硅光电池723、温度特性光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。2004060904060VOC/mVT/CISCUOCISC/A600400200VOC开路电压ISC短路电流硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线734 4、频率特性、频率特性光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由图可知，硅光电池具有较高的频率响应，而硒光电池则较差。204060801000I /%12345硒光电池硅光电池f/kHz74（三）光电池的应用光电池的应用主要有两个方面，一是作为光电检测器件，光电池的应用主要有两个方面，一是作为光电检测器件，二是将太阳能转变为电能。二是将太阳能转变为电能。利用光电池作为探测器件利用光电池作为探测器件，有着光敏面积大，频率响应高，光电流随照度线性变化等特点。因此，它既可作为开关应用，也可用于线性测量。如用在光电读数、光电开关、光栅测量技术、激光准直、电影还音等装置上。利用光电池将太阳能变成电能利用光电池将太阳能变成电能，目前主要是使用硅光电池。实际应用中，把硅光电池单体经串联、并联组成电池组，与镍铜蓄电池配合，可作为卫星、微波站，野外灯塔，航标灯，无人气象站等无输电线路地区的电源供给。75三、光敏二极管（一）光敏二极管的结构及工作原理光敏二极管的结构与一般二极管相似。但它是一种光电器件，为了获得尽可能大的光生电流，PN结面积比普通二极管大很多。且通常都以扩散层作为它的受光面。为此，受光面上的电极做得较小。为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅。为了保证管子的稳定性、减小暗电流和防止光线的反射，在表面上还必须用二氧化硅作保护。76光敏二极管在电路中一般是处于反反向向工工作作状状态态，如图所示。PN光光敏二极管符号RL 光PN光敏二极管接线77无光照时，只有暗电流(反向电流)经过PN结。受光照时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。78（二）光敏二极管的特性参数1、势垒区的厚度与电容厚度：其中n为N型区的电阻率；n为N型区的电子迁移率；为介电常数；U为外加电压电容：其中：N为基体掺杂浓度792、光谱响应光谱响应主要决定于：表面层(半导体薄层与金属薄层)材料的禁带宽度Eg；表面抗反射涂层的性质与厚度；器件的结构。图2.3.13 典型光敏二极管的光谱响应803光敏二极管的光照特性图2.3.14 光敏二极管光生电流电压特性（1）伏安特性81（2）光电流与负载电阻的关系图2.3.15 零偏时，不同照度下光电流与负载电阻的关系（温度25C,色温2700K）82(3)光电流与照度的关系:光敏二极管的光电流光敏二极管的光电流 I 与与照度之间呈线性关系。照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。图2.3.16 反向偏压为15V时扩散PN结光敏二极管的光照特性834、光敏二极管的温度特性由于反向饱和电流对温度的强烈依赖性，光敏二极管的暗电流对温度的变化非常敏感。因此，在探测恒定光时（直流应用）必须考虑温度的影响。与硅光电池一样，光敏二极管短路电流随温度的变化率远小于开路电压的变化率，所以为了取得很好的温度特性，光敏二极管应在较小负载下使用。84（三）光敏二极管的类型1、点接触光敏二极管：出现较早，工艺较困难。光线穿过半导体内一个已经刻蚀好的头罩聚焦到肖特基势垒上，由于光敏面很小，势垒电容很小，所以响应很快852、扩散型P-N结光敏二极管这种管子的耗尽层厚度比结的任何一边的扩散长度要小。其工作区主要是结两边的扩散区。因此，对光生电因此，对光生电流的贡献主要是扩散流，而不是漂移流。它的响应不流的贡献主要是扩散流，而不是漂移流。它的响应不如耗尽层型光敏二极管。如耗尽层型光敏二极管。3、耗尽层型光敏二极管这种管子的耗尽层厚度比结的任何一边的扩散长度要大。其光电转换区域主要是耗尽层，光电流主要是由漂光电流主要是由漂移电流引起的。有很高的频率响应。移电流引起的。有很高的频率响应。864、扩散型P-I-N光敏二极管PIN管的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于I层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。从而提高管子的频率响应。P-SiN-SiI-SiPIN管结构示意图87PIN型光敏二极管的特点：型光敏二极管的特点：频带宽，可达10GHz。因为I层很厚，在反向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。不足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。885、雪崩光敏二极管（APD）APD利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作。工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。响应速度最快的一种光电二极管，带宽可达100GHz。噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。APD在光通信中应用前景广阔。89 RL ENNPe bc三、光敏三极管（一）光敏三极管的结构及工作原理有PNP型和NPN型两种。结构与一般三极管相似，具有电流增益,只是它的集电极一边做的很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的倍。PPN becP90相对灵敏度/%硅锗入射光/nm40080012001600100806040200（二）光敏三极管的特性参数1、光谱特性、光谱特性硅的峰值波长为900nm，锗的峰值波长为1500nm。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。91光敏三极管的伏安特性2 2、伏安特性、伏安特性光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080U/V92光敏晶体管的光照特性I/AL/lx200400600800100001.02.03.03 3、光照特性、光照特性图中给出了光敏三极管的输出电流 I 和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。93暗电流/mA光电流/mA10 20 30 40 50 60 70T/C2505010002003004001020 30 4050 60 70 80T/C光敏晶体管的温度特性4 4、温度特性、温度特性(暗电流及光电流与温度的关系)温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。945 5、光敏三极管的频率特性、光敏三极管的频率特性光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光调制频率/HZ相对灵敏度/%光敏晶体管的频率特性952.4 光电检测器件的性能比较和应用选择2.1光电检测器件的基本特性参数2.2真空光电探测器件2.3半导体光电检测器件2.4各种光电检测器件的性能比较和应用选择96一、接收光信号的方式1、光信号的有无：如光电开关、光电报警等。此时光电器件不考虑线性，但要考虑灵敏度2、光信号按一定频率交替变化：必须考虑光电器件的响应频段3、光信号的幅度大小：必须选用线性好、响应快的器件4、光信号的色度差异：必须选择合适的光谱特性的器件97二、各种光电检测器件的性能比较w在动态特性方面，即频率响应与时间响应，以光电倍增管和光电二极管(尤其是PIN管与雪崩管)为最好；w在光电特性方面(即线性)，以光电倍增管、光电二极管、光电池为最好；w在灵敏度方面，以光电倍增管、雪崩光电二极管、光敏电阻和光电三极管为最好；w输出电流大的器件有大面积光电池、光敏电阻、雪崩光电二极管与光电三极管（注：灵敏度高不见得就是输出电流大）98w外加电压最低的是光电二、三极管，光电池不需加电源；w暗电流光电倍增管与光电二极管最小，光电池不加电源时无暗流，加反压后Id也比PMT与光电二极管大；w长期工作的稳定性方面，以光电二极管、光电池为最好，其次是PMT与光电三极管；w在光谱响应方面，以光电倍增管和CdSe（硒化镉）光敏电阻为最宽，但PMT响应偏紫外方面，而光敏电阻响应偏红外方面。99三、光电检测器件的应用选择1、光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统、光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配。在光谱特性上匹配。如测量波长是紫外波段，则选PMT或专门的紫外光电半导体器件；如果信号是可见光，则可选PMT、光敏电阻与Si的光电器件；如是红外信号，选光敏电阻，近红外选Si的光电器件或PMT。1002、光电检测器件的光电转换特性必须和入射辐射能量、光电检测器件的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。其中首先要注意的是器件的感光面要和照相匹配。其中首先要注意的是器件的感光面要和照射光匹配好。射光匹配好。太阳能电池具有大的感光面，一般用于杂散光或者没有达到聚焦状态的光束的接收。光敏电阻是一个可变电阻，有光照的部分电阻就降低，必须设计光线照在两电极中间的全部电阻体上以便有效地利用全部感光面。光电二、三极管的感光面只是结附近的一个极小的面积，故一般把透镜作为光的入射窗，要把透镜的焦点与感光的灵敏点对准。光电池的光电流比其它器件因照射光的晃动要小些。对微弱的光信号，器件必须有合适的灵敏度，以确保一定的信噪比与输出足够强的电信号。1013、光电检测器件必须和光信号的调制形式、信、光电检测器件必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以保证得到没有频率失号频率及波形相匹配，以保证得到没有频率失真的输出波形和良好的时间响应。真的输出波形和良好的时间响应。这种情况主要是选择响应时间短或上限频率高的器件，但在电路上也要注意匹配好动态参数。4、光电检测器件必须和输入电路在电特性上良、光电检测器件必须和输入电路在电特性上良好地匹配，以保证有足够大的转换系数、线性好地匹配，以保证有足够大的转换系数、线性范围、信噪比及快速的动态响应等。范围、信噪比及快速的动态响应等。1025、为使器件具有长期工作的可靠性，必须注意、为使器件具有长期工作的可靠性，必须注意选好器件的规格和使用的环境条件。选好器件的规格和使用的环境条件。一般要求在长时间的连续使用中，能保证在低于最大限额状态下正常工作。当工作条件超过最大限额时，器件的特性即急剧劣化，特别是超过电流容限值后，其损坏往往是永久性的。使用的环境温度和电流容限一样，当超过温度的容限值后，一般将引起缓慢的特性劣化。总之，要使器件在额定条件下使用，才能保证稳定可靠地工作。103第二章结束第二章结束