第三章 半导体光电检测器件及应用二
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第三章第二节_半导体二极管及其应用电路
三、二极管的等效电路
1、理想二极管等效电路
当外加正向电压时，二极管导通，正向压
降uD=0；外加反向电压时，二极管截止，
反向电流IR=0。
2、考虑正向压降的等效电路
D
K
K
UD
当外加正向电压大于UD时，二极管导通， 开关闭合，二极管两端压降为UD；当外加 电压小于UD时，二极管截止，开关断开。
二极管的两种等效电路
当 u<0 时 ， 二 极 管
D2、D4导通，D1、 D3截止。
第二节
D1
D2
io
A
+
RL u0
-
B
D4
+
u
-
D3
u
第二节
D1
io
+
RL uo
D2
-
0
π
uo(io）
uo
2π
3π ωt
io
0
π
iD
i iD1 , D3
2π
3πωt
i iD2 , D4
0
π
2π
3π ωt
第二节
uo(io）
uo
0
П
io
2П
相应的管子两端的反
∆UZ
UZ
向击穿电压（即稳压
0
U
IZ
管 的 稳 定 电 压 UZ ） 只 有很小的变化量∆UZ 。
第3章 半导体光电检测器件及应用
穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。
入射 光
Rp
光敏电阻在 电路图中的 符号
本征型和杂质型光敏电阻
本征型光敏电阻：当入射光子的能 量等于或大于半导体材料的禁带宽 度Eg时，激发一个电子－空穴对， 在外电场的作用下，形成光电流。 杂质型光敏电阻：对于Ｎ型半导体， 当入射光子的能量等于或大于杂质 电离能ΔE 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。 本征型用于可见光长波段,杂质型 用于红外波段。
I P g U US g E
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。
光敏电阻随光度量变化的光电特性，可用一个的指 数伽玛（γ）来描述，并定义γ为光电转换因子。
I光 SgE U
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。
在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加
的电压关系
光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，
入射 光
Rp
光敏电阻在 电路图中的 符号
本征型和杂质型光敏电阻
本征型光敏电阻：当入射光子的能 量等于或大于半导体材料的禁带宽 度Eg时，激发一个电子－空穴对， 在外电场的作用下，形成光电流。 杂质型光敏电阻：对于Ｎ型半导体， 当入射光子的能量等于或大于杂质 电离能ΔE 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。 本征型用于可见光长波段,杂质型 用于红外波段。
I P g U US g E
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。
光敏电阻随光度量变化的光电特性，可用一个的指 数伽玛（γ）来描述，并定义γ为光电转换因子。
I光 SgE U
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。
在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加
的电压关系
光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，
第三章 半导体光电检测器件及应用一精品文档47页
图3-2 硫化镉光敏电阻的伏安特性
光电信号检测
（2）光照特性 光敏电阻的光照特性是描述光 电流I和光照强度之间的关系，不同材料的光照 特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是 非线性的。图3-3为硫化镉光敏电阻的光照特性。
I/ mA
0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05
光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图 3-2为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图可见，光敏 电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为直线。说明其阻 值与入射光量有关，而与电压电流无关。
40
30
¹¦ÂÊ
10001 x 500 mW
20
1001 x
I / mA
10 101 x
0
100
200
U/V
光电信号检测
3.2.光敏电阻的主要参数及特点 3.2.1 光敏电阻的主要参数有： (1) 暗电阻 光敏电阻在不受光照射时的阻值称
为暗电阻， 此时流过的电流称为暗电流。
(2) 亮电流 光敏电阻在受光照射时的电阻称为 亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。
(3) 光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。
光电信号检测
Ip=SgEU
光电信号检测
(3) 光谱特性
光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻 对不同波长的入射光有不同的灵敏度。 光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光 敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。
光电信号检测
（2）光照特性 光敏电阻的光照特性是描述光 电流I和光照强度之间的关系，不同材料的光照 特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是 非线性的。图3-3为硫化镉光敏电阻的光照特性。
I/ mA
0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05
光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图 3-2为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图可见，光敏 电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为直线。说明其阻 值与入射光量有关，而与电压电流无关。
40
30
¹¦ÂÊ
10001 x 500 mW
20
1001 x
I / mA
10 101 x
0
100
200
U/V
光电信号检测
3.2.光敏电阻的主要参数及特点 3.2.1 光敏电阻的主要参数有： (1) 暗电阻 光敏电阻在不受光照射时的阻值称
为暗电阻， 此时流过的电流称为暗电流。
(2) 亮电流 光敏电阻在受光照射时的电阻称为 亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。
(3) 光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。
光电信号检测
Ip=SgEU
光电信号检测
(3) 光谱特性
光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻 对不同波长的入射光有不同的灵敏度。 光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光 敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。
光电检测技术与应用第3章光电检测器件资料
光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需 加偏压就能将光能转化成电能的光电器件。
基本结构
1、金属-半导体接触型（硒光电池）
2、PN结型
几个特征： • 1、栅状电极 • 2、受光表面的保护膜 • 3、上、下电极的区分
入射光线
N P
电极() 电极()
符号
33
3.2.2 硅光电池的特性参数
1、光照特性
I光/mA
10 lx
5
250mW
允许的 功耗线
O
50
100
电压V/V
光敏电阻的伏安特性
16
3、温度特性
3.1.2、光敏电阻特性参数
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。不同材料的光敏电阻温度特性不同。 书25页中图3-5中为CdS和CdSe光敏电阻不同照度 下的温度特性曲线。可以看出温度升高可以导致材 料光电导率的下降。实际中往往采用控制光敏电阻 工作的温度的办法提高工作稳定性。
14
3.1.2、光敏电阻特性参数
1、光电特性
光敏电阻的光电流I光与输入辐射照度有下列关系式：
I光 SgEU
其对中EC：为dIS光照光为度光电，电导γ为流体光，，照I光指=I数L-I，d；与材
I光
料弱的光入照射光射强下弱γ有=1关，，对CdS光电
导强体光，下弱光γ=照0.射5；下γ为=1什，么强光？下
基本结构
1、金属-半导体接触型（硒光电池）
2、PN结型
几个特征： • 1、栅状电极 • 2、受光表面的保护膜 • 3、上、下电极的区分
入射光线
N P
电极() 电极()
符号
33
3.2.2 硅光电池的特性参数
1、光照特性
I光/mA
10 lx
5
250mW
允许的 功耗线
O
50
100
电压V/V
光敏电阻的伏安特性
16
3、温度特性
3.1.2、光敏电阻特性参数
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。不同材料的光敏电阻温度特性不同。 书25页中图3-5中为CdS和CdSe光敏电阻不同照度 下的温度特性曲线。可以看出温度升高可以导致材 料光电导率的下降。实际中往往采用控制光敏电阻 工作的温度的办法提高工作稳定性。
14
3.1.2、光敏电阻特性参数
1、光电特性
光敏电阻的光电流I光与输入辐射照度有下列关系式：
I光 SgEU
其对中EC：为dIS光照光为度光电，电导γ为流体光，，照I光指=I数L-I，d；与材
I光
料弱的光入照射光射强下弱γ有=1关，，对CdS光电
导强体光，下弱光γ=照0.射5；下γ为=1什，么强光？下
第3章半导体光电导器件
Ip——光电流，即光敏电阻两端加上 一定电压后亮电流I与暗电流Id之差。 E——光照度。 R——光照指数，它与材料和入射光强 弱有关。 U——光敏电阻两端所加电压。 a——电压指数，它与光电导体和电极 材料之间的接触有关。
Sg——光电导灵敏度。
2.光谱响应特性
光敏电阻的光谱特性
光谱响应率 是指在某一特定波长下，输出光电流（或电压） 与入射辐射能量之比。
4ຫໍສະໝຸດ Baidu典型光敏电阻
（1）对紫外光灵敏的光敏电阻： 硫化镉（CdS）和硒化镉（CdSe） （2）对可见光灵敏的光敏电阻： 硫化铊（TiS）和硫化镉（CdS）和 硒化镉（CdSe） （3）对红外光灵敏的光敏电阻： 硫化铅（PbS），硒化铅（PbSe）， 碲化铟（InSd）等
4、典型光敏电阻
（1）硫化镉（CdS）光敏电阻 它是最常见的光敏电阻，它的光谱相 应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。其光敏面 常为蛇形光敏面结构。 广泛应用于灯光的自动控制，以及 照相机的自动测光等。
2、根据半导体材料的分类，光敏电阻有两 种类型—本征型半导体光敏电阻和掺杂型 半导体光敏电阻。 （1）本征型半导体光敏电阻 只有当入射光子能量等于或大于半导体 材料的禁带宽度时才能激发一个电子—空 穴对。
（2）掺杂型半导体光敏电阻 n型半导体，光子的能量加只要等于或大 于杂质电离能时，就能把施主能级上的电子 激发别导带而形成导电电子，在外加电场作 用下形成电流。 从原理上说p型小型半导体均可制成光敏电阻， 但由于电子的迁移率比空穴大，而且用n型 半导体材料制成的光敏电阻性能
Sg——光电导灵敏度。
2.光谱响应特性
光敏电阻的光谱特性
光谱响应率 是指在某一特定波长下，输出光电流（或电压） 与入射辐射能量之比。
4ຫໍສະໝຸດ Baidu典型光敏电阻
（1）对紫外光灵敏的光敏电阻： 硫化镉（CdS）和硒化镉（CdSe） （2）对可见光灵敏的光敏电阻： 硫化铊（TiS）和硫化镉（CdS）和 硒化镉（CdSe） （3）对红外光灵敏的光敏电阻： 硫化铅（PbS），硒化铅（PbSe）， 碲化铟（InSd）等
4、典型光敏电阻
（1）硫化镉（CdS）光敏电阻 它是最常见的光敏电阻，它的光谱相 应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。其光敏面 常为蛇形光敏面结构。 广泛应用于灯光的自动控制，以及 照相机的自动测光等。
2、根据半导体材料的分类，光敏电阻有两 种类型—本征型半导体光敏电阻和掺杂型 半导体光敏电阻。 （1）本征型半导体光敏电阻 只有当入射光子能量等于或大于半导体 材料的禁带宽度时才能激发一个电子—空 穴对。
（2）掺杂型半导体光敏电阻 n型半导体，光子的能量加只要等于或大 于杂质电离能时，就能把施主能级上的电子 激发别导带而形成导电电子，在外加电场作 用下形成电流。 从原理上说p型小型半导体均可制成光敏电阻， 但由于电子的迁移率比空穴大，而且用n型 半导体材料制成的光敏电阻性能
半导体光电探测器的原理及其应用
半导体光电探测器之阳早格格创做
纲要：本文介绍了光电与系统的组成、一些半导体光电探测器的处事本理及其个性，末尾叙述了光电导探测器与光伏探测器的辨别.
闭键词汇：半导体光电探测器，光电系统，光电导探测器，光伏探测器
弁止
光电探测器是一种受光器件,具备光电变更功能.光敏器件的种类繁琐,有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光晶闸管、集成光敏器件等;有雪崩型的及非雪崩型的;有PN 结型、PIN结型及同量结型的等.由于光电探测器的赞同速度快,体积小,暗电流小,使之正在光纤通讯系统、光纤尝试系统、光纤传感器、光断绝器、彩电光纤传输、电视图象传输、赶快光源的光探测器、微小光旗号的探测、激光测距仪的接支器件、下压电路中的光电丈量及光电互感器、估计机数据传输、光电自动统造及光丈量等圆里得到了广大应用.
半导体光电探测器是用半导体资料创造的能接支战探测光辐射的器件.光映照到器件的光敏区时，它便能将光旗号转形成电旗号，是一种光电变更功能的测光元件.它正在国防战工农业死产中有着要害战广大的应用.
半导体光电探测器可分为光电导型战光伏型二种.光电
导型是指百般半导体光电导管，即光敏电阻；光伏型包罗光电池、P-N结光电二极管、PIN光电二级管、雪崩光电二极管、光电三级管等.本文最先介绍了光电系统的组成，而后分别介绍其处事本理及其个性，末尾将那二类探测器举止比较.
一、光电子系统的组成
系统又称为收射天线，果为光波是一种电磁波，收射光教系统所起的效率战无线电收射天线所起的效率真足相共.收支进去的光旗号通过传输介量，如大气等，到达接支端.由接支光教系统或者接支天线将光散焦到光电探测器上，光电过少距离传输后会衰减，使接支到的旗号普遍很强，果此需要用前置搁大器将其搁大，而后举止解码，还本成收支端本初的待传递旗号，末尾由末端隐现器隐现出去.
半导体物理与器件第3章2
3.2.5 金属、半导体、绝缘体
结合固体能带特点和导电机理，解释导体、半导体、 绝缘体的导电特性的差异
固体导电机理小结： 在外电场下，满带中的电子并不形成宏观电流，不起 导电作用。而被电子部分占满的能带（如导带），其 中电子可以形成电流，起到导电作用。
导体能带特点及导电性
金属导体中，由于组成金属的原子中的价电 子占据的能带是部分占满的，所以金属是良 好的导电体
半导体中能够导电的电子和空穴被称为载流子， 半导体同金属的最大差异，正是由于这两种载 流子的作用，使半导体表现出许多奇异的特性， 可用来制造形形色色的器件。
空穴的特征—带正电荷
漂移电流密度ຫໍສະໝຸດ Baidu应的是价带中的 电子，可写为：
J -e
i (filled)
i
假设能带完全被填满，漂移电流 密度应为0，即
i
“空态”具有正电荷的特性，即 为空穴。
空穴的运动
假设半导体两端加上一个电压源
E
导带中的电子
价带中的电子
J Jh Je
空穴的特征—具有正的有效质量
空穴与对应的空缺k状态的电子的运动规律相同
也就是空穴的加速度
e E f k状态电子加速度： a * * mn mn
由于空穴具有正电荷，它的受力为：f e E 空穴加速度可表示为：
光电检测技术第三章光电检测器
33
光电检测器件
阴极室的结构与光阴极K的尺寸和形状有关,它的作用 是把阴极在光照下由外光电效应（见光电式传感器） 产生的电子聚焦在面积比光阴极小的第一打拿极D1的 表面上。二次发射倍增系统是最复杂的部分。打拿极 主要选择那些能在较小入射电子能量下有较高的灵敏 度和二次发射系数的材料制成。常用的打拿极材料有 锑化铯、氧化的银镁合金和氧化的铜铍合金等。打拿 极的形状应有利于将前一级发射的电子收集到下一极。
内能够运动到真空界面，自然能逸出。但是热电子的逸出深度只有几
十纳米，绝大部分电子来不及到达真空界面，就已经落到导带底变成 冷电子了。冷电子的平均寿命比较长，约 10e-9～10e-8s，其逸出深 度可达1000纳米。因为体内冷电子能量仍高于真空能级，所以它们运 动到真空界面时，可以很容易地逸出。因此NEA量子效率比常规发射 体高得多。
度
流大
0.35
0.8
1.2
图1 Ag-O-Cs光电阴极光谱响应曲线
波长
25
②锑铯阴极（CsSb）
响 应 度
蓝光区量子效率高达 30%，比AgOCs效率高 30倍，长波限在0.7微 米左右，积分响应度 可达70～150微安每流 明，但光谱响应范围
较窄对红光＆红外不 灵敏
波长
图2 Cs-Sb光电阴极光谱响应曲线
6
光电检测器件
第一节：光电检测器件的基本特征参数 一、有关响应方面的特性参数 1．响应度(或称为灵敏度)-光电转换效能
光电检测器件
阴极室的结构与光阴极K的尺寸和形状有关,它的作用 是把阴极在光照下由外光电效应（见光电式传感器） 产生的电子聚焦在面积比光阴极小的第一打拿极D1的 表面上。二次发射倍增系统是最复杂的部分。打拿极 主要选择那些能在较小入射电子能量下有较高的灵敏 度和二次发射系数的材料制成。常用的打拿极材料有 锑化铯、氧化的银镁合金和氧化的铜铍合金等。打拿 极的形状应有利于将前一级发射的电子收集到下一极。
内能够运动到真空界面，自然能逸出。但是热电子的逸出深度只有几
十纳米，绝大部分电子来不及到达真空界面，就已经落到导带底变成 冷电子了。冷电子的平均寿命比较长，约 10e-9～10e-8s，其逸出深 度可达1000纳米。因为体内冷电子能量仍高于真空能级，所以它们运 动到真空界面时，可以很容易地逸出。因此NEA量子效率比常规发射 体高得多。
度
流大
0.35
0.8
1.2
图1 Ag-O-Cs光电阴极光谱响应曲线
波长
25
②锑铯阴极（CsSb）
响 应 度
蓝光区量子效率高达 30%，比AgOCs效率高 30倍，长波限在0.7微 米左右，积分响应度 可达70～150微安每流 明，但光谱响应范围
较窄对红光＆红外不 灵敏
波长
图2 Cs-Sb光电阴极光谱响应曲线
6
光电检测器件
第一节：光电检测器件的基本特征参数 一、有关响应方面的特性参数 1．响应度(或称为灵敏度)-光电转换效能
第3章 半导体光电检测器件及应用2 光电池讲解
当I ? 0，得到开路电压
U oc
?
kT q
ln( I p I0
? 1)
当U ? 0，得到短路电流
Isc ? I p Isc与入射光强度成正比 开路电压与入射光强度的对数成正比
2 光电池的光照特性
? 连接方式：开路电压输出---(a) 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 生电动势。
?5 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。
开路电压下降大约2? 3mV/度 短路电流上升大约10-5? 10-3mA/度
6 光谱响应度
? 硅光电池 响应波长 0.4-1.1微米， 峰值波长 0.8-0.9微米。
3.2 光生伏特器件
3.2.1 光电池
? 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。
? PN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），光生电子 拉向n区，光生空穴拉向 p区，相当于 PN结上加一个 正电压。
? 半导体内部产生电动势（光生电压）；如将 PN结短 路，则会出现电流（光生电流）。
? 非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工 艺, 具有较多的优点 ,例如:沉积温度低、衬底材 料价格较低廉 ,能够实现大面积沉积。
第三章 光电检测技术常用器件及应用2
+4
+4
硅 硼
+3 +4
3. N型半导体
在纯净的硅晶体中掺入五 价元素（如磷或锑），使 之取代晶格中硅原子的位 置，就形成了（Negative） 型半导体。五个价电子， 其中四个与相邻的半导体 原子形成共价键，必定多 出一个电子，它很容易被 激发而成为自由电子，该 原子就成了不能移动的带 正电的离子。每个五价原 子给出一个电子，称为施 主原子。这种半导体又称 为“电子型半导体”。
第三章 光电检测技术常用器件及应用
1、光电器件的类型与特点
2、光电检测器件的特性参数 3、光电导器件---光敏电阻
主要内容
4、光生伏特效应------光电池 、光电二极管、光电三极管等 5、光电发射效应---光电管、光电 倍增管等 6、光热效应----热敏电阻、热电偶
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。
1974年世界上第一架太阳能电池飞机在美国首次试飞。 现在，最先进的太阳能飞机，飞行高度可达2万多米，航 程超过4000公里。
Honda dream, the winning car in the 1996 World Solar Challenge.
Baidu Nhomakorabea
BIPV并网光伏系统
瑞士学生公寓上的玻璃幕墙
峰值波长0.8-0.9微米。
第3章 半导体光电检测器件及应用2
制造一般光电二极管的材料几乎 全部选用硅或锗的单晶材料。 由于硅器件较之锗器件暗电流温 度系数小得多 制作硅器件采用平面工艺使其管 芯很容易精确控制
因此硅光电二极管得到广泛应用
3
光电二极管与光电池的特性比较
1. 基本结构相同，由一个PN结； 2. 光电二极管的光敏面小，结面积小，频率特性好，虽然 光生电动势相同,但光电流普遍比光电池小,为数微安。 3. 掺杂浓度：光电池约为1016-1019/cm3，硅光电二极管 1012~1013/cm3， 4. 电阻率：光电池0.1-0.01Ω/cm，光电二极管1000Ω/cm。 5. 光电池零偏压下工作，光电二极管反偏压下工作。
17
雪崩光电二极管(APD)
雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效 应来工作的一种二极管。 这种管子工作电压很高，约100～200V，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。因此，这种 管子有很高的内增益，可达到几百。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。这种管子响应 速度特别快，带宽可达 100GHz ，是目前响应速度最快的一种 光电二极管。
1．光窗 光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。常用的 光窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和 氟镁玻璃等。 2．光电阴极 它的作用是接收入射光，向外发射光电子。制作光电阴 极的材料多是化合物半导体。 3．电子光学系统 任务：（1）通过对电极结构的适当设计，使前一级发射 出来的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，使下 一级的收集率接近于1；（2）使前一级各部分发射出来的 电子，落到后一级上时所经历的时间尽可能相同，使渡越 时间零散最小。
半导体器件物理第3章-第2部分
VE VT
基区少子满足的边界条件为n p 0 n p 0 e >0
0 n p x B ，
,n p
n p 0 0
x B n p 0 eV
C
VT
VE 0， VC 0 VE
V <0， C
n p 0 n p 0 eVE VT , n p x B n p 0 eV
T 1
1 L2 n
xB
0
1 N a
xB
x
N a dx dx
（3-59）
3.5缓变基区晶体管
四、基区输运因子 对于均匀基区，（3-58）式化简为（3-32）式。
2 1 xB T 1 2 L2 n
小结
基区的缓变杂质分布，引起内建电场
VT dN a x N a x dx
（3-52）
这个电场沿着杂质浓度增加的方向，有助于电子在大部分基区范围内输运。
3.5缓变基区晶体管
小结
利用式（3-52）、（1-137）和爱因斯坦关系导出了少子分布公式
In n p x qADn N a
导出了电流公式
xB
x
N a dx
（3-55）
In
qADn ni2
VT
1
基区少子满足的边界条件为n p 0 n p 0 e >0
0 n p x B ，
,n p
n p 0 0
x B n p 0 eV
C
VT
VE 0， VC 0 VE
V <0， C
n p 0 n p 0 eVE VT , n p x B n p 0 eV
T 1
1 L2 n
xB
0
1 N a
xB
x
N a dx dx
（3-59）
3.5缓变基区晶体管
四、基区输运因子 对于均匀基区，（3-58）式化简为（3-32）式。
2 1 xB T 1 2 L2 n
小结
基区的缓变杂质分布，引起内建电场
VT dN a x N a x dx
（3-52）
这个电场沿着杂质浓度增加的方向，有助于电子在大部分基区范围内输运。
3.5缓变基区晶体管
小结
利用式（3-52）、（1-137）和爱因斯坦关系导出了少子分布公式
In n p x qADn N a
导出了电流公式
xB
x
N a dx
（3-55）
In
qADn ni2
VT
1
半导体光电探测器的原理及其应用
半导体光电探测器
摘要：本文介绍了光电与系统的组成、一些半导体光电探测器的工作原理及其特性，最后阐述了光电导探测器与光伏探测器的区别。
关键词：半导体光电探测器，光电系统，光电导探测器，光伏探测器
引言
光电探测器是一种受光器件,具有光电变换功能。光敏器件的种类繁多,有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光晶闸管、集成光敏器件等;有雪崩型的及非雪崩型的;有PN结型、PIN结型及异质结型的等。由于光电探测器的响应速度快,体积小,暗电流小,使之在光纤通讯系统、光纤测试系统、光纤传感器、光隔离器、彩电光纤传输、电视图象传输、快速光源的光探测器、微弱光信号的探测、激光测距仪的接收器件、高压电路中的光电测量及光电互感器、计算机数据传输、光电自动控制及光测量等方面得到了广泛应用。
半导体光电探测器是用半导体材料制作的能接收和探测光辐射的器件。光照射到器件的光敏区时，它就能将光信号转变成电信号，是一种光电转换功能的测光元件。它在国防和工农业生产中有着重要和广泛的应用。
半导体光电探测器可分为光电导型和光伏型两种。光电导型是指各种半导体光电导管，即光敏电阻；光伏型包括光电池、P-N结光电二极管、PIN光电二级管、雪崩光电二极管、光电三级管等。本文首先介绍了光电系统的组成，然后分别介绍其工作原理及其特性，最后将这两类探测器进行比较。
一、光电子系统的组成
现代光电子系统非常复杂，但它的基本组成可用图l来说明:待传送信号经过编码器编码后加到调制器上去调制光源发出的光，被调制后的光由发射光学系统发送出去.发射光学系统又称为发射天线，因为光波是一种电磁波，发射光学系统所起的作用和无线电发射天线所起的作用完全相同.发送出去的光信号经过传输介质，如大气等，到达接收端.由接收光学系统或接收天线将光聚焦到光电探测器上，光电过长距离传输后会衰减，使接收到的信号一般很弱，因此需要用前置放大器将其放大，然后进行解码，还原成发送端原始的待传送信号，最后由终端显示器显示出来.
光电检测技术—第三章
1
f c ：上限截止频率
时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽
3.2.2 响应特性
5．响应时间：响应时间τ是描述光电探 测器对入射光响应快慢的一个参数（如 图）。
– 上升时间：入射光照射到光电探测器后，光 电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。 – 下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出 下降到稳定值所需要的时间。
3.2.3 噪声特性
在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号 并不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏， 它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。
1 I =i= T
∫
T
0
i (t ) dt
用均方噪声来表示噪声值大小 1 T 2 2 ∆i (t ) = ∫ [i (t ) − i (t )] dt T 0
hν ≥ E g
ν ≥ Eg / h
v = c/λ 1.24 λ ≤ hc / E g = (µ m) Eg 1.24 λ0 = hc / E g = Eg 本征吸收的长波限
杂质吸收
引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的 电离能△Ed、△Ea。 由于杂质电离能比禁带宽度小，所以这种吸收 在本征吸收限以外的长波区 1.24 λ= ∆Ed ( ∆Ea )
3.2.3 噪声特性
噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。 由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响 对信号特别是微弱信号的正确探测。 一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测 系统的噪声所限制。 所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减 小和消除噪声是十分重要的问题。
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《光电信号检测》
《光电信号检测》
1）一维PSD 如图所示，PSD的受光面为P-Si，同时也是个均匀电阻层。 设1、2两电极间距离为2L。如果入射光点位于A点，则电极 1、2输出的光电流与A点至电极1、2的距离成反比，有 I1=I0· (L-x)/2L I2=I0· (L+x)/2L x=L· 2-I1)/(I2+I1) (I 式中，I0=I1+I2。
《光电信号检测》
2CU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。
《光电信号检测》
光电二极管的用法
a) 不加外电源 b) 加反向外电源 c) 2DU环极接法
《光电信号检测》
硅光电池结构示意图
《光电信号检测》
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SiO2或MgF2，Si3N4， SiO2－MgF2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。
《光电信号检测》
3.2.2光敏二极管
光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。 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。光生电势与光电池相同，但输出电流 普遍比光电池小，一般为数微安到数十微安。 按材料分，光电二极管有硅、砷化稼、锑化铟、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， 2DU 系列以P-Si为衬底。2CU系列光电二极管只有两个引出 线，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。
《光电信号检测》
光电三极管的应用
P42 图3-33 光电三极管开关电路
《光电信号检测》
光电晶体管的灵敏度比光电二极管高，输出电流 也比光电二极管大，多为毫安级。但它的光电特 性不如光电二极管好，在较强的光照下，光电流 与照度不成线性关系。所以光电晶体管多用来作 光电开关元件或光电逻辑元件。
光电晶体管的伏安特性曲线
硅光电池的伏安特性曲线
《光电信号检测》
几种国产硅光电池的特性
《光电信号检测》
《光电信号检测》
三种基本的光伏器件输入电路的型式 a) 无偏置电路 b) 偏置电路 c) 太阳能电池电路
其中上图a是光伏器件直接和负载电阻连接的电路， 称作无偏置电路。在图b的电路中，负载电阻上除串联 光伏器件外尚有 与器件端电压相反方向的偏置电源， 组成反向偏置电路。图c是作为能源变换器使用的太阳 能电池充电电路。通常光电池多采用上图a和c的电路， 光电二极管多采 用上图b的电路。
《光电信号检测》
光电二极管的伏安特性曲线
a)转到第l,II象限 b）略去第II象限部分
《光电信号检测》
上图的画法与硅光电池的伏安特性曲线图 比较，有两点不同。一是把硅光电池的伏 安特性曲线图中Ⅰ、Ⅱ象限里的图线对于 纵轴反转了一下，变为上图(a)。这里是以 横轴的正向代表负电压，这样处理对于以 后的电路设计很方便。二是因为开路电压 UOC一般都比外加的反向电压小很多，二者 比较可略而不计，所以实用曲线常画为上 图(b)的形式。
《光电信号检测》
这两种器件中，衬底是共用的，而各光敏元 都是独立的，分别有各自的前极引出线。这 种器件的特点是，光敏元密集度大，总尺寸 小，容易作到各单元多数一致，便于信号处 理。就目前的应用看，两个并列的光电二极 管或光电池，可用来辨别光点移动的方向。 2～4个并列的光敏元，可用来收 集光点移 动的相位信息。几十个至几百个或更多并列 的光敏元，可用来摄取光学图象或用作空间 频谱分析。象限式光电器件可用来确定光点 在二维平面上的位置坐 标。多用于准直、 定位、跟踪或频谱分析等方面。
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。这类器件 品种很多，其中包括各种光电池、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、光可控硅、阵列式光电 器件、象限式光电器件、位置敏感探测器 （PSD）、光电耦合器件等。
《光电信号检测》
4.1.1 光电池 光电池的基本结构就是一个PN结。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。
《光电信号检测》
流过负载的交变电流复振幅为 IL＝Ip/(1+jωτ) ω：入射光的调制圆频率，ω＝2πf，f为入射 光的调制频率。 τ = CjRL IL的模量为
可见，IL是频率的函数，随着入射光调制频率的 增加而减小。当ω=1/τ时，IL＝|Ip |/2*e-2，这 时 f = 1/2πτ 称为上限截止频率，或称为带宽。
ຫໍສະໝຸດ Baidu《光电信号检测》
几种国产3DU型光电三极管的特性
《光电信号检测》
3.2.6 阵列式或象限式结型光电器件 （光伏器件组合器件） 利用集成电路技术使2个至几百个光电二极管 或光电池排成一行，集成在一块集成电路片子 上，即成为阵列式的一维光电器件，也可以使 光电二极管或光电池制成象限式的二维光电器 件。
《光电信号检测》
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，零偏置。另 一种是加反向电压的反向偏置，如上图所 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 由于多数场合光电二极管都是加反向电压， 所以其伏安特性曲线常画成如下图所示的 形式。
《光电信号检测》
3.2.7光电位置探测器 （PSD，Position Sensitive Detectors） PSD是利用离子注入技术制成的一种可确定 光的能量中心位置的结型光电器件，有一维 的和二维的两种。当入射光是一个小光 斑， 照射到光敏面时，其输出则与光的能量中心 位置有关。这种器件和象限光电器件比较， 其特点是，它对光斑的形状无严格要求，光 敏面上无象限分隔线，对光斑 位置可连续测 量。
3.2光生伏特器件 3.2.1 光电池 3.2.2 光电二极管 3.2.3 PIN型光敏二极管 3.2.4 雪崩光敏二极管 3.2.5 光敏晶体管 3.2.6 光伏器件组合器件 3.2.7 光电位置探测器 3.2.8 光电开关与光电耦合器件 3.3 光生伏特器件的特性
《光电信号检测》
3.2 光生伏特器件
《光电信号检测》
PIN管结构示意图
《光电信号检测》
3.2.4 雪崩光电二极管 (APD) 雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生 的雪崩效应来工作的一种二极管。 这种管子工作电压很高，约100～200V，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。因此，这种管子有很高的 内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压 时，电流增益可达106，即产生所谓的自持雪崩。 这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz， 足目前响应速度最快的一种光电二极管。
《光电信号检测》
光电晶体管原理性结构图
《光电信号检测》
正常运用时，集电极加正电压。 集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光 电结。当光照到集电结上时，集电结即产生光电 流Ip向基区注入，同时在集电极电路即产生了一 个被放大的电流Ic。 Ic＝Ie＝（1＋β）Ip β为电流放大倍数。 因此，光电晶体管的电流放大作用与普通晶体管 在上偏流电路中接一个光电二极管的作用是完全 相同的。
《光电信号检测》
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。 这样，即可达到减小流过负载的暗电流、减小噪 声的目的。如果使用时环极悬空，除了暗电流、 噪声大些外，其它性能均不受影响。
《光电信号检测》
几种国产2CU型硅光电二极管的特性
《光电信号检测》
几种国产2DU型硅光电二极管的特性
《光电信号检测》
3.1.3 PIN管
PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是， 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。由式τ = CjRL与f = 1/2πτ知，Cj小， τ则 小，频带将变宽。因此，这种管子最大的特点是频 带宽，可达10GHz。另一个特点是，因为I层很厚， 在反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。所不足的是，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。
《光电信号检测》
光电池在光照下能够产生光生电势，光电 流实际流动方向为，从P端流出，经过外电 路，流入N端，光生电势与照度是对数关系。 当光电池短路时，短路电流Isc与照度E成线 性关系，S＝Isc/E称为灵敏度。
《光电信号检测》
在一定的照度下，曲线在横轴 的截距，代表该照度下的开路 电压Uoc。曲线在纵轴的截距， 代表该照度下的短路电流Isc。 硅光电池的Uoc一般为0.45～ 0.6V，最大不超过0.756v，因 为它不能大于PN结热平衡时的 接触电势差。硅单晶光电池短 路电流为35～40mA/cm2。
《光电信号检测》
硅光电二极管结构示意图
《光电信号检测》
光电二极管的受光面一般都涂有SiO2防 反射膜，而SiO2中又常含有少量的钠、 钾、氢等正离子。SiO2是电介质，这些 正离子在SiO2中 是不能移动的，但是 它们的静电感应却可以使P-Si表面产生 一个感应电子层。这个电子层与N-Si的 导电类型相同，可以使P-Si表面与N－ Si连通起 来。
《光电信号检测》
光电二极管的等效电路
图c是从图b简化来的， 因为正常运用时，光电 二极管要加反向电压， Rsh很大，Rs很小，所 以图b中的V、Rsh、Rs 都可以不计，因而有图c 的形式；图d又是从图c 简化来的，因为Cj很小， 除了高频情况要考虑它 的分流作用外，在低频 情况下，它的阻抗很大， 可不计。因此具体应用 时多用图d和图c两种形 式。
《光电信号检测》
雪崩光电二极管工作原理示意图
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。
《光电信号检测》
3.2.5 光电晶体管 光电晶体管和普通晶体管类似，也有电 流放大作用。只是它的集电极电流不只是受 基极电路的电流控制，也可以受光的控制。 所以光电晶体管的外形，有光窗、集电 极 引出线、发射极引出线和基极引出线（有的 没有）。制作材料一般为半导体硅，管型为 NPN型，国产器件称为3DU系列。
《光电信号检测》
微变等效电路与频率特性：
在一定的照度下，光电二极管的伏安 特性曲线几乎是平直的，可把它看成是 恒流源。 下图中图a为实际电路；图b为考虑到 光电二极管结构、功能后画出的微变等 效电路，其中Ip为光电流，V为理想二 极管，Cj为结电容，Rsh为漏电阻，Rs 为体电阻，RL为负载电阻；
第三章 半导体光电检测器件 及应用 光生伏特器件
宁波工程学院电信学院
丁志群 制
《光电子器件》
光生伏特效应是少数载流子导电的光电效 应，具有暗电流小，噪声低，响应速度快、 光电特性的线性受温度的影响小等特点。 本章要点： 了解与掌握典型光生伏特器件的原理， 特性，偏置电路与实际应用。
《光电信号检测》