第三章 半导体光电检测器件及应用二

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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。
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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。
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硅光电池结构示意图
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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。
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。
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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。
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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
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光电晶体管原理性结构图
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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。
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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。
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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。
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几种国产3DU型光电三极管的特性
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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。
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
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3.2 光生伏特器件
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光电二极管的伏安特性曲线
a)转到第l,象限 b）略去第II象限部分
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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。
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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。
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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。
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光电三极管的应用
P42 图3-33 光电三极管开关电路
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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
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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。
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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。
硅光电池的伏安特性曲线
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几种国产硅光电池的特性
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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。
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PIN管结构示意图
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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。
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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。
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几种国产2CU型硅光电二极管的特性
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几种国产2DU型硅光电二极管的特性
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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。
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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。