第六章--光电子技术

光电池材料：硅、硒、锗、砷化镓等四大类；
硒光电池：光谱响应与人的视觉函数很相似， 由于稳定性很差，目前已经被硅光电池取代； 砷化镓光电池：量子效率高，噪声小，光谱响应在紫外 和可见区域，适用于光度测量； 锗光电池：长波响应宽，适合作近红外探测器；
硅光电池：工艺最成熟，应用最广泛，具有高效率、宽 的光谱响应、良好的频率响应特性、高稳定性及耐高能 辐射等优点。单晶硅：变换效率最高，已达２０％以上， 但价格也最贵；非晶态硅：变换效率最低，但价格最便 宜，最有希望用于一般发电。
D*
v 0
Rv ( Ad f ) 12 2 1 (2eI D fRL ) 2
●反偏压工作时的探测率为零偏压工作时的
2 倍，
因此光伏探测器一般工作于反偏压。 ●探测率与负载电阻有关，要适当选取负载电阻。
(3)光谱特性
硅和锗材料：近红外和可见光波段
锗光电二极管：响应峰值波长1.4um—1.5um，长波 限为1.8um，短波限为0.41um， 硅光电二极管：峰值波长0.8—0.9um HgCdTe、PbSnTe等光伏探测：通过控制温度及组 分可以到1—3um和 8—14um。
反向饱和电流为：
I so Dn DP e( n po Pno ) Ad Ln LP
kT I P kT 1 Rv eP I so h I so
Rv与器件工作温度、光敏面的面积、少数载流子的浓 度和扩散有关；而与与外偏压无关。 (2) 探测率：
RV D ( Ad f ) 1 2 VN
●(4)
温度特性
光伏探测器的噪声特性和光电流都与温度有关系
§6.4光伏探测器实例---光电池及光伏探测器
光电池：能源和探测器件； 光伏探测器：光电信号变换；在微弱快速信号探 测方面有重要的应用
一Hale Waihona Puke Baidu光电池
光电池：不需加偏压就能把光能转换成电能；按用途 分类为：太阳能电池(转换效率高，结构简单、体积小、 重量轻、可靠性强、成本低)；测量光电池(线性范围 宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好）：在光度 学、色度学、光学精密计量和测试中有广泛的应用。
4、光伏探测器的两个重要参数： (1)开路电压;(2)短路电流;
（1）光伏探测器p-n结开路电压Voc(光电池的重要参数) 开路时，即I=0时，由公式(6.1)得到电压为：
I I so (e ev / kT 1) I P
kT I p kT eP h Voc ln( 1) ln( 1) e I so e I so
2eI f 2eI f 4eI D f
D
D
②当器件处于负偏压工作时：由于ID＋→0 ，上式写 成：
2 iN 2eI D f
★总结：无光照时，负偏压可以抑制噪声
（2）有光照时： ①偏压为0时，流过p-n结的电流有三部分，总噪声为：
2 2 2 2p iN iN iN iN 2e ( I D ID I P ) f
i 2eIf
2 N
I 主要由暗电流和光电流组成，因此,
2 iN 2e( I D I P )f
（6.4）
（1）无光照时： ①在零偏置时：流过p-n结的电流包含热激发产 生的正向和反向的暗电流，它们对总电流的贡献为 零，而对噪声的贡献是叠加的，因此总噪声为：
i i
2 N
2 N
i
2 N
*
只考虑散粒噪声且在弱光条件下：
a)零偏压时
2 弱光条件下有： iN 2e( I D I D I P )f 4eID f
因此探测率为 ： b）反偏压工作时
D
* v 0
Rv ( Ad f ) 12 2 1 (4eI D fRL ) 2
2 弱光条件下有： iN 2e( I D I P )f 2eI D f
2 e ( 2 I D I P ) f
②当器件处于负偏压工作时，由于由于ID＋→0，因此总 噪声为：
2 iN 2e( I D I P )f
总结：为降低暗电流噪声，探测器需工作在负偏压
Voc
eP Ip kT kT h ln( 1) ln( 1) e I so e I so
I I so (e ev / kT 1) I P
（6.1）
e h
IP
P
(没有内增益)
3、光照后的伏安特性曲线
第一象限：加正向偏压， p-n结暗电流ID>>光生电流， 光探测器不工作在这个区 域。 第三象限：p-n结加反向 偏压，此时p-n结暗电流ID ＝Iso<<Ip, I≈Ip+Iso= Ip, 光探测器多工作在这个区 总结：光伏探测器工作于 域。 反偏电压状态
引入本征层对提高器件灵敏度和频率响应起非常 重要的作用。
现有产品的PIN光电二极管性能参数 滨松Si PIN Photodiode
大光敏面的PIN光电二极管

噪 声： 硅PIN中，热噪声占优势。
锗PIN中，暗电流散粒噪声相比较大
四、雪崩光电二极管（APD）
雪崩二极管是具有内增益的光伏探测器， 利用光生载流子在高电场区内的雪崩效应获得 光电流增益，具有高灵敏度，响应快等优点。 1.工作原理-雪崩效应
p-n结 加强反偏电压和光照 光生载流子产生 强电场作用下 获得高 能量，与晶格原子碰撞，晶格原子电离产生电子-空穴对 强电场作用下 获得高能量，再次与晶格原子碰撞 产生新的电子-空穴对。上述过程不断重复，使p-n结内 电流急剧倍增放大，这就是雪崩效应。
2、雪崩光电二极管结构
电极 SiO2
n+ p
(4) 温度特性：
强光照射或聚焦光 束照射情况下，更 要考虑光电池工作 的温度
二、硅光电二极管 硅光电二极管制作工艺成熟，暗电流和温度 系数远小于锗，目前使用的多是硅光电二极管。
图a：是用n型单晶硅及 硼扩散工艺制成，称 p＋n结构，型号为2CU。 图b：是采用单晶硅及 磷扩散工艺，称n＋p结 构，型号为2DU。
雪崩倍增系数M、暗电流ID与所加偏压之间的关系 ：
180
140
100 60 M ID
20 18 16 14 12 10
0 154 156 158 160 162 164 VA(V)
▽反偏电压低时，无雪崩效应，M=1，VA增加，倍增
系数增大。 ▽反偏电压接近击穿电压时（最佳工作偏压：一般为 几十伏到几百伏之间），倍增系数增加很快，暗电流 增加也很快，这时雪崩增益系数为102-103。
特点：环形p-n结，为了消除表面漏电流，工作于较小的负偏 压；通常用平面镜和聚焦透镜作为入射窗口；聚焦透 镜：提高灵敏度，由于了聚焦位置与入射光方向有关， 因此能减小杂散背景光的干扰。
伏安特性：工作于 反向偏压下，无光 照射时的暗电流 ID=Iso；光照时Ip， Iso同一方向光电二 极管工作于线性区 域
其中
1 M 1 2 F M [1 (1 )( ) ] r M
（过量噪声因子）
r：电子与空穴电离之比。对于硅材料，r=50左右，锗 材料，r=1左右。
§6.3光伏探测器的性能参数
（1）响应率： 由6.2式，可得电压响应率为：
Voc kT IP Rv ln( 1) P eP I so
在弱光照射下，即Ip<<Iso时，上式可以写为：
kT I P kT 1 Rv eP I so h I so
（6.5）
npo和pno为少数载流子浓度； Dn和Dp分别为电子和空穴的扩 散系数，Ln、Lp分别为电子和 空穴的扩散长度，Ad为探测器 的光敏面积。
（2）短路电流（光电二极管的参数） 短路时，V=0, I+=0 e P （6.3） I短 I P h
(6.2)
§6. 2.,光伏探测器的噪声
噪声主要有：（1）散粒噪声（2）热噪声 总噪声为：
4kTf i 2eIf Rd
2 N
反偏工作时，Rd非常大，因热噪声可忽略不计。
总噪声为：
第六章： 光伏探测器
光伏探测器：利用半导体p-n结光伏效应制作
的探测器; 探测器类型：根据内建电场形成的结势垒的不 同，有p-n结势垒，PIN结势垒, 金属－半导体的肖特基势垒 等。 主要内容:光电池、光电二极管、PIN光电二极 管、雪崩二极管、光电三极管等
6.1 光伏探测器的工作原理
1、光生电动势的产生过程
(2)雪崩光电二极管的噪声
同倍增管相似，除普通光电二极管的散粒噪声之外还包 含倍增过程引入的噪声，雪崩过程的散粒噪声为：
2 i NM 2eIM k f 2e( I D I P )M k f
对于硅，k=2.3-2.5；对于锗，k=3）。上式可以写成：
2 i NM 2e( I D I P )M 2 Ff
n+
特点：（1）基片杂质浓度高（电阻率低），容易产生 碰撞电离；（2）基片厚度比较薄，保证有高的电场强 度，以便于电子获得足够的能量产生雪崩效应；（3） 结边缘做成环状，其作用是减小表面漏电，避免边缘 出现局部击穿。 材料：通常采用硅或锗材料，也可用III-V族化合物半 导体制作。
3、雪崩二极管的特征参数 (1)倍增系数M
光电池工作于有负载的情况,其工作原理：
负载电压为： V IRL ( I P I D ) RL
工作特点： 光电池工作特性与负载关系很大。I与P线性 关系要求不高，只要求IV最大。因此不同的入射 光功率要求不同的电阻值。
最佳负载电阻的确定方法
I/ mA Isc
50 40 30 20 10 0
无光照 + + + n
内建电场
光照
(-)
+_
+_
(-)
(+)
+
+_
+_
+_
+_
p
光照
p-n结 光生载流子 在外回路形成电流
形成光生电动势
2、光照后产生的电流：
两部分电流：①光电流Ip ②光生电压产生的正向电流I＋
I I so (e
eV / kT
1)
V为光生电动势， Iso反向饱和电流
结区的总电流I为：
RM
Voc
V/mV
（2）光谱特性：光电池的光谱响应取决于材 料的性能。
Se: 峰值响应波长0.57um，可见光波段的敏感元件 Si: 光谱相应在0.4－1.1um，峰值响应波长0.85um
(3) 频率特性：光电池的响应频率一般不太高， 硅光电池最高截止频率仅为几十千赫。 原因：光敏面大→ 极间电容大→电路时间常数 RLC较大
典型光电二极管--滨松(HAMAMATSU)公司产品:
Si—Photodiode S1087/S1133 Series

三、ＰＩＮ光电二极管
(1)本征层厚度近似等于反偏压下 耗尽层的厚度，厚度为500um左右 (2)本征层相对于n区和p区是高阻 区，高电阻使暗电流明显减小。反 向偏电主要集中于这个区域，形成 高电场区，由于p区很薄，光电变 换主要集中在本征层，强电场使光 生载流子渡越时间变短，改善了频 率响应 (3)本征层的引入使得耗尽层加宽， 减少了结电容，使电容时间常数变 小，响应时间更快；
IM M IR
IR：为无雪崩倍增时的p-n结 的反向电流； IM：有雪崩增益时的反向电流；
M与p-n结上所加的反向 偏压、p-n结材料和结构有 关，可用经验公式表示：
1 M V n 1 ( ) V BR
VBR：p-n结击穿电压，与器件工作温度有关，温度升高 时增大； n：与p-n结的材料和结构有关的常数，对于硅器件， n=1.5-4，锗，n=2.5-8。
(1)硅光电池结构
▲国产为2DR和2CR型两种系列 2DR结构特点：P型硅为基片，扩散磷形成n型薄膜， 构成p-n结。有较强的抗辐射能力，适合空间使用 2CR结构特点：n型硅为基片，扩散硼形成p型薄膜， 构成p-n结。一般在地面上作光电探测器使用。
栅状电极：可以有效增大光敏面积和减少电极与光敏面的接 触电阻.
曲线分析：
反偏压增加，耗尽层加宽，结电场增强，对结区光 的吸收及光生载流子的收集效率影响很大，当反偏压进 一步增加时，光生载流子的收集已达极限，光电流饱和。 性能参数：响应率在：0.4－0.6uA/uW的量级。 光谱响应：可见光+近红外 在0.8－1um波段响应率最 高，采用视觉补偿滤波器后，峰值响应波长可转移到 560nm左右，但响应率下降。 噪声：主要是散粒噪声和热噪声，弱光时，散粒噪声 小于热噪声，强光时，散粒噪声大于热噪声。 频率响应：光电二极管的频率响应远比硅光电池高， 达到MHz量级。