S2 光电探测器件(1)

光电流与照度之间的关系
光电三极管的灵敏度比光电 二极管高，输出电流也比光 电二极管大，多为毫安级。
光电二极管线性好，适合于 检测使用
光电晶体管在弱光时呈现非 线性，在强光下呈现饱和， 线性特性不好，多用来作光 电开关元件或光电逻辑元件
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2.4.4 光电二极管与光电三极管
④ 伏安特性 光电流与外加偏压之间的关系
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② 光电三极管
与一般晶体管不同，集电极电流 由集电结上产生的光电流控制。
集电结起双重作用
① 把光信号转换为电信号，起 光电二极管的作用
② 使光电流再放大，起晶体管 的作用
从原理上可看成有光电二极管与普通三极管的组合体
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2.4.4 光电二极管与光电三极管
③ 光照特性
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2021/3/6 14
2.4.4 光电二极管与光电三极管
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② 光电三极管
光电晶体管和普通晶体管类似，也有电流放大作用。用大面积 的集电结，用于接收光辐射
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。
一般将光电三极管的基极开路， 集电结反偏，发射结正偏
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2.4.4 光电二极管与光电三极管
与硅光电池的伏安特性曲线图比较 ① 为分析方便，将I，III象限对调
② 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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2.4.4 光电二极管与光电三极管
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① 光电二极管
低偏压时：光电流变化非常敏感， 这是由于反偏压增加使耗尽层加 宽，结电场增强，所以对结区的 光的吸收率及光生载流子的收集 效率加大；
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光电二极管光电流在微安量级，三 极管光电流在毫安量级
光电二极管光电流随所加偏压变化 小，光电三极管偏压对光电流的影 响较大
工作电压较低时，光电三极管输出 光电流非线性现象严重
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2.4.4 光电二极管与光电三极管
⑤ 温度特性 按电流及光电流与温度的关系
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温度对光电流影响小，对 暗电流的影响大，需采取 横温或温度补偿措施
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。扩展pn结区、增高反向偏置电压是提高频率响应的 措施。如：PIN APD
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2.4.4 光电二极管与光电三极管
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⑦ 频率特性 光电三极管的频率特性 1)光生载流子对发射结电容Cbe和集电结电容Cbc的充放电时间； 2)光生载流子渡越基区所需要的时间； 3)光生载流子被收集到集电极的时间； 4)输出电路的等效负载电阻RL与等效电容Cce所构成的RC间。
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2.4.4 光电二极管与光电三极管
② 光电三极管 (光电晶体管) 光电三极管有两种基本结构，NPN结构与PNP结构。 •用N型硅材料为衬底制作的 NPN结构，称为 3DU型； •用P型硅材料为衬底制作的称为PNP结构，称为3CU型。
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与光电池、二极管类似，DU型均为n为受光面，CU型均为p为受光面
高偏压时：收集已达极限，光电 流趋于饱和，曲线近似平直，且 低照度部分比较均匀，可用作线 性测量。
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2.4.4 光电二极管与光电三极管
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① 光电二极管 微变等效电路
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
Ip为光电流，V为理想二极管， Cf为结电容，Rsh为漏电阻，Rs 为体电阻，RL为负载电阻；
③ 对光斑形状无严格要求，只与光能量重心有关
④ PSD检测，光点越接近边缘，位置检测误差越大
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1.什么是传统机械按键设计？
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传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的 开关按键来实现功能的一种设计方式。
传统机械按键结构层图：
按
PCBA
键
开关 键
传统机械按键设计要点：
2.4.4 光电二极管与光电三极管
① 光电二极管
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2.4.4 光电二极管与光电三极管
① 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，只有两个 引出线
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2DU系列以P-Si为衬底，有三条引出线，前极、后极与环极。
② 光电位置探测器件
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改进表面分流型：弧形电极，改善电场分布，信号在对 角线上引出，用非线性补偿，进行一定程度校正。
Px
Ix2 Ix2
I y1 Ix1 I y2 I y2 Ix1 I y1
X L
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PY
Ix2 Ix2
Iy2 Iy2
Ix1 I y1 Ix1 I y1
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2.4.5 特殊结型光电二极管
① PIN光电二极管 (快速光电二极管) 几种PIN型光电二极管特性参数
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2.4.5 特殊结型光电二极管
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② 光电位置探测器件 (Position Sensitive Detector)
对光点位置敏感的探测器件。具有连续分布光敏面，对光点几 何重心位置进行探测，一维或二维结构。
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2.4.5 特殊结型光电二极管
② 光电位置探测器件
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Px
Ix2 Ix2
I x1 I x1
x Lx
Py
Iy2 Iy2
I y1 I y1
y Ly
两面分流型：暗电流大，线性好。两面各一组一维PSD电极， 相互之间影响小，保持一维PSD的优点。
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2.4.5 特殊结型光电二极管
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① 光电二极管
❖ 与光电池的主要区别为：
① 光电池的衬底材料掺杂浓 度高于光电二极管，光电二极 管的电阻率高于光电池
② 工作电流小，仅为微安级
③ 光电二极管结面积远小于 光电池,具有更好的频率特性
④ 工作状态不同，前者为零 偏置电压状态，以获得光电流, 后者则处于反偏置电压。
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2.4.5 特殊结型光电二极管
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② 光电位置探测器件
RLi Ri
I1 R2 RL2 R2 L X I2 R1 RL1 R1 L X
I1 L X I0 2L
I2 L X I0 2L
单端电流与光点距中心位置成线性关系
用两端输出电流的差值与两端总电流的比值作为PSD传感器的 输出
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2.4.4 光电二极管与光电三极管
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⑦ 频率特性 光电二极管的频率特性
1) 在PN结区外产生的光生载流子扩散到PN结区内所需要的时 间，称为扩散时间记为τp （ns量级）； 2) 在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间，称为漂移 时间记为τdr（10－11量级）； 3) 由PN结电容Cj和管芯电阻及负载电阻RL构成的RC延迟时间 τRC （ 负载电阻RL不大时为ns数量级 ）。
对于光电二极管，减薄PN结的厚 度可以使短波段波长的光谱响应 得到提高，因为PN结的厚度减薄 后，短波段的光谱容易被减薄的 PN结吸收（扩散长度减小）。因 此，可以制造出具有不同光谱响 应的光伏器件，例如蓝敏器件和 色敏器件等。蓝敏器件是在牺牲 长波段光谱响应为代价获得的 （减薄PN结厚度，减少了长波段 光子的吸收）。
1.合理的选择按键的类型， 尽量选择平头类的按键，以 防按键下陷。
2.开关按键和塑胶按键设计 间隙建议留0.05~0.1mm， 以防按键死键。
3.要考虑成型工艺，合理计 算累积公差，以防按键手感 不良。
2.4.5 特殊结型光电二极管
② 光电位置探测器件 ⑥ 背景光影响
I1
I0
LX 2L
I
I2
I0
L X 2L
空间分辨率达微米级。
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2.4.5 特殊结型光电二极管
② 光电位置探测器件
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光 → 光电二极管 → 空穴由N向P移动 空穴→1端→I1 空穴→2端→I2
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2.4.5 特殊结型光电二极管
② 光电位置探测器件
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I0 I1 I2
2021/3/6
I1 R1 RL1 I2 R2 RL2
Y L
33
2.4.5 特殊结型光电二极管
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② 光电位置探测器件
① 光谱特性：光谱宽，一般为300-1000nm，峰值波长 为900nm。
② 入射光强对位置探测影响小：PSD的输出原理上与入 射光强无关。光强大，有利于提高信噪比，因而位置测 试精度高些。但光强太大会引起器件饱和。另外注意光 源和PSD的光谱匹配。
Px
I2 I1 I0
X L
2021/3/6
Px与PSD上入射光点光强大小无关，与 两端实际的检测电流的绝对值无关
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2.4.5 特殊结型光电二极管
② 光电位置探测器件
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2021/3/6 30
2.4.5 特殊结型光电二极管
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② 光电位置探测器件 表面分流型：由同一面引出两对电极。暗电流小，线性差。
C2 光电探测器件
2021/3/6
理学院 宋旸
1
2 光电探测器件
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❖2.1 光电探测器的物理效应 ❖2.2 光电探测器的性能参数 ❖2.3 外光电效应型光电探测器 ❖2.4 内光电效应型光电探测器 ❖2.5 固体成像器件 ❖2.6 光电探测光源
2021/3/6 2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2 光电探测器件
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4 内光电效应型探测器
具体应用时多用图d和图c形式。
2021/3/6 11
2.4.4 光电二极管与光电三极管
② 光电三极管 (光电晶体管)
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包含3个掺杂程度不同的扩散区和两个结区
2021/3/6 12
2.4.4 光电二极管与光电三极管
② 光电三极管
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基极电流IB很小，集电极电流IC由IB控制
Ic Ib β为共发射极电流增益
2021/3/6 7
2.4.4 光电二极管与光电三极管
① 光电二极管 光电二极管的用法
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加反向电压
2DU环极接法
若加正向电压，正接后与普通二极管一样，只有单 向导电性，而表现不出它的光电效应。
2021/3/6 8
2.4.4 光电二极管与光电三极管
① 光电二极管 加反向电压时的伏安特性曲线
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2021/3/6 3
2.4 内光电效应型光电探测器
❖2.4.1 光电导型光探测器 光敏电阻
❖2.4.2 pn结光伏探测器 ❖2.4.3 光电池 ❖2.4.4 光电二极管与光电三极管 ❖2.4.5 特殊结型光电二极管 ❖2.4.6 恒流源型探测器的偏置和设计
2021/3/6 4
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2.4.4 光电二极管与光电三极管
2021/3/6
高阻、承担 大部分压降
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2.4.5 特殊结型光电二极管
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① PIN光电二极管 (快速光电二极管)
灵敏度高：光照面积大，光吸收 率高。
结电容小：P结与N结不直接相联， 中间是不导电的本征半导体材料， 极间距离大，结间电容小。
2021/3/6
载流子运动速度大：结距大，能 加高电压而不会击穿，结间电场 大，载流子运动速度大，结间移 动时间短。
光电三极管由于对光电流 有放大作用，受温度的影 响大于光电二极管
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2.4.4 光电二极管与光电三极管
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⑥ 光谱响应
光电二极管与硅光电三极管具有相同的光谱响应。图所示为典型的硅光 电三极管3DU3的光谱响应特性曲线，它的响应范围为0.4-1.0μm，峰值 波长为0.85μm。
2021/3/6 37
2.4.5 特殊结型光电二极管
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③ 雪崩光电二极管
碰撞电离和雪崩倍增
雪崩光电二极管为具有内增益的一种光 生伏特器件。它利用光生载流子在强电场 内的定向运动，产生的雪崩效应获得光电 流的增益。一般光电二极管的反偏压在几 十伏以下，而APD的反偏压一般在几百伏量 级，接近于反向击穿电压。 当APD在高反 偏压下工作，势垒区中的电场很强，电子 和空穴在势垒区中作漂移运动时得到很大 的动能。它们与势垒区中的晶格原子碰撞 产生电离，激发产生的二次电子与空穴在 电场下得到加速又碰撞产生新的电子－空 穴对，如此继续，形成雪崩倍增效应。
总时间为上述四项和。比光电二极管的时间响应长。通常，硅 光电二极管的时间常数一般在0.1µs以内，PIN和雪崩光电二极管 为ns数量级，硅光电三极管长达5～10µs。
2021/3/6 22
2.4.5 特殊结型光电二极管
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① PIN光电二极管 (快速光电二极管)
PIN管是光电二极管中的一种。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。 最大的特点是频带宽，可达10GHz。
I
Px
I2 I1 I0
1
2
1
I
I0
X L
LOGO
2021/3/6 36
2.4.5 特殊结型光电二极管
③ 雪崩光电二极管
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PIN光电二极管：提高了时间响应，未能提高器件的光电灵 敏度（无内部增益）。
雪崩光电二极管：利用雪崩管在高的反向偏压下发生雪崩倍 增效应而制成的光电探测器。提高光电二极管的灵敏度（具 有内部增益102～104）。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。