光电子技术案例课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,-,-,-,+,+,+,p,n,无光照,光照,(-),+,_,_,_,+,+,+,_,_,_,+,+,+,(-),(+),光照,内建电场,p-n,结 光生载流子 形成光生电动势 在外回路形成电流,1,、光生电动势的产生过程,2,、光照后产生的电流：,两部分电流：光电流,I,p,光生电压产生的正向电流,I,（,6.1,）,(,没有内增益,),结区的总电流,I,为：,V,为光生电动势，,I,so,反向饱和电流,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,I,D,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,I,D,I,so,I,p,II,p,+I,so,=I,p,光探测器多工作在这个区域。,总结：光伏探测器工作于,反偏电压状态,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,V,oc,(,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,：,(6.2),（,2,）短路电流（光电二极管的参数）,短路时，,V=0,I,+,=0,I,短,（,6.3,）,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：,反偏工作时，,R,d,非常大，因热噪声可忽略不计。,总噪声为：,I,主要由暗电流和光电流组成，因此,（,6.4,）,（,1,）无光照时：,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：,当器件处于负偏压工作时：由于,I,D,0,，上式写成：,总结：无光照时，负偏压可以抑制噪声,（,2,）有光照时：,偏压为,0,时，流过,p-n,结的电流有三部分，总噪声为：,当器件处于负偏压工作时，由于由于,I,D,0,，因此总噪声为：,总结：为降低暗电流噪声，探测器需工作在负偏压,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：,在弱光照射下，即,I,p,I,so,时，上式可以写为：,（,6.5,）,反向饱和电流为：,n,po,和,p,no,为少数载流子浓度；,D,n,和,D,p,分别为电子和空穴的扩散系数，,L,n,、,L,p,分别为电子和空穴的扩散长度，,A,d,为探测器的光敏面积。,(6.2),(2),探测率：,R,v,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。,只考虑散粒噪声且在弱光条件下：,零偏压时,弱光条件下有：,因此探测率,为,：,b,）反偏压工作,时,弱光条件下有：,反偏压工作时的探测率为零偏压工作时的,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,1.4um1.5um,，长波,限为,1.8um,，短波限为,0.41um,，,硅光电二极管,：峰值波长,0.80.9um,HgCdTe,、,PbSnTe,等光伏探测,：通过控制温度及组,分可以到,13um,和,814um,。,(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、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。,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。,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；,(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,.,光电池工作于有负载的情况,其工作原理：,负载电压为：,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,V,oc,V,/mV,I,/mA,I,sc,50,40,30,20,10,0,R,M,（,2,）光谱特性：,光电池的光谱响应取决于材,料的性能。,S,e,:,峰值响应波长,0.57um,，可见光波段的敏感元件,S,i,:,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,R,L,C,较大,(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,b,：,是采用单晶硅及磷扩散工艺，称,n,p,结构，型号为,2DU,。,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,。,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,I,D,=I,so,；光照时,I,p,，,I,so,同一方向光电二极管工作于线性区域,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。,典型光电二极管,-,滨松,(HAMAMATSU),公司产品,:,Si,Photodiode S1087/S1133 Series,三、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,；,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,S,i,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。,工作原理,-,雪崩效应,p-n,结 光生载流子产生 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,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。,强电场作用下,加强反偏电压和光照,强电场作用下,2,、雪崩光电二极管结构,n+,n+,p,SiO,2,电极,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,I,R,：为无雪崩倍增时的,p-n,结,的反向电流,；,I,M,：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,：,V,BR,：,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,。,雪崩倍增系数,M,、暗电流,I,D,与所加偏压之间的关系,：,180,140,100,60,20,18,16,14,12,10,I,D,M,0 154 156 158 160 162 164,V,A,(V),反偏电压低时，无雪崩效应，,M=1,，,V,A,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,10,2,-10,3,。,(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：,对于硅，,k,；对于锗，,k,=3,）。上式可以写成：,其中,（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。,硅光电二极管噪声小于锗二极管,(3),现有产品的雪崩光电二极管性能参数,(1),体积小，有较高的灵敏度，结构紧凑，工作电,压低，使用方便,;,(2),性能与入射光功率有关：通常当入射光功率在,1nW,到几,uW,时，倍增电流与入射光具有较好的,线性关系，适合弱光探测。,(3),同,PIN,光电二极管相比，具有更高的灵敏度，,由于有内增益，可大大降低对前置放大器的要,求。,(4